一種油浸式變壓器故障時能自保持運行的方法研究

劉金超，段洪民，武樂濤，劉立剛，徐超

（石家莊科林電氣設(shè)備有限公司，河北 石家莊 050000）

油浸式變壓器是電網(wǎng)中十分重要的電氣設(shè)備，在高低壓輸配電的過程中起到傳遞、轉(zhuǎn)換電能的作用。對于電力設(shè)備而言，故障的出現(xiàn)不可避免。而變壓器的故障往往較嚴重地影響電網(wǎng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。

目前，智能電網(wǎng)建設(shè)成為世界電網(wǎng)發(fā)展的趨勢和方向。在此背景下，研究者不斷研究變壓器發(fā)生故障的原因[1-2]，為了降低變壓器故障率，智能變壓器和變壓器在線監(jiān)測、故障診斷技術(shù)得到重視，已有研究通過對變壓器的溶解氣體、局放、繞組熱點等關(guān)鍵參數(shù)進行監(jiān)測和診斷[3]，實現(xiàn)故障預(yù)判，改善變壓器故障對電網(wǎng)運行的影響程度。

油浸式變壓器發(fā)生故障時，往往產(chǎn)生內(nèi)壓力，并通過壓力釋放閥釋放壓力，其恢復(fù)供電時間長，且極易產(chǎn)生絕緣油噴濺現(xiàn)象，對人身、財產(chǎn)安全和環(huán)境造成不良影響。本文提出一種變壓器油循環(huán)的控制策略和結(jié)構(gòu)方案，用以解決上述問題。

1 故障和影響

油浸式變壓器的故障基本可以歸納為電路故障、磁路故障和油路故障，這些故障的反映特征可能是熱故障或電故障，甚至兩者兼具。

本文旨在解決變壓器泄壓和爆燃情況的危害，故而針對變壓器內(nèi)部壓力、油溫、油位三個主要指標。這三項也是油浸式變壓器發(fā)生故障后最明顯的故障指征。

關(guān)于變壓器內(nèi)部壓力情況，西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣實驗室已做過仿真研究：通過建立變壓器故障壓力數(shù)學(xué)模型，用有限元法仿真得到了油箱內(nèi)部壓力分布云圖及各個位置壓強變化情況。通過分析不同故障對變壓器油箱內(nèi)部壓力的影響，揭示了變壓器電氣故障與油箱內(nèi)壓強變化特征之間的關(guān)系[4]；也有相關(guān)文獻對變壓器內(nèi)部溫度場和流場情況進行了詳細的分析[5]。這些為變壓器的設(shè)計提供了一定的參考和方向。

傳統(tǒng)油浸式變壓器常利用壓力釋放閥泄油、泄壓，作為變壓器的一種安全措施。根據(jù)泄壓閥的特性，當變壓器油箱內(nèi)部壓力不大于預(yù)定值時，變壓器油箱處于封閉狀態(tài)；當變壓器出現(xiàn)故障，油箱內(nèi)部壓力大于預(yù)定值時，壓力釋放閥打開。變壓器實施這種泄壓方式，不僅對附近的人身、財產(chǎn)安全造成威脅，還存在泄壓后變壓器絕緣油溢出、難以清理的現(xiàn)象，對周圍環(huán)境造成污染；此方式雖然能夠防止外部空氣或水分進入變壓器油箱內(nèi)部，但由于絕緣油的缺失，在變壓器可恢復(fù)性故障排除后，變壓器不能及時投入使用，也造成了供電恢復(fù)不及時的問題。在文獻[6]中雖然提到了新的泄壓閥結(jié)構(gòu)形式，但并不能真正解決絕緣油噴濺問題。

2 自保持方法

根據(jù)上文的闡述，希望找到一種解決問題的方法。在變壓器產(chǎn)生壓力、溫度和油位故障現(xiàn)象時，通過判斷故障現(xiàn)象的程度，變壓器能在輕度故障時自維護、自保持運行，在嚴重故障時迅速斷電并對絕緣油進行收集，同時將故障情況遙信至后臺，知會維護人員檢修。以下為詳細思路和設(shè)計情況。

2.1 自保持方法的工作原理

油浸式變壓器以絕緣油作為主要絕緣方式，并通過油的循環(huán)和散熱帶走負荷產(chǎn)生的熱量，油的品質(zhì)和是否缺失直接影響變壓器本身的穩(wěn)定情況。因此考慮以油位作為第一判斷標準。

