礦用干式變壓器絕緣狀態(tài)評(píng)估方法分析

張 艷

(山西西山煤電股份有限公司 發(fā)電分公司，山西 古交 030200)

煤礦井下供電系統(tǒng)常用配電壓為6 kV和10 kV，供電系統(tǒng)一般采用的礦用干式變壓器分為樹(shù)脂澆注類絕緣和浸漬式非包封類[1]. 隨著Nomex絕緣紙及真空壓力浸漬等工藝的發(fā)展，新型的礦用干式變壓器主要絕緣材料已發(fā)生較大變化。隨著井下作業(yè)設(shè)備用電量的增加，煤礦安全要求提高，干式變壓器狀態(tài)評(píng)估顯得十分重要，它的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整個(gè)井下生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)。但井下復(fù)雜多變的惡劣環(huán)境導(dǎo)致設(shè)備老化快，穩(wěn)定性也受到一定影響。其中，絕緣故障占干式變壓器故障80%以上[2]，其狀態(tài)影響變壓器本身的運(yùn)行狀態(tài)。目前，對(duì)絕緣狀態(tài)的檢測(cè)需要依靠維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果，具有一定的經(jīng)驗(yàn)性和局限性。為避免傳統(tǒng)定期維護(hù)導(dǎo)致的漏檢測(cè)和過(guò)檢測(cè)問(wèn)題，對(duì)絕緣狀態(tài)有效評(píng)估，建立相應(yīng)的評(píng)估方法和模型，能夠有效提高檢測(cè)的準(zhǔn)確率，最大程度保證設(shè)備運(yùn)行安全可靠。礦用干式變壓器結(jié)構(gòu)屬于密封型，與油浸式變壓器相比，散熱方式、絕緣材料等方面具有較大差異。此外，絕緣狀態(tài)不能直接采用油浸式變壓器絕緣狀態(tài)評(píng)估方法進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)。因此，對(duì)礦用干式變壓器絕緣狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)估，建立相應(yīng)的評(píng)估模型，可以及時(shí)準(zhǔn)確地判斷干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)。本文通過(guò)分析礦用干式變壓器老化原因，并以此建立絕緣狀態(tài)評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)礦用干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)的有效評(píng)估，提升其在井下惡劣環(huán)境的穩(wěn)定性和安全性。

1 礦用干式變壓器老化原因分析

變壓器老化是其熱應(yīng)力、電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、氧化等多種因素綜合作用的結(jié)果，最終導(dǎo)致其絕緣下降。

運(yùn)行狀態(tài)下的干式變壓器受自身電場(chǎng)影響，空、負(fù)載損耗等原因產(chǎn)生大量熱量，井下空氣環(huán)境(如溫度和濕度)也對(duì)絕緣狀態(tài)產(chǎn)生影響。絕緣材料在各種因素綜合影響下產(chǎn)生老化，并發(fā)生絕緣擊穿現(xiàn)象，容易使其喪失保護(hù)作用。根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，瞬間擊穿概率與故障率均呈現(xiàn)相似的關(guān)系，見(jiàn)圖1和圖2.

