濕熱環(huán)境干式變壓器運行狀態(tài)智能監(jiān)測方法初探

廣州供電局電力試驗研究院 范偉男 莫文雄 王勇

1 前言

變壓器主要由鐵心、一次繞阻和二次繞阻、分接變換裝置、冷卻系統(tǒng)及絕緣系統(tǒng)等組成。環(huán)氧澆注干式變壓器由于其免維護、高可靠性、 無污染、難燃防火和抗短路能力強等特點，在電網(wǎng)系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用。

廣州電網(wǎng)公司配網(wǎng)系統(tǒng)大量采用干式變壓器，但由于廣東省瀕臨南海，高壓設(shè)備不可避免地會受到溫度、濕度、鹽霧等各種環(huán)境因素的作用，影響其長期穩(wěn)定運行。如高溫高濕環(huán)境會導(dǎo)致電氣設(shè)備金屬材料的腐蝕和絕緣材料的老化，空氣濕度大導(dǎo)致絕緣性能下降，干式變壓器內(nèi)部運行積累的灰塵也容易吸收水分，使絕緣電阻降低，最終導(dǎo)致絕緣性能差，電壓擊穿，發(fā)生短路故障。

濕熱沿海地區(qū)長期處于高溫高濕環(huán)境，干式變壓器室內(nèi)部通風(fēng)不好，高溫高濕下有利于霉菌的生長。霉菌自身含有的水分和代謝過程中分泌出的酸性物質(zhì)與絕緣材料相互作用，使設(shè)備絕緣性能下降。鹽霧對電氣設(shè)備的影響與空氣濕度有密切關(guān)系，在濕潤的空氣中，鹽霧電離出大量氯離子，氯離子穿透金屬表面的防護膜與內(nèi)部金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，另外氯離子具有一定的水合能，容易吸附在設(shè)備表面的孔隙和縫隙，導(dǎo)致金屬材料的零部件腐蝕，長期處于近海的高濕度高鹽霧環(huán)境中，電氣設(shè)備內(nèi)部的線圈和觸頭腐蝕后，會導(dǎo)致電接觸不良，使電氣設(shè)備發(fā)生短路或絕緣性能下降，給整個干式變壓器的安全運行帶來不利影響[1]。

廣州電網(wǎng)公司屬于典型的濕熱沿海環(huán)境，目前國內(nèi)外關(guān)于濕熱沿海環(huán)境條件下干式變壓器狀態(tài)檢測的研究較少，因此筆者對濕熱沿海地區(qū)的干式變壓器智能狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進行分析，探討了濕熱沿海環(huán)境條件對干式變壓器狀態(tài)智能監(jiān)測的方法。

2 干式變壓器的主要故障

干式變壓器主要故障包括如下幾點：

局部放電?？諝獬睗瘛⒈砻娣e塵、漏水引起的表面爬電；樹脂絕緣和繞包絕緣的包封繞組，在制造過程中絕緣內(nèi)部存在氣隙或氣泡，形成絕緣內(nèi)部放電；變壓器內(nèi)部尖角和毛刺在高電場強度作用下，引起的電暈放電。變壓器金屬接地部件之間、導(dǎo)電體之間電氣連接不良、松動，異物引起的懸浮放電。

溫度變化。干式變壓器環(huán)境溫度不應(yīng)超過40度，繞組不能過熱（發(fā)熱異常、散熱異常、異常運行過熱）。

濕度。周圍空氣的相對濕度應(yīng)低于93%，線圈表面不應(yīng)出現(xiàn)水滴。

鐵心多點接地。鐵心絕緣鐵軛、穿心絕緣筒等絕緣材料，由于凝露受潮降低絕緣性能導(dǎo)致低阻性多點接地；鐵心漏磁吸引金屬粉塵導(dǎo)致鐵心多點接地；高溫導(dǎo)致硅鋼片絕緣老化、局部過熱嚴(yán)重，硅鋼片質(zhì)量、加工不合理，片間絕緣破壞造成多點接地。

絕緣電阻下降。大多由繞組表面凝聚水汽、積聚灰塵、絕緣材料受潮引起。

其它。跳閘，異常噪聲等。

在以往的工作中，只能通過日常巡檢和定期的停運對干式變壓器進行檢查與維護，觀察干式變壓器內(nèi)部各個緊固件有無松動發(fā)熱，繞組絕緣表面有無龜裂、爬電和碳化痕跡，聲音是否正常，對于變壓器內(nèi)部絕緣情況，在運行期間無法得知，只能在停運時期進行預(yù)防性試驗。

