基于頂層油溫升的油浸式變壓器在線監(jiān)測(cè)方法

甘景福,晏 坤

(國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司,河北 唐山 063000)

0 引言

油浸式變壓器是電力系統(tǒng)非常重要的變電設(shè)備,其安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)乎整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性[1-3]。因此,對(duì)油浸式變壓器的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),及時(shí)準(zhǔn)確地掌握其健康狀況具有重要意義。

近年來(lái),業(yè)內(nèi)的專(zhuān)家和學(xué)者提出了多種變壓器在線監(jiān)測(cè)方法。文獻(xiàn)[4-6]研究了基于變壓器油色譜的在線監(jiān)測(cè)方法,根據(jù)變壓器油內(nèi)溶解氣體的在線采樣、分析和判斷,甄別變壓器內(nèi)部是否存在過(guò)熱或放電等故障。文獻(xiàn)[7-8]研究了基于變壓器局部放電時(shí)產(chǎn)生的高頻、特高頻、超聲波等電磁信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)方法,可以對(duì)變壓器內(nèi)局部放電進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和定位。文獻(xiàn)[9]提出一種基于變壓器振動(dòng)情況分析的在線監(jiān)測(cè)方法,該方法通過(guò)監(jiān)測(cè)變壓器運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)情況,并與理論振動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比分析,由此判斷變壓器是否處于異常狀態(tài)。上述幾種在線監(jiān)測(cè)方法多基于特定的電氣量或化學(xué)量,但變壓器內(nèi)部異常發(fā)熱、散熱系統(tǒng)異常等變壓器異常工作狀態(tài),通常沒(méi)有顯著的電氣量和化學(xué)量。而基于振動(dòng)分析的在線監(jiān)測(cè)方法,采用的是變壓器簡(jiǎn)化振動(dòng)模型,忽略了環(huán)境溫度對(duì)振動(dòng)的影響,難以保證在溫度變化較大情況下分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文提出一種利用變壓器頂層油溫升對(duì)變壓器異常運(yùn)行進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的方法。該方法基于變壓器頂層油溫升數(shù)學(xué)模型,結(jié)合變壓器實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算得到變壓器頂層油溫升值的計(jì)算值,并與設(shè)置在變壓器上的溫度傳感器采集到的實(shí)測(cè)油溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比較,以此判斷變壓器運(yùn)行狀態(tài)是否正常。該方法可以對(duì)變壓器油量不足、繞組局部匝間短路、輕微裸金屬過(guò)熱、鐵心局部短路、散熱系統(tǒng)閥門(mén)未開(kāi)啟、散熱器工作不正常等異常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),保證變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 變壓器運(yùn)行狀態(tài)與頂層油溫升特性

頂層油溫升是油浸式變壓器的一個(gè)運(yùn)行參數(shù),是指頂層油溫度與外部冷卻介質(zhì)溫度的差值。油浸式變壓器的頂層油溫升取決于變壓器內(nèi)部發(fā)熱因素和散熱因素的綜合影響[10]。變壓器內(nèi)部發(fā)熱既有變壓器空載損耗、負(fù)載損耗等正常原因引起的,也有變壓器繞組匝間短路、內(nèi)部故障、接頭不緊固、鐵心多點(diǎn)接地、鐵心局部短路等異常原因引起的,從而造成頂層油溫升異常。散熱方面,散熱器閥門(mén)不正常開(kāi)啟、油位不正常、潛油泵工作不正常、散熱器工作不正常都會(huì)影響變壓器的散熱能力,從而造成頂層油溫升異常。

變壓器頂層油溫升理論數(shù)學(xué)模型如式(1)。當(dāng)變壓器運(yùn)行在某一特定狀態(tài)下時(shí),其各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)可測(cè)量或根據(jù)說(shuō)明書(shū)得到,依據(jù)該模型可以實(shí)時(shí)計(jì)算出變壓器在這一運(yùn)行參數(shù)下頂層油溫的理論計(jì)算值。

式中:算子D為與每個(gè)時(shí)間段Dt相對(duì)應(yīng)的相關(guān)變量的差分;θ0為頂層油溫;θ0(n)為第n個(gè)時(shí)段變壓器頂層油溫度值;θ0(n-1)為上一時(shí)段變壓器頂層油溫度值;Dθ0(n)為第n個(gè)時(shí)段變壓器頂層油溫度的增加值;Δθ0r為額定損耗下頂層油穩(wěn)態(tài)溫升;R為額定電流下負(fù)載損耗與空載損耗的比值;K為負(fù)載系數(shù),K=負(fù)載電流/額定電流;K11、K21、K22為變壓器的熱模型常數(shù);τ0為平均油時(shí)間常數(shù),τw為繞組時(shí)間常數(shù);θa為環(huán)境溫度。