圖1 擊穿概率與時(shí)間關(guān)系曲線圖

圖2 故障率與時(shí)間關(guān)系曲線圖

從圖1可知，瞬間擊穿概率的分布特性呈現(xiàn)“浴盆”狀，其擊穿階段分為初期擊穿、突發(fā)擊穿和老化擊穿3部分。初期擊穿主要是由設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程導(dǎo)致的，通常由絕緣材料安裝失誤引起；突發(fā)擊穿是由設(shè)備本身設(shè)計(jì)或材料性質(zhì)決定，一般難以發(fā)現(xiàn)，需要系統(tǒng)地測(cè)試干式變壓器絕緣狀態(tài)，測(cè)試周期較長(zhǎng)；老化擊穿受設(shè)備材料、運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行時(shí)間等因素共同影響，一般隨運(yùn)行時(shí)間呈指數(shù)形式增長(zhǎng)。干式變壓器在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的故障率和運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖2，與瞬間擊穿概率分布特點(diǎn)類似，故障發(fā)生概率也可劃分為3個(gè)階段。早期故障率隨著設(shè)備的磨合逐漸降低，在t1時(shí)間內(nèi)，故障一般由干式變壓器制造、運(yùn)輸、安裝過(guò)程引起，例如制造過(guò)程中導(dǎo)線不平滑、焊點(diǎn)不實(shí)，運(yùn)輸過(guò)程引起繞組松動(dòng)形變，安裝過(guò)程絕緣期間貼合不良等原因。變壓器通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，這類原因引起的故障率得到顯著下降，設(shè)備逐漸穩(wěn)定過(guò)渡到偶發(fā)故障周期。在t1和t2時(shí)間周期內(nèi)，干式變壓器故障率是整個(gè)運(yùn)行周期故障率的波谷，只有操作失誤引起的過(guò)載和空載才會(huì)引起。當(dāng)變壓器運(yùn)行到一定時(shí)期，絕緣部件老化嚴(yán)重，設(shè)備的故障率大幅提高，定期檢修周期縮短，維修周期從小修變?yōu)榇笮藁蚴歉鼡Q。針對(duì)干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)及絕緣擊穿變化規(guī)律，總結(jié)出常見(jiàn)的絕緣狀態(tài)，并通過(guò)分析，明確絕緣狀態(tài)需要進(jìn)行評(píng)估的部分。通過(guò)對(duì)圖1，2分析可知，對(duì)絕緣的老化進(jìn)行分析是絕緣狀態(tài)評(píng)估的關(guān)鍵。絕緣老化可以分為電、熱老化，機(jī)械老化及環(huán)境影響等因素。電、熱老化是煤礦井下干式變壓器常見(jiàn)的問(wèn)題。當(dāng)設(shè)備在正常運(yùn)行狀態(tài)下時(shí)，電壓強(qiáng)度對(duì)其絕緣影響較小，但如果設(shè)備在制造或安裝過(guò)程中存在一些缺陷，就會(huì)導(dǎo)致局部電場(chǎng)過(guò)高，一旦超過(guò)絕緣耐受峰值便會(huì)引起局部放電，局部放電是引起絕緣老化的主要因素之一。同時(shí)，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程長(zhǎng)期受熱應(yīng)力影響，在井下潮濕環(huán)境中，其散熱性能均較差，容易引起絕緣加速老化，且老化速度隨溫度呈指數(shù)式增加。機(jī)械和環(huán)境老化也是絕緣老化的重要原因，只有全面考慮絕緣老化影響因素，才能對(duì)絕緣狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)估。

2 絕緣狀態(tài)評(píng)估

絕緣狀態(tài)是礦用干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)良好與否的先決條件，通過(guò)上述分析，本文主要以絕緣老化參數(shù)作為評(píng)估絕緣狀態(tài)的指標(biāo)。首先確定絕緣狀態(tài)的評(píng)估參量：1) 絕緣電阻。2) 極化指數(shù)。絕緣電阻和極化指數(shù)是評(píng)估絕緣狀態(tài)的常用指標(biāo)[3]，絕緣電阻受環(huán)境影響可能導(dǎo)致阻值下降，因此計(jì)算絕緣電阻可以發(fā)現(xiàn)干式變壓器絕緣是否受環(huán)境影響發(fā)生了變化。極化指數(shù)同樣受環(huán)境影響會(huì)導(dǎo)致比值下降，因此可以通過(guò)極化指數(shù)測(cè)量作為絕緣狀態(tài)評(píng)估的指標(biāo)。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，不同溫度的絕緣電阻最低值見(jiàn)表1.

表1 絕緣電阻最小值表

一般情況下，不同溫度環(huán)境下測(cè)得絕緣電阻阻值需要?dú)w一化到同一溫度環(huán)境中進(jìn)行對(duì)比，歸一化公式如下：

Rc=Rr×1.5(Tr-Tc)/10

(1)

式(1)中，Rr和Rc為溫度在Tr及Tc時(shí)測(cè)得的絕緣電阻阻值(MΩ). 而干式變壓器極化指數(shù)也有相應(yīng)的規(guī)定，見(jiàn)表2.

