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

廣州供電局電力試驗(yàn)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(hù)、高可靠性、 無(wú)污染、難燃防火和抗短路能力強(qiáng)等特點(diǎn)，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(huì)受到溫度、濕度、鹽霧等各種環(huán)境因素的作用，影響其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。如高溫高濕環(huán)境會(huì)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(yùn)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(zhǎng)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(zhǎng)。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(duì)電氣設(shè)備的影響與空氣濕度有密切關(guān)系，在濕潤(rùn)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(hù)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(zhǎng)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(huì)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(gè)干式變壓器的安全運(yùn)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(guó)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(cè)的研究較少，因此筆者對(duì)濕熱沿海地區(qū)的干式變壓器智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，探討了濕熱沿海環(huán)境條件對(duì)干式變壓器狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)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(diǎn)：

局部放電。空氣潮濕、表面積塵、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(chǎng)強(qiáng)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(dòng)，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(yùn)行過熱）。

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

鐵心多點(diǎn)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(diǎn)接地；鐵心漏磁吸引金屬粉塵導(dǎo)致鐵心多點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)對(duì)干式變壓器進(jìn)行檢查與維護(hù)，觀察干式變壓器內(nèi)部各個(gè)緊固件有無(wú)松動(dòng)發(fā)熱，繞組絕緣表面有無(wú)龜裂、爬電和碳化痕跡，聲音是否正常，對(duì)于變壓器內(nèi)部絕緣情況，在運(yùn)行期間無(wú)法得知，只能在停運(yùn)時(shí)期進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)。

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(jī)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(duì)運(yùn)行狀態(tài)幾乎沒有影響，甚至絕緣預(yù)防性試驗(yàn)根本測(cè)試不到。這就決定了定期的預(yù)防性試驗(yàn)無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)絕緣隱患。

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

3 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

濕熱環(huán)境干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合采用特高頻、紅外及可見光、熱點(diǎn)溫度、負(fù)荷電流、環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)干變運(yùn)行狀態(tài)及環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，解決干變運(yùn)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(diǎn)，云服務(wù)器平臺(tái)組成，通過各傳感器對(duì)變壓器故障的各參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并傳輸至匯集節(jié)點(diǎn)，匯集節(jié)點(diǎn)通過4G通訊方式將數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)云服務(wù)器展示，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，綜合判斷變壓器是否出現(xiàn)異常情況運(yùn)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(cè)

特高頻局放監(jiān)測(cè)主要針對(duì)干式變壓器內(nèi)部局部放電缺陷的監(jiān)測(cè)。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(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用傳感器方向性及三頻檢分別檢排除外界干擾信號(hào)，并通過云服務(wù)器的大數(shù)據(jù)分析對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行類型識(shí)別。

3.2 紅外溫度監(jiān)測(cè)

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

3.3 熱點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)

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(yùn)行和使用壽命，因此對(duì)變壓器繞組溫度的監(jiān)測(cè)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(cè)干式變壓器線包的溫升，通過RS485接口上傳至匯集節(jié)點(diǎn)。并實(shí)際應(yīng)用過程中通過設(shè)定相應(yīng)的溫度報(bào)警值，來提示運(yùn)行人員變壓器運(yùn)行情況。

3.4 負(fù)荷電流監(jiān)測(cè)

為了不影響變壓器保護(hù)繼電器的電流保護(hù)功能，電流信號(hào)取自變壓器進(jìn)線柜的二次電流測(cè)量回路。同時(shí)為了保護(hù)電流互感器的安全運(yùn)行，對(duì)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(jìn)行安裝。

3.5 環(huán)境監(jiān)測(cè)

環(huán)境監(jiān)測(cè)主要測(cè)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(duì)干變室環(huán)境溫濕度實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，既可在溫濕度傳感器表面實(shí)時(shí)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(hào)接入?yún)R集節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.6 匯集節(jié)點(diǎn)

接收匯總各監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)配置功能，建立測(cè)點(diǎn)信息并關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)的傳感器，建立干式變壓器監(jiān)測(cè)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(gè)傳感器的采集數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到測(cè)點(diǎn)配置信息上，形成干式變壓器監(jiān)測(cè)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(gè)系統(tǒng)最重要的部分，通過后臺(tái)監(jiān)測(cè)、深度學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)診斷、主動(dòng)預(yù)警策略等功能及算法的開發(fā)和應(yīng)用，對(duì)各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，診斷分析、展示，并提供預(yù)警信號(hào)、為運(yùn)行人員提供各種運(yùn)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(shí)別

云服務(wù)器中通過大量特高頻局放檢測(cè)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(jī)制，對(duì)深度深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練并應(yīng)用，能夠有效的提高干式變壓器局放檢測(cè)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(shí)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(gè)數(shù)不低于5000萬(wàn)個(gè)，且具備可擴(kuò)展性。深度學(xué)習(xí)的類型識(shí)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(jìn)機(jī)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(dòng)預(yù)警策略

目前狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差、實(shí)效性不強(qiáng)，難以準(zhǔn)確反映設(shè)備實(shí)際狀況；缺乏有效準(zhǔn)確的預(yù)警模型，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)價(jià)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(cè)數(shù)據(jù)缺乏有效的管理和分析手段，無(wú)法對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)分析評(píng)估，異常發(fā)生時(shí)需人工綜合各類信息進(jìn)行篩選、評(píng)價(jià)，工作量大、效率低、準(zhǔn)確性不可控等問題。本系統(tǒng)后臺(tái)云服務(wù)器中，利用下列預(yù)警技術(shù)，解決原有監(jiān)測(cè)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(xiǎn)預(yù)警閾值，將當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)警閾值進(jìn)行比較，如果監(jiān)測(cè)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(cè)對(duì)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(yùn)行和應(yīng)用數(shù)據(jù)中查找存在于項(xiàng)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(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及被監(jiān)測(cè)設(shè)備的各類指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，挖掘相關(guān)模式，從而實(shí)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(yùn)行電流及局放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

5.3 趨勢(shì)預(yù)警

趨勢(shì)預(yù)警通過對(duì)各狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析來判斷是否會(huì)達(dá)到預(yù)警觸發(fā)條件。趨勢(shì)預(yù)警需要與閾值預(yù)警相結(jié)合，當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)小于閾值觸發(fā)值時(shí)以閾值預(yù)警為主，當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大于閾值觸發(fā)值時(shí)以趨勢(shì)預(yù)警為主，通過判斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化率實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他設(shè)備，則認(rèn)為需要對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

5.5 狀態(tài)預(yù)警

實(shí)現(xiàn)狀態(tài)預(yù)警主要判斷各監(jiān)測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集主機(jī)及后臺(tái)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(dá)不到失聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。