基于PI數(shù)據(jù)庫的變壓器繞組絕緣分析系統(tǒng)

來 駿，祁愛玲，李月青

（湖州電力局，浙江 湖州 313000）

0 引言

變壓器繞組的熱點溫度是造成絕緣老化的主要原因，直接影響變壓器的運(yùn)行狀態(tài)和使用壽命。一般認(rèn)為變壓器的絕緣運(yùn)行壽命應(yīng)遵循六度法則，即熱點溫度為98℃是繞組損耗的正常絕緣壽命，當(dāng)超過或達(dá)不到98℃時，每上升或降低6℃，變壓器的絕緣老化程度增加或降低一倍[1]。對大型電力變壓器來說，可以通過繞組溫度計和在線色譜檢測裝置來實時監(jiān)測變壓器內(nèi)部的絕緣狀況。但對于為數(shù)眾多的中小型變壓器而言，供電企業(yè)各生產(chǎn)部門只能通過為數(shù)不多的定期試驗來判斷變壓器內(nèi)部的絕緣狀況。為使變壓器設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)、檢修及更換工作更具有科學(xué)性，亟待引入一個能實時監(jiān)測變壓器繞組熱點溫度、定期評價絕緣老化的工具和手段。

PI數(shù)據(jù)庫的引入給上述問題的解決創(chuàng)造了條件。在滿足數(shù)據(jù)安全性的前提下，PI數(shù)據(jù)庫為用戶提供多種數(shù)據(jù)處理工具和良好的二次開發(fā)環(huán)境，可以定制開發(fā)生產(chǎn)急需的各種應(yīng)用軟件。本文提出的變壓器繞組絕緣分析系統(tǒng)正是在PI數(shù)據(jù)庫軟件基礎(chǔ)上二次開發(fā)完成的。該系統(tǒng)運(yùn)用間接計算法[2]對變壓器繞組的熱點溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，對繞組的絕緣老化情況進(jìn)行定期評估，及時發(fā)現(xiàn)并提示絕緣老化嚴(yán)重的變壓器。

1 變壓器繞組的負(fù)載絕緣特性

目前，熱點溫度的測量方法大致可分為直接測量法、熱模擬測量法和間接計算法3種。其中,間接計算法是根據(jù)假設(shè)的變壓器熱模型結(jié)合實際來估算熱點溫度，這是目前變壓器熱點估算的經(jīng)典算法，比廣泛使用于繞組溫度計的熱模擬測量法具有更高的精度[2]。

1.1 繞組熱點溫度

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15164-94《油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》和國際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC 354描述了變壓器內(nèi)部溫升的分布情況以及各種類型變壓器的負(fù)載、熱點溫度、繞組絕緣的特性。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1094.2-1996《電力變壓器第2部分 溫升》以及IEC 354的相關(guān)規(guī)定，可以將油浸式電力變壓器的內(nèi)部溫升分布圖進(jìn)行簡化，如圖1所示。

圖1 電力變壓器內(nèi)部溫升簡化圖

油浸式電力變壓器在穩(wěn)態(tài)情況下的熱點溫度計算方法根據(jù)變壓器的冷卻方式不同而不同。

（1）對于自然油循環(huán)（ON）冷卻的變壓器，任何負(fù)載下的最熱點溫度等于環(huán)境溫度、頂層油溫升和熱點與頂層油之間的溫度差的總和。

（2）強(qiáng)迫油循環(huán)/強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向（OF/OD）冷卻的變壓器，在任一負(fù)載下的最終熱點溫度等于環(huán)境溫度、底層油溫升、繞組的頂部油溫升與底層油溫升之差、以及繞組熱點溫度與頂部油溫之差的總和。

式中：θh為熱點溫度；θa為環(huán)境溫度；K為負(fù)載系數(shù)。

油浸式電力變壓器的以上主要參數(shù)可從變壓器的出廠試驗報告中得到，IEC 354中也給出了典型的負(fù)載熱特性數(shù)據(jù)，如表1所示。

在沒有精確的環(huán)境溫度的情況下，可采用每月的日平均溫度用正弦曲線的方法進(jìn)行擬合，得出一天中各個時刻的溫度。

表1 負(fù)載熱特性數(shù)據(jù)實例

式中：θav是每月的日平均溫度，根據(jù)氣象局公布的歷史數(shù)據(jù)擬合得出；A是日環(huán)境溫度的變化幅值，是根據(jù)晴、雨等多種天氣情況設(shè)置的經(jīng)驗值；TX是一天中最熱一小時的時序數(shù)，設(shè)置為14點；T是待求時刻的時序數(shù)。

1.2 繞組絕緣老化率

IEC 354中提出了考慮具有工程實際意義的相對老化率定律，即蒙辛格熱老化規(guī)則（六度法則）。對于按GB 1094設(shè)計的變壓器，在額定負(fù)載和正常環(huán)境溫度下，規(guī)定熱點溫度的常用基準(zhǔn)為98℃，在此溫度下的相對老化率等于1。實際溫度為80～140℃時，熱點溫度每增加或降低6℃，老化率增加或降低1倍，從而使變壓器的累計運(yùn)行壽命也隨之縮短或延長一倍。

