變壓器匝間短路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉益岑，朱璐，鄢陽，樊文芳，薛志航，何正浩?，楊永輝，馬啟瀟，宋思齊

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都 610072；2.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (華中科技大學(xué))，武漢 430074；3.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，武漢 430074)

變壓器匝間短路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉益岑1，朱璐2，鄢陽3，樊文芳2，薛志航1，何正浩2?，楊永輝3，馬啟瀟1，宋思齊2

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都 610072；2.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (華中科技大學(xué))，武漢 430074；3.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，武漢 430074)

介紹在確定了配電變壓器匝間短路在線監(jiān)測(cè)新的物理量，功率損耗增量的累積即電能損耗后，進(jìn)行了變壓器繞組的匝間短路的試驗(yàn)的方法。依據(jù)上述理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論了對(duì)變壓器匝間短路故障進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的可能性，并綜合油氣量分析設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)判斷的流程，開發(fā)了一種可以用于電力局工程實(shí)際中的用來監(jiān)測(cè)變壓器發(fā)生匝間短路故障的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

配電變壓器；匝間短路；在線監(jiān)測(cè)；電能損耗

0 前言

電力變壓器作為輸變電能中使用的一種高壓電氣設(shè)備，具有轉(zhuǎn)換電壓、電流以及傳輸功率的作用，將關(guān)系到電力系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行，是配電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在[1-4]。變壓器的繞組絕緣常常會(huì)遭到破壞，從而引起相間或者匝間短路故障[5-6]。一旦有匝間短路的故障出現(xiàn)，繞組上就會(huì)有伴隨著比較大的短路電流，最終會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱量等各種損耗加大[7]。針對(duì)不嚴(yán)重的變壓器匝間短路故障，若無法做到立刻發(fā)現(xiàn)，故障便會(huì)持續(xù)發(fā)展，最后將造成變壓器燒毀，對(duì)用戶產(chǎn)生極大影響，嚴(yán)重影響供電安全及供電可靠性[8-9]。

因此，對(duì)變壓器的匝間短路的情況進(jìn)行研究就顯得尤為重要，急需研制出有效的在線監(jiān)測(cè)裝置，可以及時(shí)察覺出變壓器中發(fā)生的故障，并將產(chǎn)生的故障信號(hào)上傳到控制中心，此時(shí)變壓器將不再運(yùn)行，以免其進(jìn)一步發(fā)展致使變壓器爆炸。

對(duì)于匝間短路的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，國外也沒有成熟實(shí)用的產(chǎn)品出來，在線監(jiān)測(cè)手段仍然比較傳統(tǒng)，更沒有針對(duì)配電變壓器的匝間短路在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。一般采用瓦斯保護(hù)和電流差動(dòng)保護(hù)兩種比較傳統(tǒng)的繼電保護(hù)對(duì)變壓器進(jìn)行保護(hù)[10]。

1 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)概述

1.1 基于電能損耗的系統(tǒng)建設(shè)

國內(nèi)外對(duì)變壓器匝間短路故障的研究成果主要有油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)、漏磁場(chǎng)法、漏電感法、電壓電流比法和功率損耗法。油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)作業(yè)程序復(fù)雜、不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)兩次試驗(yàn)之間的故障或缺陷、無法對(duì)故障具體類型作進(jìn)一步判斷、無法對(duì)故障的具體部位進(jìn)行準(zhǔn)確定位、不適用于干式變壓器；對(duì)于已制造好的變壓器，一般不可能在其內(nèi)部放入探測(cè)線圈來探測(cè)漏磁場(chǎng)，所以漏磁場(chǎng)法也不適用；對(duì)于漏電壓法，不易提取監(jiān)測(cè)特征量；電壓電流比法不適合在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；至于功率損耗法，由于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及磁場(chǎng)的復(fù)雜性，其理論基礎(chǔ)尚有待完善之處，而且對(duì)于輕微的匝間短路故障，功率瞬時(shí)變化不明顯，難以被監(jiān)測(cè)的到。目前國內(nèi)尚無成熟的對(duì)配電變壓器匝間短路故障進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)和裝置。現(xiàn)在，供電單位配電變壓器的匝間短路預(yù)防主要靠電力公司配網(wǎng)維護(hù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，效率較低且容易造成故障忽略。

采用監(jiān)測(cè)電能損耗的方法，即對(duì)功率損耗進(jìn)行時(shí)間累積，以反映輕微匝間短路故障。

變壓器發(fā)生匝間短路故障后，其功率損耗值增加，損耗增加有以下幾個(gè)方面的原因：

1)漏磁場(chǎng)變化引起的附加損耗的增加。變壓器繞組發(fā)生故障后，漏磁場(chǎng)發(fā)生強(qiáng)烈變化，從而由漏磁場(chǎng)引起變壓器內(nèi)部功率損耗增加。