電力設(shè)備的絕緣部分是薄弱環(huán)節(jié)，最容易被損壞或劣化。絕緣故障具有隨機性、階段性、隱蔽性。絕緣缺陷大多數(shù)發(fā)生在設(shè)備內(nèi)部，從外表上不易觀察到。微弱的絕緣缺陷，特別是早期性絕緣故障，對運行狀態(tài)幾乎沒有影響，甚至絕緣預(yù)防性試驗根本測試不到。這就決定了定期的預(yù)防性試驗無法及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)絕緣隱患。

變壓器帶電檢測技術(shù)主要有特高頻局放檢測法、超聲波局放檢測法、紅外測溫檢測法、射頻檢測法等檢測方法，這些檢測方法各有其優(yōu)缺點，在現(xiàn)場得到了不同程度的應(yīng)用。

3 系統(tǒng)簡介

濕熱環(huán)境干式變壓器運行狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)綜合采用特高頻、紅外及可見光、熱點溫度、負(fù)荷電流、環(huán)境溫濕度監(jiān)測技術(shù)對干變運行狀態(tài)及環(huán)境狀態(tài)進行監(jiān)測，解決干變運行過程中局部放電及溫升故障，系統(tǒng)分為各傳感器模塊，匯集節(jié)點，云服務(wù)器平臺組成，通過各傳感器對變壓器故障的各參量進行監(jiān)測，并傳輸至匯集節(jié)點，匯集節(jié)點通過4G通訊方式將數(shù)據(jù)傳輸至后臺云服務(wù)器展示，并對數(shù)據(jù)進行分析和處理，綜合判斷變壓器是否出現(xiàn)異常情況運行。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

3.1 特高頻局放監(jiān)測

特高頻局放監(jiān)測主要針對干式變壓器內(nèi)部局部放電缺陷的監(jiān)測。采用全相式特高頻傳感器，帶寬為300～1500MHz，傳感器等效高度≥8mm，安裝于干式變壓器外部進行監(jiān)測，采用傳感器方向性及三頻檢分別檢排除外界干擾信號，并通過云服務(wù)器的大數(shù)據(jù)分析對異常信號進行類型識別。

3.2 紅外溫度監(jiān)測

紅外溫度監(jiān)測主要針對干式變壓器的溫升變化進行監(jiān)測，系統(tǒng)采用紅外傳感器像素為384×288，監(jiān)測并顯示干式變壓器運行過程中平均溫度、最大溫度，能夠設(shè)置報警溫度閾值。

3.3 熱點溫度監(jiān)測

變壓器繞組絕緣的安全可靠性決定了干式變壓器的安全運行和使用壽命，因此對變壓器繞組溫度的監(jiān)測極其重要。系統(tǒng)利用預(yù)埋在干式變壓器三相繞組線包中的三只Pt100鉑熱電阻來檢測干式變壓器線包的溫升，通過RS485接口上傳至匯集節(jié)點。并實際應(yīng)用過程中通過設(shè)定相應(yīng)的溫度報警值，來提示運行人員變壓器運行情況。

3.4 負(fù)荷電流監(jiān)測

為了不影響變壓器保護繼電器的電流保護功能，電流信號取自變壓器進線柜的二次電流測量回路。同時為了保護電流互感器的安全運行，對于電流互感器為了不增加二次負(fù)擔(dān)，采用穿芯的形式進行安裝。

3.5 環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測主要測量干變室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度。通過在重要部位安裝帶液晶顯示的溫濕度傳感器對干變室環(huán)境溫濕度實現(xiàn)監(jiān)測，既可在溫濕度傳感器表面實時看到當(dāng)前的溫度和濕度數(shù)值，亦可通過RS485接口和通訊協(xié)議采用總線的方式將信號接入?yún)R集節(jié)點，進行溫濕度的實時監(jiān)測。

3.6 匯集節(jié)點

接收匯總各監(jiān)測單元的采集數(shù)據(jù)、采集參數(shù)、通信參數(shù)、工作狀態(tài)等。提供測點配置功能，建立測點信息并關(guān)聯(lián)對應(yīng)的傳感器，建立干式變壓器監(jiān)測模型。處理匯集的傳感器采集數(shù)據(jù)，初步判斷數(shù)據(jù)是否異常，并將每個傳感器的采集數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到測點配置信息上，形成干式變壓器監(jiān)測模型的數(shù)據(jù)。通過4G將經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)、異常告警信息、各傳感器采集參數(shù)及工作狀態(tài)上傳至云服務(wù)器。

3.7 云服務(wù)器

云服務(wù)器為整個系統(tǒng)最重要的部分，通過后臺監(jiān)測、深度學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)診斷、主動預(yù)警策略等功能及算法的開發(fā)和應(yīng)用，對各監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，診斷分析、展示，并提供預(yù)警信號、為運行人員提供各種運行數(shù)據(jù)和可靠、準(zhǔn)確的故障信息。