正常運行中若變壓器油位忽然低于預(yù)設(shè)安全值，極有可能是本體油箱產(chǎn)生不可預(yù)知的機械損壞，此時立即切斷上口電源，快速收集絕緣油到回收油箱，極大程度減小損失情況。而油位正常的情況下，溫升值和內(nèi)部壓力值同時作為判斷依據(jù)，對變壓器是否能正常運行做出判斷，并根據(jù)實際超限情況選擇保護策略。當超限情況不嚴重時，通過自動控制程序?qū)⒆儔浩鞅倔w的絕緣油慢速泄出，同時通過回收油箱的預(yù)儲油向本體同速返油。此過程中對泄出的油進行強制冷卻，從而達到一種動態(tài)平衡，維持變壓器運行情況。一旦超限嚴重，立即切斷上口電源，快速收集絕緣油到回收油箱。

系統(tǒng)執(zhí)行快速泄油回收的指令后，為變壓器設(shè)置一次恢復(fù)供電的機會：設(shè)置一定的平衡等待時間，若達到恢復(fù)要求，返油回本體油箱。過程中監(jiān)測返油情況，直至恢復(fù)供電。如果過程中未達到恢復(fù)要求，則重新收集絕緣油，等待人員檢修。

上述過程中，每一次判斷和執(zhí)行都要報送至后臺，并發(fā)出相應(yīng)的運行、維護、警告、檢修等重要提示信息。其工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理Fig.1 Principle of operation

2.2 自保持運行邏輯詳述

首先，確定一個預(yù)設(shè)的油位值用以判斷變壓器內(nèi)部油位情況，該油位值需要由設(shè)計者根據(jù)不同變壓器的具體情況而給出，我們稱其為油位警戒值，將其定義為Hcs。同樣的，對于平行的第二衡量標準溫度和內(nèi)部壓力，需要對應(yīng)的警戒值Tcs和Fcs。為了更為準確地描述變壓器運行工況，將溫度衡量標準更改為溫升值，警戒值代號不變，則新的Tcs值為變壓器預(yù)設(shè)油溫警戒值與運行環(huán)境溫度Th的差值。

綜合三項衡量標準，得到圖2所示的運行邏輯。

圖2 以Hcs，Tcs，F(xiàn)cs為判定依據(jù)的自保持邏輯Fig.2 Self-holding logic based on Hcs，Tcs，F(xiàn)cs

2.2.1 常態(tài)運行

變壓器上電投入使用后，對油位、內(nèi)部壓力和溫度進行實時監(jiān)測，第一衡量標準油位值H1高于Hcs，同時內(nèi)部油壓值F1低于Fcs，且溫升值T1低于Tcs，即H1＞Hcs，F(xiàn)1＜Fcs，T1＜Tcs時，判定變壓器運行正常，維持變壓器運行狀態(tài)。

2.2.2 超限自保持運行

當變壓器油箱內(nèi)部檢測參數(shù)，在滿足H1＞Hcs時，同時滿足Fcs≤F1≤1.05Fcs或Tcs≤T1≤1.05Tcs時，判斷變壓器為超限狀態(tài)，變壓器進行低速泄油、泄壓，此過程中對泄出絕緣油冷卻，并對壓力進行釋放；同時進行低速回油，形成泄油、回油循環(huán)，維持變壓器運行狀態(tài)。遙信發(fā)出維護信號，通知后臺需要適時檢修。

在當前步驟中，提出了1.05Fcs和1.05Tcs兩個值，它們需要根據(jù)實際產(chǎn)品的設(shè)計和應(yīng)用情況進行更為嚴格的計算而進行調(diào)整。

2.2.3 故障狀態(tài)保護策略

當變壓器油箱內(nèi)部檢測參數(shù)同時滿足H1≤Hcs或F1＞1.05Fcs或T1＞1.05Tcs時，判定變壓器處于故障狀態(tài)。斷路器單元切斷變壓器上口電源，同時對變壓器油箱實行高速泄油、泄壓，直至完全泄出。遙信發(fā)出告警信號，通知后臺需要及時進行檢修。

2.2.4 恢復(fù)運行策略

當變壓器油箱內(nèi)部檢測參數(shù)，滿足T1＜1.05Tcs的條件時，返回油路對變壓器油箱實行低速返油。

在介紹以下步驟前，需要先引入返油過程中變壓器本體液面上升速率的概念，不論在低速返油還是高速返油的過程中，都將以此作為一項主要的判定依據(jù)。

首先引入返油量計算公式：

式中：Lf為返油量；t為返油時間；vf為返油流速，由設(shè)計者根據(jù)變壓器實際設(shè)計和運行環(huán)境的情況給出，在低速和高速返油過程中擁有不同數(shù)值。

油浸式變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以有效截面需要分段計算，而僅有油箱附件部分可以歸納為空油箱，如果其水平截面變化較大，還要進行更為細致的分段考慮。其計算方法相同，但是具體的數(shù)值應(yīng)根據(jù)不同廠家變壓器的設(shè)計情況給出。它的表達式為