2 變壓器頂層油溫升在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 變壓器運(yùn)行狀態(tài)判斷

變壓器運(yùn)行狀態(tài)正常時(shí),頂層油溫度的計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值之間應(yīng)基本一致,變化趨勢(shì)亦應(yīng)基本一致[11-12]。因此可以通過(guò)比較油浸式變壓器頂層油溫升的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值,根據(jù)計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的偏差來(lái)判斷變壓器內(nèi)部是否有異常發(fā)熱因素或散熱系統(tǒng)是否存在異常,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油浸式變壓器的線監(jiān)測(cè)。

通過(guò)在油浸式變壓器周?chē)O(shè)置的溫度傳感器,來(lái)實(shí)時(shí)獲取變壓器運(yùn)行的環(huán)境溫度。將不同部位設(shè)置的溫度傳感器檢測(cè)到的數(shù)值,作算數(shù)平均后,作為變壓器運(yùn)行環(huán)境溫度測(cè)量值,以減小測(cè)量誤差,即:

式中:θa(i)為第i個(gè)傳感器檢測(cè)到的環(huán)境溫度。

根據(jù)油浸式變壓器出廠報(bào)告中給定的頂層油溫升數(shù)值,變壓器實(shí)際運(yùn)行環(huán)境溫度,以及負(fù)荷、冷卻系統(tǒng)投入情況,依據(jù)式(1)可實(shí)時(shí)計(jì)算出變壓器頂層油溫度計(jì)算值。將變壓器頂層油溫度計(jì)算值與變壓器運(yùn)行環(huán)境溫度測(cè)量值作差,得到變壓器頂層油溫升計(jì)算值Tc,即:

同上,將頂層油溫溫度傳感器采集的一組數(shù)據(jù)作算術(shù)平均,得到變壓器頂層油溫度測(cè)量值θ0r,即:

式中:θ0(j)為第j個(gè)傳感器檢測(cè)到的頂層油溫。

計(jì)算變壓器頂層油溫度測(cè)量值與變壓器運(yùn)行環(huán)境溫度測(cè)量值的差值,得到油浸式變壓器頂層油溫升測(cè)量值Tr,即:

設(shè)定計(jì)算值和測(cè)量值的差值整定值為s,比較計(jì)算值和測(cè)量值差值與整定值的關(guān)系。如果兩者的差值小于設(shè)定的差值整定值,即∣Tc-Tr∣＜s,則認(rèn)為變壓器運(yùn)行狀態(tài)正常;如果兩者的差值大于等于設(shè)定的差值整定值,即∣Tc-Tr∣≥s,則認(rèn)為變壓器運(yùn)行狀態(tài)異常。

基于頂層油溫升的油浸式變壓器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)模型如圖1所示。

圖1 在線監(jiān)測(cè)模型

2.2 數(shù)據(jù)采樣與異常數(shù)據(jù)甄別

根據(jù)上述分析可知,在線監(jiān)測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度和變壓器頂層油溫的精確采集。溫度傳感器本身可能存在一定的測(cè)量誤差,而且傳感器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可能出現(xiàn)故障失靈或檢測(cè)精度降低等問(wèn)題,導(dǎo)致環(huán)境溫度和頂層油溫采樣結(jié)果不準(zhǔn)確。為了提高采樣的準(zhǔn)確性和可靠性,需要在合適位置設(shè)置多個(gè)溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并對(duì)可能出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別和剔除。

環(huán)境溫度的檢測(cè)可在變壓器前后左右4個(gè)方向布置若干溫度檢測(cè)傳感器,每個(gè)傳感器在所處變壓器側(cè)面的水平位置中心和垂直位置中心,距離變壓器器身一定距離處安裝。頂層油溫的檢測(cè)可在變壓器頂部安裝若干個(gè)能夠測(cè)量變壓器內(nèi)部頂層油溫度的傳感器,溫度傳感器安裝在變壓器頂部出廠預(yù)留的溫度傳感器安裝位置。由于變壓器生產(chǎn)廠家不同,設(shè)計(jì)存在差異,每臺(tái)變壓器頂部的溫度傳感器安裝位置和數(shù)量不完全相同,需要針對(duì)性的進(jìn)行安裝。

若同一組測(cè)量數(shù)據(jù)之間存在較大偏差,通常可能某些傳感器上傳的數(shù)據(jù)存在異常,異常數(shù)據(jù)可采用不平衡度法進(jìn)行甄別并剔除,防止錯(cuò)誤數(shù)據(jù)引起誤判。不平衡度定義為本組數(shù)據(jù)最大值減去最小值后與本組平均值的比值,即

