變壓器在線油色譜異常狀態(tài)快速辨識邊緣裝置關(guān)鍵技術(shù)研究

楊 玥，康 琪

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010020）

0 引言

隨著電力需求的持續(xù)增長與電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的發(fā)展，我國大型電力變壓器的數(shù)量也呈快速增長趨勢。在狀態(tài)檢修模式下，隨著停電例行試驗周期的延長，設(shè)備在發(fā)生故障前的潛伏性缺陷可能無法通過當(dāng)前的評價體系反映出來，存在設(shè)備狀態(tài)失控的風(fēng)險[1]。同時，由于現(xiàn)階段電力管控系統(tǒng)中各類設(shè)備在線、離線數(shù)據(jù)和巡檢記錄等信息量龐大，系統(tǒng)判別運算流程復(fù)雜，也嚴(yán)重影響了設(shè)備報警提示及運行狀態(tài)判定的響應(yīng)速度[2]。發(fā)展邊緣側(cè)裝置可以就地進(jìn)行數(shù)據(jù)的初級處理和設(shè)備狀態(tài)的簡單判別，為電力管控系統(tǒng)提供二級運算結(jié)果，一定程度上為管控系統(tǒng)減輕壓力。

1 變壓器油色譜在線監(jiān)測現(xiàn)狀

變壓器油色譜在線監(jiān)測是變壓器運行狀態(tài)判斷的主要依據(jù)，當(dāng)前變壓器的運行狀態(tài)評估相對復(fù)雜，主要存在以下問題。

（1）現(xiàn)場運行人員不具備相應(yīng)的專業(yè)基礎(chǔ)，缺乏較高的專業(yè)分析水平，且變壓器監(jiān)控平臺一般不設(shè)在變電站內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸受重重網(wǎng)關(guān)的限制[3-4]，有些數(shù)據(jù)按照天的采樣頻率進(jìn)行回傳，嚴(yán)重影響了對變壓器運行狀態(tài)的掌控。

（2）變壓器油色譜在線監(jiān)測無法準(zhǔn)確回傳，原因如下：內(nèi)置傳感檢測器易受污染，需要定期更換或維護(hù)，部分監(jiān)測裝置甚至需要長期提供載氣或一定組分的標(biāo)準(zhǔn)氣；在外界溫度無法保證恒溫的情況下，易造成數(shù)據(jù)缺失或出現(xiàn)漂移偏差、變比偏差等運算誤差；正常運行的變壓器中存在一定量的背景氣體，這些背景氣體會對實際氣體的濃度測量產(chǎn)生干擾等[5-7]。

（3）當(dāng)前變壓器在線油色譜監(jiān)測多傾向于色譜氣體單一含量告警和變壓器隱患故障的類型預(yù)判，僅作為狀態(tài)量的傳遞工具，不具備就地分析的功能。

2 在線油色譜異常狀態(tài)快速辨識邊緣裝置介紹

2.1 裝置工作原理

基于傅立葉變換紅外光譜油色譜分析的原理如下：當(dāng)固定頻率的紅外光照射油色譜氣體時，若油色譜中某個氣體組分的基團(tuán)振動頻率與所照射紅外線的頻率相同，就會產(chǎn)生共振，這個基團(tuán)會選擇性吸收一定頻率的紅外線，記錄紅外線的吸收過程就可以得到特定的特征光譜，從而找到對應(yīng)的油色譜氣體。其路徑如圖1所示。

圖1 紅外光束經(jīng)由分束器后折射和透射的路徑Fig.1 The refraction and transmission path of infrared beams after passing through the beam splitter

傅里葉變換紅外光譜儀通過光學(xué)干涉選擇性調(diào)制入射紅外光束。入射光A被半鏡面分束器B分成兩部分：經(jīng)過分束器反射的光束S1和透射的光束S2。S1到達(dá)動鏡C后被反射，運動了2d1距離；S2經(jīng)過固定鏡D反射，運動了2d2距離，最后匯合成光束E。隨著動鏡C的移動，光程差會發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生干涉，忽略反射引起的相位差，反射引起的光程差可表示為：δ=2（d1+d2）。當(dāng)動鏡C不斷做勻速運動時，探測器會接收到強(qiáng)度不斷變化的光強(qiáng)信號，根據(jù)光相干性原理，利用傅立葉變換函數(shù)的特性，將干涉圖轉(zhuǎn)換成光譜圖[8-9]，也就是將以光程差為函數(shù)的干涉圖變換成以波長為函數(shù)的光譜圖。