式中：S為變壓器油箱有效截面積；Syx為變壓器油箱內(nèi)部截面積；Sjp為器身結(jié)構(gòu)件及附件的平均占用截面積。

變壓器油箱在t時刻返油的液面高度為

母豬的妊娠期為110～117天。妊娠母豬飼養(yǎng)管理對受精卵授精、胚胎的正常生長發(fā)育、產(chǎn)仔數(shù)多少、仔豬成活率、仔豬初生重、日增重、泌乳力和下一周期發(fā)情配種有直接或間接的影響。所以，為獲得數(shù)量多、初生重和健壯的仔豬，防止母豬流產(chǎn)，必須加強妊娠母豬飼養(yǎng)管理。不同類型、不同生產(chǎn)階段的妊娠母豬，對營養(yǎng)的需求也不同。如初產(chǎn)的青年母豬要保證其本身的正常生長發(fā)育的營養(yǎng)需要，對于妊娠后期，為保證哺乳期的泌乳，應(yīng)有良好的膘情。因此，掌握好飼養(yǎng)技術(shù)，運用得當，可節(jié)省飼料，又可滿足營養(yǎng)需要。要根據(jù)不同情況區(qū)別對待，采用相應(yīng)的飼養(yǎng)方式。

將式（1）和式（2）分別代入式（3）得到：

根據(jù)式（4），容易得到液面上升速度：

實際低速返油上升速率v1、高速返油上升速率v2和預(yù)設(shè)上升速率vcs都可以根據(jù)式（5）得到。為了消除其它客觀因素對實際應(yīng)用數(shù)據(jù)的影響，為預(yù)設(shè)的vcs乘以一個系數(shù)r，于是：

1）在低速回油中，若變壓器油箱內(nèi)部的液面上升速率值v≥r1·vcs1時，則判定變壓器油箱無漏點，對變壓器油箱實行高速回油；在檢測到變壓器油箱內(nèi)部的油位H1＞Hcs時，則斷路器單元進行合閘，變壓器恢復(fù)運行；在變壓器恢復(fù)運行中，若變壓器油箱內(nèi)部檢測參數(shù)再次出現(xiàn)F1＞1.05Fcs，或者T1＞1.05Tcs，或者H1≤Hcs，則切斷變壓器上口電源，同時對變壓器油箱實行高速泄油、泄壓，直至泄油完成，遙信至后臺，發(fā)出維修告警信號；

2）在低速回油過程中，若變壓器油箱內(nèi)部的液面上升速率值v1＜r1·vcs1或高速回油過程中v2＜r2·vcs2，則判定變壓器油箱存在泄漏現(xiàn)象，停止回油的同時，對變壓器油箱實行高速泄油，直至泄油完成，遙信發(fā)出維修告警信號。

2.3 設(shè)備方案

根據(jù)2.2節(jié)中的邏輯描述，不僅需要一套自動化控制裝置，還需要一套可以承受一定壓力的油路系統(tǒng)作為執(zhí)行設(shè)備。并且需要一定數(shù)量的傳感器和一套提前儲有適量絕緣油的高強度油箱作為回收油箱。

對于自動化控制裝置，其主要組成部分為CPU、數(shù)據(jù)采集、信息收發(fā)、控制輸出和信息提示等幾大模塊，而控制邏輯的程序編寫應(yīng)該是程序工作者易于完成的，此處不再贅述。與控制邏輯緊密配合的泄壓油路和返回油路原理如圖3所示。

圖3 油路原理Fig.3 Principle of oil circuit

如果想達到2.2節(jié)中所述的控制過程，泄壓油路中需要設(shè)有單向變量油泵、調(diào)速閥門以及與它們構(gòu)成并聯(lián)的電磁控制單向閥，并聯(lián)的兩個部分分別承擔(dān)了高速和低速泄油、泄壓的工作任務(wù)。當變壓器由于內(nèi)部故障引起油路動作時，油溫和內(nèi)部壓力會產(chǎn)生變化，此時在上述的油路后面串聯(lián)加入冷卻器、過濾器和分水排水器（如有需要，還可以加入其它設(shè)備），再連接到提前儲有適量絕緣油的油箱中。這樣既保證了回收油箱中絕緣油的冷卻狀態(tài)，又極大程度保證了回收油的油品質(zhì)量。相對應(yīng)的，在返回油路上只需設(shè)有單向變量油泵、調(diào)速閥門及與它們構(gòu)成并聯(lián)的電磁控制單向閥即可。