4 深度學(xué)習(xí)類型識別

云服務(wù)器中通過大量特高頻局放檢測數(shù)據(jù)樣本，利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的監(jiān)督學(xué)習(xí)機制，對深度深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練并應(yīng)用，能夠有效的提高干式變壓器局放檢測數(shù)據(jù)的智能化診斷水平。云服務(wù)器中結(jié)合電力設(shè)備局放缺陷診斷的實踐應(yīng)用，構(gòu)建設(shè)備局放缺陷的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型，將網(wǎng)絡(luò)層數(shù)設(shè)為不低于22層、神經(jīng)元個數(shù)不低于5000萬個，且具備可擴展性。深度學(xué)習(xí)的類型識別智能技術(shù)基于大量局放異常數(shù)據(jù)樣本，利用自學(xué)習(xí)技術(shù)的算法演進機制，訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化模型參數(shù)，不斷修正干式變壓器異常狀態(tài)診斷模型，提高電力設(shè)備異常狀態(tài)智能診斷的準(zhǔn)確性。

圖2 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法診斷流程圖

5 主動預(yù)警策略

目前狀態(tài)監(jiān)測工作存在高壓設(shè)備內(nèi)部感知技術(shù)不完善、監(jiān)視手段不全，部分在線監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差、實效性不強，難以準(zhǔn)確反映設(shè)備實際狀況；缺乏有效準(zhǔn)確的預(yù)警模型，實時數(shù)據(jù)價值未得到充分利用，診斷滯后，忙于事后的故障分析；站內(nèi)積累的主輔設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏有效的管理和分析手段，無法對設(shè)備狀態(tài)進行自動分析評估，異常發(fā)生時需人工綜合各類信息進行篩選、評價，工作量大、效率低、準(zhǔn)確性不可控等問題。本系統(tǒng)后臺云服務(wù)器中，利用下列預(yù)警技術(shù)，解決原有監(jiān)測系統(tǒng)的不足之處。

5.1 閾值預(yù)警

根據(jù)電網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)置風(fēng)險預(yù)警閾值，將當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)警閾值進行比較，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)不在相應(yīng)的預(yù)警閾值范圍內(nèi)，則認(rèn)為監(jiān)測對象符合預(yù)警條件，生成預(yù)警事件。

5.2 關(guān)聯(lián)預(yù)警

關(guān)聯(lián)預(yù)警主要是通過在海量運行和應(yīng)用數(shù)據(jù)中查找存在于項目集合或?qū)ο蠹现g的關(guān)聯(lián)、相關(guān)性或因果結(jié)構(gòu)。關(guān)聯(lián)充分利用大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析手段，對監(jiān)測系統(tǒng)及被監(jiān)測設(shè)備的各類指標(biāo)進行關(guān)聯(lián)分析，挖掘相關(guān)模式，從而實現(xiàn)預(yù)警。如：局放缺陷與負(fù)荷電流及環(huán)境溫濕度之間的關(guān)系，發(fā)熱缺陷與運行電流及局放監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

5.3 趨勢預(yù)警

趨勢預(yù)警通過對各狀態(tài)監(jiān)測傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的趨勢分析來判斷是否會達到預(yù)警觸發(fā)條件。趨勢預(yù)警需要與閾值預(yù)警相結(jié)合，當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)小于閾值觸發(fā)值時以閾值預(yù)警為主，當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)大于閾值觸發(fā)值時以趨勢預(yù)警為主，通過判斷狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化率實現(xiàn)趨勢預(yù)警。

5.4 橫向預(yù)警

橫向預(yù)警表示與同類干式變壓器監(jiān)測數(shù)據(jù)相比較形成的預(yù)警，如果集群中某干式變壓器的監(jiān)測數(shù)據(jù)遠遠大于其他設(shè)備，則認(rèn)為需要對其進行風(fēng)險預(yù)警。

5.5 狀態(tài)預(yù)警

實現(xiàn)狀態(tài)預(yù)警主要判斷各監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)采集主機及后臺系統(tǒng)的通訊是否正常。系統(tǒng)狀態(tài)可分為正常狀態(tài)、失聯(lián)狀態(tài)和不穩(wěn)定三種狀態(tài)。正常狀態(tài)表示系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的頻次正常接收各傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，失聯(lián)狀態(tài)表示系統(tǒng)連續(xù)兩次接收不到各傳感器接收的數(shù)據(jù)，不穩(wěn)定狀態(tài)表示系統(tǒng)經(jīng)常接收不到各傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，但是達不到失聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。