根據(jù)朗伯-比爾定律[10]，E的輸出強(qiáng)度取決于動鏡C的位置，當(dāng)波長為λ的單色光進(jìn)入干涉儀時，入射光強(qiáng)度I0和透射光強(qiáng)度I之間的關(guān)系可表示為：

式中：σ（λ）—被測物質(zhì)的吸收截面；

c—被測物質(zhì)在路徑上的平均濃度；

L—有效光程長；

λ—單色光波長。

在實際檢測時，往往存在多種氣體組分在同一波數(shù)處參與紅外吸收，基于吸收光譜的加和性原理，不同氣體組分的紅外吸收光譜互不影響，即不會對單一氣體的特征吸收峰值造成干擾，所以該方法可以避免多種油色譜氣體組分干涉圖譜的干擾誤差。n種氣體的入射光和出射光之間的關(guān)系可以表示為：

修正后的單色光強(qiáng)度記為B（λ），理想單色光源經(jīng)過干涉儀調(diào)制后，探測器接收到的光強(qiáng)度為：

式中：δ—實際光程差。

探測器接收到的光強(qiáng)度由常數(shù)項和余弦調(diào)制項構(gòu)成，忽略常數(shù)項，得到干涉圖方程如下：

入射的紅外光束是由無數(shù)個連續(xù)的狹窄單色光形成，將式（4）積分即可得到連續(xù)光源的單色光干涉圖方程如下：

由式（5）可知，I（δ）與B（λ）互為傅里葉變換的關(guān)系，對干涉圖進(jìn)行傅里葉變換得到紅外光譜圖偶函數(shù)表達(dá)式：

由于數(shù)字分析系統(tǒng)只能處理有限長的離散信號，所以在采樣周期內(nèi)，需要對上述連續(xù)傅里葉變化進(jìn)行離散處理，使其頻域離散化。設(shè)一個有限長序列x（n），則它的N點離散傅里葉變換為：

其中，X（k）表示離散傅里葉變換后的數(shù)據(jù)；x（n）為采樣信號，在實際運用中x（n）為實信號，即虛部為0，式（7）可轉(zhuǎn)化為：

利用上述公式繪制傅里葉光譜，根據(jù)光譜吸收紅外光的位置和形狀即可推斷油色譜的氣體組分，并根據(jù)吸收特征峰的強(qiáng)度得到各組分的濃度ci計算公式如下：

2.2 采樣頭關(guān)鍵技術(shù)

油色譜分析需對變壓器本體的油進(jìn)行采樣，如果采樣方案設(shè)置不合理，會造成油位的異常下降和滲漏。為避免采樣過程中對變壓器本體的油進(jìn)行消耗，采樣頭內(nèi)置傳感器采用恒電位電解方式和伽伐尼電池方式工作，利用電學(xué)性質(zhì)中氧化—還原反應(yīng)的可逆變化來檢測色譜氣體含量。以氫氣為例，使用對氫敏感的油浸鈀元素，氫會分裂并進(jìn)入鈀晶格，從而改變材料的電位，這個可逆反應(yīng)與油中的氫含量成正比。再利用傳感器測量鈀的電阻和電容的變化，即可得到氫含量。通過毛細(xì)滲透管連續(xù)氣體提取系統(tǒng)可提取到包含H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2共7種色譜分析的主要氣體組分。

水分的監(jiān)測則采用固態(tài)電容式傳感器。固態(tài)電容式傳感器由兩個電容板組成，兩個電容板之間由充當(dāng)絕緣介質(zhì)的變壓器油隔開。油中溶解的水分會改變油的介電特性，從而改變兩極板之間的電容。利用傳感器測量電容的變化，并根據(jù)油的類型進(jìn)行換算，以提供相對百分比的水分含量。