式中:mmax、mmin分別為本組數(shù)據(jù)最大值和最小值。

當(dāng)不平衡度b小于設(shè)定值時(shí)本組數(shù)據(jù)保留,否則視為異常數(shù)據(jù)剔除。

2.3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由輸入單元和計(jì)算單元兩部分組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。輸入單元包括信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理以及A/D轉(zhuǎn)換。傳感器對(duì)變壓器運(yùn)行的環(huán)境溫度、頂層油溫以及負(fù)荷電流等狀態(tài)信息進(jìn)行采集,經(jīng)過(guò)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換、限幅后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得到離散的數(shù)字信號(hào)。計(jì)算單元主要承擔(dān)數(shù)據(jù)甄別、數(shù)據(jù)處理以及狀態(tài)判斷的功能。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)甄別后對(duì)異常數(shù)據(jù)組進(jìn)行剔除,再對(duì)正常數(shù)據(jù)組進(jìn)行算術(shù)平均和理論頂層油溫計(jì)算等數(shù)據(jù)處理工作,數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算和處理后按照判據(jù)對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷,最后將判斷結(jié)果輸出。

圖2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意

3 試驗(yàn)及分析

為驗(yàn)證上述方法的有效性,結(jié)合具體變壓器對(duì)所提方法進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。試驗(yàn)變壓器具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 變壓器運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其運(yùn)行環(huán)境,試驗(yàn)中分別在變壓器4個(gè)側(cè)面水平位置居中、垂直位置居中,距離變壓器本體1 m處各布置1個(gè)溫度傳感器。在變壓器頂部,利用變壓器出廠預(yù)留的傳感器安裝位置,安裝3個(gè)溫度傳感器。不平衡度參考值設(shè)定值為2%,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差值整定值設(shè)定為5℃。當(dāng)不平衡度大于2%時(shí)該組數(shù)據(jù)視為異常數(shù)據(jù)剔除,頂層油溫計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差值絕對(duì)值大于5℃時(shí),判定變壓器運(yùn)行狀態(tài)不正常。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝完成后,在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)試驗(yàn)變壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè),以檢驗(yàn)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否能達(dá)到預(yù)期效果。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出變壓器運(yùn)行異常警報(bào)時(shí)的環(huán)境溫度,以及對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的頂層油溫溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 異常報(bào)警時(shí)的環(huán)境溫度和頂層油溫度

由表2可計(jì)算出,該組環(huán)境溫度數(shù)據(jù)平均值為39.83℃,不平衡度為1.5%;頂層油溫度的平均值為75.03℃,不平衡度為0.1%。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出異常報(bào)警時(shí)的變壓器負(fù)載系數(shù)K=325/472=0.689,其他實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 異常報(bào)警時(shí)的變壓器實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)和相關(guān)公式,經(jīng)計(jì)算變壓器頂層油溫升計(jì)算值為29.17℃,變壓器頂層油溫升實(shí)測(cè)值測(cè)量值為35.2℃。實(shí)測(cè)值與計(jì)算值差值為6.03℃,大于變壓器異常運(yùn)行整定值標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)因此發(fā)出異常運(yùn)行報(bào)警信號(hào)。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出異常信號(hào)后,對(duì)變壓器進(jìn)行了細(xì)致的檢查,最后發(fā)現(xiàn)變壓器的散熱器被楊絮等雜物堵塞。由于變壓器散熱器被堵塞,變壓器散熱器的散熱效果降低,因此變壓器頂層油溫升的測(cè)量值明顯高于變壓器頂層油溫升的計(jì)算值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,基于頂層油溫升的油浸式變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)變壓器的異常運(yùn)行狀態(tài),監(jiān)測(cè)結(jié)果和理論分析吻合,證明所提方法是有效的。

4 結(jié)論

油浸式變壓器頂層油溫升能夠反映變壓器內(nèi)部異常發(fā)熱、散熱系統(tǒng)異常等變壓器異常運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)油浸式變壓器運(yùn)行環(huán)境溫度、負(fù)荷電流、溫升試驗(yàn)提供的溫升數(shù)據(jù)等參數(shù),計(jì)算出油浸式變壓器頂層油溫升的計(jì)算值,并與變壓器頂層油溫升的測(cè)量值進(jìn)行比較,如果存在較大偏差,則判定變壓器處于異常狀態(tài)。該方法可以對(duì)油浸式變壓器內(nèi)部發(fā)熱異常和散熱系統(tǒng)異常實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè),完善了油浸式變壓器在線監(jiān)測(cè)的方法。