2)短路電流引起附加損耗的增加。匝間短路使短路所在相繞組匝數(shù)減少，短路后將在短路線匝里面產(chǎn)生一個(gè)非常大的短路電流，此短路電流使變壓器產(chǎn)生一個(gè)損耗，該短路繞組內(nèi)的電流可以達(dá)額定電流的二十倍以上，對(duì)于這部分損耗，可用以下公式推算。假設(shè)變壓器繞組電勢(shì)和短路阻抗在繞組縱向上呈線性分布，則短路繞組電勢(shì)和短路阻抗在繞組縱向上呈線性分布。因此，短路繞組部分電勢(shì)：

短路部分阻抗：

短路匝電流：

短路部分損耗：

其中，zk，rk，xk為短路阻抗，zkk，rkk，xkk為短路繞組阻抗，N為繞組匝數(shù)，Nk為短路匝數(shù)，E為繞組電勢(shì)；Ek為短路繞組部分電勢(shì)。

3、放電引起附加損耗的增加。能量上看，當(dāng)變壓器發(fā)生匝間短路故障后，在故障點(diǎn)將形成一個(gè)放電點(diǎn)，隨著弧光放電產(chǎn)生，必將消耗大量的功率損耗，其具體的數(shù)值將依賴于過渡電阻的大小。

文中設(shè)計(jì)研究的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是立足于蘿崗供電局的實(shí)際情況，提高蘿崗供電局對(duì)10 kV配電變壓器的在線監(jiān)測(cè)水平，建設(shè)一套實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)配電變壓器匝間短路故障的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這套系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娮儔浩髟验g短路故障進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，在故障早期就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并將故障信號(hào)上傳至控制中心，避免發(fā)生運(yùn)行事故，延長變壓器的實(shí)際使用壽命，提高供電可靠性。本項(xiàng)目獨(dú)辟蹊徑，采用了國內(nèi)外尚無應(yīng)用的監(jiān)測(cè)變壓器電能損耗的方法，該方法通過功率損耗增量的累積，可以預(yù)警初期的匝間短路故障，防止故障進(jìn)一步發(fā)展，在早期就發(fā)現(xiàn)故障并上傳至控制中心以采取措施清除故障，對(duì)提高供電單位的供電可靠性影響深遠(yuǎn)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

若要分析判斷配電變壓器的故障部位，需結(jié)合理論知識(shí)和相關(guān)實(shí)踐，難以用容易的模型將變壓器故障與現(xiàn)象結(jié)合。截止到現(xiàn)在所使用的規(guī)程中，也只是對(duì)判定邊界進(jìn)行簡單的敘述，很難準(zhǔn)確地揭示故障與先兆間所存在的聯(lián)系。此類判定方法有的是采用清晰的數(shù)值形式，有的是以模糊的語言對(duì)其進(jìn)行描述。比如在判斷變壓器繞組發(fā)生匝間短路故障的大小時(shí)，用 “匝間短路故障輕微”、“匝間短路故障嚴(yán)重”等含糊字樣描述，具有不確定性。模糊數(shù)學(xué)就是定量分析這種模糊語言與模糊思維，找尋可以利用計(jì)算機(jī)模仿大腦實(shí)現(xiàn)模糊識(shí)辨的數(shù)學(xué)方法，并兼?zhèn)淇梢越Y(jié)合多種原因判別的特點(diǎn)。

本系統(tǒng)采用模糊數(shù)學(xué)診斷，依據(jù)配電變壓器發(fā)生匝間短路故障時(shí)的電能損耗數(shù)據(jù)，自動(dòng)評(píng)估其運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)所有評(píng)估結(jié)果做匯總及統(tǒng)計(jì)管理，提供靈活的數(shù)據(jù)查詢功能以及評(píng)估結(jié)果分類的展示功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

從邏輯上講，變壓器繞組匝間短路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和展示層三層。

數(shù)據(jù)層主要用來完成評(píng)估所需的設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)管理、高壓設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)抽取以及配電變壓器匝間短路故障在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)抽取等任務(wù)。

業(yè)務(wù)邏輯層的主要是計(jì)算各類業(yè)務(wù)邏輯對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)狀態(tài)評(píng)估，如依據(jù) “基于配電變壓器匝間短路故障的模糊數(shù)學(xué)診斷綜合分析方法”對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)狀態(tài)評(píng)估，得出設(shè)計(jì)狀態(tài)結(jié)果。