采樣頭內(nèi)置熱元件將采樣處的油和變壓器本體的油進(jìn)行強(qiáng)制對流，這樣獲得的油樣是均勻一致的，且溫度可控，在保證測量精度穩(wěn)定性的同時，避免了泵和其他機(jī)械部件的接入影響。圖2顯示了熱元件加裝前、后對變壓器油質(zhì)的影響。

圖2 熱元件加裝前、后變壓器油質(zhì)變化Fig.2 Change of transformer oil quality before and after installing thermal elements

為保證在線油色譜異常狀態(tài)快速辨識邊緣裝置測試流程的穩(wěn)定性，紅外光源選擇了穩(wěn)頻激光器，采用主動伺服控制技術(shù)，可確保在較寬的溫度范圍內(nèi)激光器不出現(xiàn)頻率漂移，從而在其整個生命周期（約10年）中不需要重新校準(zhǔn)。

裝置消除了外部油循環(huán)回路、載氣、主動冷卻、電池等高維護(hù)部件等薄弱環(huán)節(jié)，加裝3個外置小型氣體泵以確保氣體循環(huán)到包含傅里葉變換紅外光譜儀的分析單元。傅里葉變換紅外光譜油色譜檢測裝置工作原理如圖3所示。

圖3 傅立葉變換紅外光譜油色譜檢測裝置工作原理Fig.3 Fourier transform infrared spectroscopy oil chromatography detection device working principle

3 油色譜異常狀態(tài)快速辨識

3.1 辨識依據(jù)

根據(jù)公式（9）獲得目標(biāo)氣體組分的濃度含量，將其轉(zhuǎn)化為產(chǎn)氣率，作為油色譜異常狀態(tài)快速辨識流程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。依據(jù)IEEE Std C57.104—2008《IEEE Guide for the Interpretation of Gases Generated in Oil-Immersed Transformers》，不同存儲方式下變壓器油的年產(chǎn)氣率超標(biāo)等級限值見表1—表3[11]。

表1 密封式變壓器油產(chǎn)氣率超標(biāo)等級限值Tab.1 Sealed-type gas production rate exceeding grade limited 10-6

表2 開放式變壓器油產(chǎn)氣率超標(biāo)等級限值Tab.2 Gas production rate of open?type transformer oil exceeding grade limit 10-6

表3 隔膜式變壓器油產(chǎn)氣率超標(biāo)等級限值Tab.3 Gas production rate of diaphragm?type ransformer oil exceeding grade limit 10-6

3.2 辨識方法及流程

在線油色譜異常狀態(tài)快速辨識邊緣裝置報警觸發(fā)前提條件為裝置至少存儲了720 h的在線油色譜基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，將720 h的數(shù)據(jù)檢測周期劃分為5個時間段：最初240 h，最近240 h，最近480 h，最近72 h，最近12 h。采用線性回歸方法分別進(jìn)行3次代值計算，用于判斷720 h內(nèi)是否存在數(shù)據(jù)突變以及產(chǎn)生突變的時間范圍。取最近240 h的某組分信號趨勢斜率，記作M1，最初240 h的趨勢斜率，記作M2，如果滿足M2＞3M1，即氣體組分的初始增長速度大于最近240 h增長速度的3倍，即可判斷為存在數(shù)據(jù)突變；如不滿足上述判別條件，則進(jìn)行第二次代值計算，將最近240 h的信號數(shù)據(jù)替換為最近480 h的信號數(shù)據(jù)；如仍不滿足判別條件，則進(jìn)行第三次代值計算，將最近480 h的信號數(shù)據(jù)替換為720 h的信號數(shù)據(jù)，其中任意一次計算滿足斜率倍數(shù)的判斷關(guān)系，即判斷為存在數(shù)據(jù)突變。

借用布林通道的思想，所有氣體組分的濃度數(shù)據(jù)組成具有正態(tài)分布形態(tài)的帶寬[12]。布林通道通常由3條軌道組成，中軌可以看做是一條移動的平均線，上、下軌則是在中軌的基礎(chǔ)上加減一定倍數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，其目的是計算加速的趨勢。不考慮氣體含量的下降影響，設(shè)S為最近72 h的標(biāo)準(zhǔn)差，yˉ為該時段數(shù)據(jù)平均值，調(diào)整系數(shù)為3，則布林帶帶寬B計算公式為：