式中：V為相對絕緣老化率。

2 系統(tǒng)功能與應(yīng)用簡介

PI ProcessBook允許用戶通過圖形化的控件將需要監(jiān)測的變壓器信息統(tǒng)一到一個或幾個監(jiān)控畫面中，而PI DataLink則為用戶提供方便地檢索歷史數(shù)據(jù)的方法。本系統(tǒng)利用ProcessBook和DataLink，將IEC 354中定義的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，以實現(xiàn)變壓器繞組絕緣性能分析的各項功能。

2.1 系統(tǒng)功能簡介

2.1.1 熱點溫度實時監(jiān)測

利用ProcessBook工具軟件完成了熱點溫度實時監(jiān)測功能，具體包括：

（1）熱點溫度實時顯示和告警。通過變壓器負(fù)荷的實時值計算得出熱點溫度值，并顯示在監(jiān)測畫面中。當(dāng)熱點溫度超過設(shè)定的限值時，系統(tǒng)將發(fā)出警笛聲并彈出越限告警窗口。

（2）環(huán)境溫度擬合。系統(tǒng)通過選擇天氣情況擬合當(dāng)前環(huán)境溫度進(jìn)行實時顯示，同時允許對環(huán)境溫度進(jìn)行人工修正，使其更為精確。

（3）告警信息記錄和日最高熱點溫度記錄。

2.1.2 繞組絕緣老化率評估

利用DataLink完成了繞組絕緣老化率評估功能，具體包括：

（1）時間選取。通過選定起始時刻和終結(jié)時刻，自動獲取變壓器負(fù)載歷史數(shù)據(jù)的均值，用于計算和評估。

（2）絕緣老化率評估。通過計算得出的熱點溫度來計算絕緣老化率。當(dāng)熱點溫度在80℃～140℃時，相對老化率按照六度法進(jìn)行計算，當(dāng)熱點溫度不超過80℃時，相對老化率取80℃情況下的老化率。當(dāng)某一時段內(nèi)絕緣老化率低于50%時判定絕緣狀況為優(yōu)秀，老化率在50%～80%判定絕緣狀況為良好，高于80%則需要引起注意。

2.2 應(yīng)用效果

本系統(tǒng)應(yīng)用于湖州電力局變電工區(qū)，可將管轄范圍內(nèi)主要變電站的變壓器列入同一畫面集中監(jiān)測。通過對比多臺變壓器的繞組溫度計讀數(shù)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)計算得出的熱點溫度與繞組溫度計讀數(shù)的變化趨勢能較好地同步，進(jìn)而證明系統(tǒng)引入方法的可用性。下面以500kV含山變電站2號主變壓器為例，說明系統(tǒng)的計算效果。

500kV含山變電站的2號主變壓器為強(qiáng)油風(fēng)冷型變壓器，配置了德國MESSKO公司生產(chǎn)的MT-STW160型繞組溫度計，通過熱模擬法來反映變壓器繞組最熱部分的溫度。表2記錄的是2010年8月某些時間點上采用本系統(tǒng)測算出的熱點溫度值和現(xiàn)場繞組溫度計抄錄值，系統(tǒng)測算的熱點溫度值與繞組溫度記錄值的變化趨勢基本相同。假設(shè)繞組溫度計測量是精確的，那么可以認(rèn)為通過系統(tǒng)引入的間接計算法能較為準(zhǔn)確地監(jiān)測繞組的熱點溫度。同時，通過系統(tǒng)對該時期繞組絕緣老化率進(jìn)行計算和評估，結(jié)果為優(yōu)秀。

表2 溫度數(shù)據(jù)對比

3 結(jié)論

本文所述的變壓器繞組絕緣分析系統(tǒng)是在研究分析供電企業(yè)實際需求和變壓器負(fù)載、絕緣特性的基礎(chǔ)上提出的，是深入挖掘PI數(shù)據(jù)庫在變電設(shè)備監(jiān)測中的優(yōu)勢的一次嘗試。通過與繞組溫度計的讀數(shù)進(jìn)行對比分析，認(rèn)為系統(tǒng)能較為準(zhǔn)確地反映繞組的熱點溫度信息和絕緣老化狀況，具有一定的可用性。系統(tǒng)提出利用PI數(shù)據(jù)庫監(jiān)測變壓器繞組絕緣特性的方法僅需利用變壓器的負(fù)荷數(shù)據(jù)就可完成既定功能，是現(xiàn)階段供電企業(yè)了解所轄變壓器設(shè)備工況最為便捷、經(jīng)濟(jì)的手段。同時，該方法可以推廣應(yīng)用到任何一臺符合GB 1094標(biāo)準(zhǔn)制作的電力變壓器。相信結(jié)合日常巡視、定期試驗以及變壓器在線色譜檢測裝置，生產(chǎn)部門可以更加全面地掌握、評判變壓器的運(yùn)行狀況，為變壓器的運(yùn)行維護(hù)提供幫助。

[1]IEC 354.1991《油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》[S].1991.

[2]陳淑謹(jǐn)，王世閣，劉富家.變壓器繞組熱點在線監(jiān)測裝置的研制與應(yīng)用[J].變壓器，2000，8（37）∶40-46.