展示層主要是完成評(píng)估及分析結(jié)果，展示層提供了人性化的操作界面和豐富的查詢接口可以用于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的查詢?yōu)g覽以及評(píng)估結(jié)果的分類展示和分析匯總。

1.3 在線監(jiān)測(cè)流程

分析變壓器繞組匝間短路時(shí)各類數(shù)據(jù)量的變化，依據(jù)電能損耗理論，得出變壓器發(fā)生匝間短路故障后其電能損耗具有明顯的時(shí)間累積效應(yīng)，找到新的特征量—電能損耗，設(shè)計(jì)出的在線監(jiān)測(cè)的流程圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

2 系統(tǒng)功能介紹

2.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)所構(gòu)建的是一個(gè)監(jiān)測(cè)與分析評(píng)估的集成平臺(tái)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有良好的開放性和擴(kuò)展性，集成各種狀態(tài)分析算法，在這個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上最終形成狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析體系的全面解決方案。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖3所示：

圖3 系統(tǒng)整體功能圖

主頁面主要從監(jiān)測(cè)結(jié)果、監(jiān)測(cè)對(duì)象、查詢統(tǒng)計(jì)四個(gè)方面，從宏觀的視覺全面了解在線監(jiān)測(cè)整體情況，并通過逐級(jí)關(guān)聯(lián)功能，從宏觀可以一直關(guān)聯(lián)到具體的詳情。

2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析

通過柱狀圖的形式，展現(xiàn)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，并且加地深了解設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)及單項(xiàng)評(píng)價(jià)結(jié)果。

應(yīng)用該模塊可以診斷配電變壓器的匝間短路故障的歷史數(shù)據(jù)。通過配電變壓器匝間短路故障發(fā)生時(shí)，變壓器一二次側(cè)電能損耗的時(shí)間累積效應(yīng)能對(duì)匝間短路故障進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。使用用戶界面的配電變壓器的匝間短路故障在線監(jiān)測(cè)指示裝置來顯示變壓器目前的狀態(tài)，使這種方式的特點(diǎn)是直觀，易于對(duì)全網(wǎng)各站設(shè)備狀況進(jìn)行整了解。

3 結(jié)束語

構(gòu)建了配電變壓器匝間短路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，解決了其因?yàn)楸槐O(jiān)測(cè)特征量微弱和外界噪聲太大等原因無法容易獲取有用數(shù)據(jù)以及被傳統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測(cè)到的現(xiàn)象。引入基于模糊數(shù)學(xué)診斷理論用于配電變壓器匝間短路故障特征量診斷。依據(jù)電能損耗理論，發(fā)現(xiàn)變壓器出現(xiàn)匝間短路故障后，其電能損耗將明顯地增大，具有明顯的時(shí)間累積效應(yīng)。找到了變壓器匝間短路在線監(jiān)測(cè)的新特征量：電能損耗，并且還在廣州蘿崗供電局中進(jìn)行了變壓器繞組匝間的短路試驗(yàn)。結(jié)果顯示，電能損耗對(duì)監(jiān)測(cè)變壓器匝間短路故障很有效果。最后對(duì)實(shí)現(xiàn)變壓器繞組在線監(jiān)測(cè)的是否可行進(jìn)行探討，并將其應(yīng)用于到電力工程實(shí)際。

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Research on Sensor Technology in Residential Substation Monitoring

LIU Yicen1，ZHU Lu2，YAN Yang3，F(xiàn)AN Wenfang2，XUE Zhihang1，HE Zhenghao2，YANG Yonghui3，MA Qixiao1，Song Siqi2
(1.State Grid Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，China；2.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology)，Hubei，430074，China；3.State Grid Electric Power Research Institute，Hubei 430074，China)

this paper discusses the realization of on-line monitoring of transformer winding the possibility of combining oil and gas quantity analysis，proposes the corresponding monitoring judgment process，and developed a set of power transformer on-line monitoring system，and applied to the electricity engineering practice.

distribution transformer；turn-to-turn short circuit；on-line monitoring；power loss

TM855

B

1006-7345(2015)03-0046-04

2014-12-05

劉益岑 (1986)，男，碩士，中級(jí)工程師，國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，主要從事電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)及狀態(tài)監(jiān)測(cè) (email)liuyi2664＠sina.com。

朱璐 (1987)，男，博士研究生，華中科技大學(xué)，主要從事氣體放電理論及脈沖功率技研究工作 (e-mail)zhulu19870408＠126.com。

鄢陽 (1984)，男，碩士，工程師，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，主要從事電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作 (e-mail)9210397＠qq.com。

國網(wǎng)四川省電力公司科技項(xiàng)目：輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線校準(zhǔn)體系建設(shè)及關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用。項(xiàng)目編號(hào)：5219991308DN。