設(shè)置布爾型報警數(shù)值[13]，若出現(xiàn)3個數(shù)據(jù)在布林帶上方，則觸發(fā)判斷流程。

3.2.1 檢測到氣體發(fā)生重大變化

當(dāng)變壓器役齡小于1年時，如油色譜氣體檢測只有CO體積分?jǐn)?shù)發(fā)生了重大變化，且CO體積分?jǐn)?shù)小于2檔氣體產(chǎn)氣速率的70%，則忽略該變化，判定變壓器運行正常。原因是變壓器首次運行時，CO體積分?jǐn)?shù)會出現(xiàn)突增。

如CO體積分?jǐn)?shù)大于2檔氣體產(chǎn)氣速率的70%，則需要確認(rèn)變壓器油是否脫氣、套管是否更換、分接開關(guān)是否更換，如進(jìn)行過上述操作則忽略；如未進(jìn)行過上述操作，則進(jìn)入報警等級判斷流程。

3.2.1 .1 檢測到氣體產(chǎn)生重大變化后報警等級判斷流程

裝置報警限值設(shè)置依據(jù)IEEE Std C57.104—2008，見表4。

表4 關(guān)鍵氣體油色譜報警限值Tab.4 Critical gas oil chromatographic alarm limits 10-6

（1）1檔報警

設(shè)D2為2檔報警限值，若當(dāng)前氣體值＜125%D2，則忽略其變化；若125%D2≤當(dāng)前氣體值＜150%D2，則向變電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息；如果150%D2≤當(dāng)前氣體值＜175%D2，則需要判斷之前是否有過相同的報警信息，如有，則不重復(fù)報警，如無，則向變電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息。

（2）2檔、3檔和4檔報警

與1檔報警流程相同，選取下一檔限值的1.25倍、1.50倍和1.75倍作為判斷節(jié)點，并設(shè)置相應(yīng)預(yù)警信息。

3.2.1 .2 最近30 d數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重時報警等級判斷流程

當(dāng)最近30 d數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重時，選取最近12 h的數(shù)據(jù)趨勢及迄今為止可獲取的數(shù)據(jù)集。

（1）如當(dāng)前氣體水平在1檔限制范圍內(nèi)，變壓器役齡小于1年，且當(dāng)前氣體水平＜50%D2，則忽略起始變化；如變壓器役齡大于1年，且當(dāng)前氣體水平＜75%D2，則忽略起始變化；如上述條件均不滿足，則比較最近12 h數(shù)據(jù)趨勢（M12）與整體數(shù)據(jù)趨勢大?。∕all），若M12＞Mall，判斷之前是否有過相同的報警信息，如有，則不重復(fù)報警，如無，則向變電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息。

（2）如當(dāng)前氣體水平在2檔限制范圍內(nèi)，M12＞Mall，且當(dāng)前氣體水平小于之前氣體水平，則判斷之前是否有過相同的報警信息，如有，則不重復(fù)報警；如無，則向變電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息。

（3）如當(dāng)前氣體水平超出2檔限制范圍且在3檔限制范圍內(nèi)，M12＞Mall，且當(dāng)前氣體水平小于之前氣體水平，則判斷之前是否有過相同的報警信息，如有，則不會重復(fù)報警；如無，則向變電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息。

（4）如當(dāng)前氣體水平超出3檔限制范圍且在4檔限制范圍內(nèi)，M12＞Mall，且當(dāng)前氣體水平小于等于之前氣體水平，則判斷之前是否有過相同的報警信息，如有，則不重復(fù)報警；如無，則向變電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息。

3.2.2 未檢測到氣體發(fā)生重大的變化

若未檢測到氣體發(fā)生大的變化，則需對氣體組分的年產(chǎn)氣率進(jìn)行判別，年產(chǎn)氣率公式可利用上述時間段的產(chǎn)氣率進(jìn)行折算。根據(jù)3.2.1.1中的時間范圍獲取響應(yīng)時間的產(chǎn)氣率，記作Mt：

根據(jù)IEEE產(chǎn)氣率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行逐一判斷即可，并且可按照等級編譯告警信息。