表2 絕緣狀態(tài)與極化指數(shù)關(guān)系表

極化指數(shù)在評(píng)估礦用干式變壓器絕緣狀態(tài)時(shí)存在不確定性，因此需要對(duì)測(cè)量得到的絕緣電阻值進(jìn)行周期性測(cè)試，并取周期初始和末尾兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行極化指數(shù)計(jì)算。繞組直流電阻可以作為絕緣狀態(tài)評(píng)估的輔助參量，其值反映了干式變壓器繞組是否存在漏焊、短路、接觸不良等異常情況。絕緣狀態(tài)也由干式變壓器的狀態(tài)參數(shù)做評(píng)估，尤其是設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行過(guò)程中溫度參量、拉伸度參量、電壓參量及局部放電情況。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，溫度濕度混合變化系數(shù)可以導(dǎo)致絕緣狀態(tài)發(fā)生改變，同樣濕度條件下，溫度升高可加速絕緣器件老化，容易導(dǎo)致器件纖維表面變粗糙，造成表面凹凸不平，甚至導(dǎo)致纖維表面出現(xiàn)孔洞。拉伸度是反映絕緣材料機(jī)械性能的參量，假設(shè)設(shè)備在平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)的溫度不出現(xiàn)較大變化，則環(huán)境溫濕度改變對(duì)絕緣器件機(jī)械性能造成的影響見(jiàn)圖3.

圖3 拉伸度與絕緣老化時(shí)間變化關(guān)系圖

由圖3變化關(guān)系可以推出，絕緣老化程度與環(huán)境溫度及濕度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。電壓參量是指干式變壓器在井下供電系統(tǒng)正常狀態(tài)下遭受的各類過(guò)壓影響，過(guò)電壓在絕緣故障中占比較大。瞬態(tài)過(guò)電壓、誤操作過(guò)電壓、變頻導(dǎo)致的諧波過(guò)電壓均是評(píng)估絕緣狀態(tài)指標(biāo)。因此各類效應(yīng)均在絕緣狀態(tài)評(píng)估中起參考作用。

根據(jù)上述分析，可以按分層建立3層結(jié)構(gòu)體系，第一層為絕緣電阻和極化指數(shù)等技術(shù)參量，以Tec表示其指標(biāo)；第二層為礦用干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)參量，用Run表示；第三層則是由其他參量組成，屬于前兩層的補(bǔ)充指標(biāo)。絕緣狀態(tài)評(píng)估結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4.

圖4 絕緣狀態(tài)基本評(píng)估參量結(jié)構(gòu)圖

上述結(jié)構(gòu)中部分參量是定量的，部分則是定性評(píng)估，按照標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重分配方法，將定量參量權(quán)重設(shè)計(jì)大于0.7，其余參量則作為評(píng)估體系的補(bǔ)充。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以指定相應(yīng)的絕緣狀態(tài)評(píng)估方法，具體的評(píng)估過(guò)程按以下步驟進(jìn)行：

1) 構(gòu)造評(píng)估參量集合X.

X={x1,x2,…,xn}

(2)

2) 構(gòu)造評(píng)價(jià)集合Y.

Y={y1,y2,…,yn}

(3)

3) 構(gòu)造權(quán)重函數(shù)集合W.

W={w1,w2,…,wn}

(4)

4) 得到絕緣狀態(tài)評(píng)估函數(shù).

(5)

式(3)—(5)中，分別以加權(quán)的參量集合與歸一化系數(shù)C作積，并將所有參量加入到絕緣狀態(tài)評(píng)估模型當(dāng)中。一般情況下，為得到可靠的狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)，還應(yīng)對(duì)絕緣狀態(tài)評(píng)估函數(shù)做加權(quán)平均，這樣既能考慮到各個(gè)參量權(quán)重，也考慮到不同層級(jí)參量對(duì)狀態(tài)評(píng)估的作用[4].根據(jù)圖2，將0.1～0.9標(biāo)度作為評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具體絕緣狀態(tài)劃分見(jiàn)表3.

表3 絕緣狀態(tài)評(píng)價(jià)分級(jí)表

通過(guò)構(gòu)建分層結(jié)構(gòu)體系，采用加權(quán)平均方法對(duì)絕緣狀態(tài)進(jìn)行修正，確立了各類參量的隸屬關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了礦用干式變壓器絕緣狀態(tài)評(píng)估，對(duì)變壓器穩(wěn)定、安全的運(yùn)行起到了指導(dǎo)作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出絕緣老化影響運(yùn)行狀態(tài)的觀點(diǎn)，并對(duì)各類老化進(jìn)行分析。通過(guò)綜合考慮常用的絕緣狀態(tài)評(píng)價(jià)參量，構(gòu)建參量集、權(quán)重集和評(píng)價(jià)集的方法完善了評(píng)估體系，通過(guò)加權(quán)平均得到絕緣狀態(tài)的評(píng)估，論證其方法的可行性，在今后的絕緣狀態(tài)評(píng)估和變壓器運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估上，均具有借鑒價(jià)值。