另外，變壓器本體及回收油箱上，裝有帶數(shù)據(jù)傳輸功能的油位檢測儀、壓力檢測儀和溫度檢測儀（數(shù)量和布置點根據(jù)變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和器身溫升關(guān)鍵點決定）；設(shè)備外部還配有環(huán)境溫度檢測儀。為了防止更極端的壓力故障產(chǎn)生，系統(tǒng)中還應(yīng)該增設(shè)可以調(diào)節(jié)的放氣裝置，本例將其設(shè)置在回收油箱上。

3 仿真驗證

仿真過程中所涉及的時間常數(shù)并不是真正意義上的時間先后關(guān)系，而是為了方便對不同采集數(shù)據(jù)所得到的實際輸出情況進行對比，令分析結(jié)果更為清晰。表1先行給出了輸出代號所對應(yīng)的控制命令。

表1 輸出代號和控制命令Tab.1 Output code and control command

3.1 保護策略

自動控制裝置根據(jù)所采集的實際信號，進行比對、判斷，做出策略輸出。仿真如圖4所示。

圖4 保護策略Fig.4 Protection strategy

根據(jù)實際設(shè)計，將油位進行100等分，運行警戒值99；根據(jù)配電領(lǐng)域常用的變壓器壓力附件和相關(guān)標準要求的溫升情況，預(yù)設(shè)壓力警戒值30 kPa，系統(tǒng)上限壓力和釋放壓力值35 kPa，溫升警戒值60 K。并設(shè)環(huán)境溫度維持于25℃。表2給出了預(yù)設(shè)的采集數(shù)據(jù)情況和通過策略后的理論輸出情況。

表2 采集數(shù)據(jù)值和理論輸出Tab.2 Data collected and theoretical output

圖5為按照表2輸入采集數(shù)據(jù)所得到的仿真輸出情況。其中圖5a～圖5d分別對應(yīng)Out 1～Out 4的輸出情況。

圖5 保護策略輸出Fig.5 The output of protection strategy

3.2 恢復(fù)策略

在恢復(fù)策略中，策略1和策略2分別涉及到了低速返油和高速返油的執(zhí)行策略，根據(jù)上文提到的返油計算公式，為了簡化分析過程，令有效截面積S的值為1 m2，校準系數(shù)r1和r2取值為1，結(jié)合實際情況，低速返油和高速返油的預(yù)設(shè)速率分別為2 L/min，50 L/min。仿真如圖6和圖7所示。

圖6 恢復(fù)策略1Fig.6 Recovery strategy 1

圖7 恢復(fù)策略2Fig.7 Recovery strategy 2

表3和表4給出了預(yù)設(shè)的采集數(shù)據(jù)情況和通過策略后的理論輸出情況。圖8為按照表3和表4輸入采集數(shù)據(jù)后所得到的仿真輸出情況。其中圖8a～圖8c分別對應(yīng)策略1中Out 5～Out 7的輸出情況；圖8d和圖8e分別對應(yīng)策略2中Out 7和Out 8的輸出情況。

表3 恢復(fù)策略1采集數(shù)據(jù)值和理論輸出Tab.3 Data collected and theoretical output on recovery stragy 1

表4 恢復(fù)策略2采集數(shù)據(jù)值和理論輸出Tab.4 Data collected and theoretical output on recovery stragy 2

圖8 恢復(fù)策略輸出Fig.8 The output of recovery strategy

3.3 驗證結(jié)論

上文結(jié)合實際設(shè)計和應(yīng)用情況，對本方法進行了賦值和仿真。根據(jù)分析的輸出情況，排除干擾項，所得結(jié)果與各項理論輸出情況均匹配。從而驗證了本方法的可行性。

4 結(jié)論

本文提出了一種油浸式變壓器故障時能自保持運行的方法，并設(shè)計了方法的自保持運行邏輯和油路設(shè)備方案。結(jié)合實際設(shè)計和應(yīng)用，對其賦值并進行了仿真驗證，結(jié)果證明該方法可行。

方法的應(yīng)用可以令油浸式變壓器在超限狀態(tài)下適當維持運行，縮減了由于變壓器故障導(dǎo)致的停電時間，達到及時恢復(fù)供電的目的。它的應(yīng)用能夠提升電網(wǎng)的安全性和可靠性，并避免了變壓器產(chǎn)生泄壓或者爆燃事故時，對周圍人身、財產(chǎn)安全和環(huán)境的影響。

本方法的提出為今后智能變壓器的發(fā)展方向提供了一個新的分支，為變壓器的設(shè)計者也提供了一種新的參考思路。如何合理應(yīng)用本方法并保證實際產(chǎn)品的經(jīng)濟性是今后的工作中仍需解決的問題。