4 應(yīng)用案例

以某110 kV變電站作為試點，該站2號主變壓器安裝在線油色譜異常狀態(tài)快速辨識邊緣裝置。

4.1 設(shè)備安裝

4.1.1 采樣頭與變壓器油箱閥門的連接

采樣頭傳感器與2號主變壓器油箱下部的DN50蝶閥通過定制的適配器連通后，將變壓器本體的絕緣油送入采樣頭傳感器的內(nèi)腔。在法蘭連接完成后，為了避免采樣頭傳感器內(nèi)腔和適配器內(nèi)的空氣進(jìn)入變壓器本體，先使用注射器抽取變壓器內(nèi)的絕緣油，并注入到頭部傳感器內(nèi)。之后，再緩慢打開變壓器本體下部蝶閥的閥門，實現(xiàn)傳感器與變壓器油箱連通。上述操作可在變壓器不停電的條件下完成。

4.1.2 傅里葉紅外光譜儀的安裝

傅里葉紅外光譜儀采用落地安裝的方式，機(jī)柜內(nèi)置探測器、干涉儀、FTIR光譜儀的光學(xué)測量部件等。機(jī)柜門上綠、黃、紅三色指示燈分別代表經(jīng)就地邊緣裝置初級判斷后變壓器正常、注意及危急運行狀態(tài)。藍(lán)燈為邊緣裝置的維護(hù)指示燈，如發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸中斷、傳感器故障或泵等附件失效時，則藍(lán)燈亮起。

4.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測

2號主變壓器在線油色譜異常狀態(tài)快速辨識邊緣裝置監(jiān)測界面如圖4所示。綠色指示燈亮，表明變壓器運行正常。部分有代表性的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5所示。由圖5可以看出，組分氣體隨著濃度的增長會落入不同的運行狀態(tài)指示顏色區(qū)間，進(jìn)而觸發(fā)相應(yīng)的告警信息。

圖4 監(jiān)測界面Fig.4 Trend grading of representative monitoring data

圖5 代表性監(jiān)測數(shù)據(jù)的趨勢分級Fig.5 Trend grading of representative monitoring data

5 實驗室驗證

為驗證變壓器在線油色譜異常狀態(tài)快速辨識邊緣裝置的檢測準(zhǔn)確率，將該裝置送至中國電科院，按照DL/T 1432.2—2016《變電設(shè)備在線監(jiān)測裝置檢驗規(guī)范 第2部分：變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測裝置》[14]的相關(guān)要求，進(jìn)行了3種不同階梯濃度的混合色譜組分比對實驗，根據(jù)規(guī)程中絕對誤差和相對誤差的計算方法，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證計算。實驗數(shù)據(jù)及誤差結(jié)果見表5。

表5 多組分比對實驗測試數(shù)據(jù)及誤差結(jié)果1）Tab.5 Experimental test data and error results of multi-component comparison 10-6

經(jīng)驗證，該裝置的測量誤差結(jié)果均為A級，且可對標(biāo)準(zhǔn)油樣給出的0.41×10-6的C2H2做出響應(yīng)，符合標(biāo)準(zhǔn)中C2H2接近最低檢測限值的要求，表明該裝置對在運主變壓器的多組分油色譜數(shù)據(jù)測量精度完全滿足現(xiàn)場需求。

6 結(jié)語

本文提出了一種基于傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜技術(shù)的多組分油中氣體監(jiān)測在線裝置，可實現(xiàn)變壓器多組分油色譜和微水的實時在線監(jiān)測，并內(nèi)置程序進(jìn)行變壓器運行狀態(tài)的簡單判別，將即發(fā)故障局部化。基于該理論的監(jiān)測裝置由于具備不需要載氣配合、傳感器不易污染、數(shù)據(jù)測試穩(wěn)定性較好等優(yōu)點，可作為智能運檢的輔助手段，避免許多運維管理環(huán)節(jié)的問題。

在電力融合末端的大背景下，通過邊緣裝置的使用，對電網(wǎng)主設(shè)備評價系統(tǒng)的感知層進(jìn)行改進(jìn)豐富的同時，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，為現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的邊緣計算與整合提供技術(shù)手段，提高診斷的即時性與準(zhǔn)確性，最大限度為潛在故障提供充足的預(yù)留計劃性檢修時間，降低設(shè)備運維的人力資源、人為不確定因素及誤判概率，保障電網(wǎng)安全。