變壓器內(nèi)部過(guò)熱缺陷故障自適應(yīng)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓中杰，李傳才，周剛，戚中譯

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江嘉興 314000）

變壓器是一種相對(duì)靜止的電氣應(yīng)用設(shè)備，可將某一固定數(shù)值的交流輸入電壓轉(zhuǎn)換成頻率相同的一種或幾種直流輸出電壓。當(dāng)交流電壓通過(guò)繞組設(shè)備時(shí)，所產(chǎn)生的物理磁通量即為交變磁通；而當(dāng)直流電壓通過(guò)繞組設(shè)備時(shí)，所產(chǎn)生的物理磁通量即為直行磁通[1-2]。隨著外界輸電壓力的改變，變壓器交變磁通、直行磁通接連出現(xiàn)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)用電能的穩(wěn)定傳輸，也可將設(shè)備結(jié)構(gòu)體自身的電阻容量水平固定在平穩(wěn)的特征參數(shù)區(qū)間之內(nèi)。

由于外部環(huán)境、工作時(shí)長(zhǎng)、處理材料等外界因素的改變，變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生明顯的發(fā)熱情況，從而導(dǎo)致電力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。傳統(tǒng)示數(shù)監(jiān)控型診斷系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集的方式，對(duì)變壓器內(nèi)部的溫度示數(shù)信息進(jìn)行提取，再借助遠(yuǎn)方終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷故障行為的診斷與排查。然而此系統(tǒng)對(duì)于變壓器設(shè)備內(nèi)部過(guò)熱問題的解決能力有限，并不能完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求。為避免上述情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)新型變壓器內(nèi)部過(guò)熱缺陷故障自適應(yīng)診斷系統(tǒng)，在信號(hào)源裝置、故障指示器等多個(gè)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)的支持下，對(duì)設(shè)備過(guò)熱原因進(jìn)行準(zhǔn)確分析，再聯(lián)合變壓器負(fù)荷量數(shù)值，實(shí)現(xiàn)診斷信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的實(shí)時(shí)連接。

1 自適應(yīng)診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

自適應(yīng)診斷系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由信號(hào)源裝置、故障指示器、診斷服務(wù)器三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 信號(hào)源裝置

信號(hào)源裝置連接在變壓器結(jié)構(gòu)的高壓電量輸出端，可在一組接地電阻元件的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制設(shè)備的全面協(xié)調(diào)，從而使自適應(yīng)診斷系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求得到較好滿足。在單位傳輸時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)不同的接地電阻元件分別與控制開關(guān)和信號(hào)源波段相連，前者可在感知變壓器內(nèi)部溫度變化情況的同時(shí)，對(duì)剩余自適應(yīng)電流進(jìn)行集中性消耗，后者則主要負(fù)責(zé)對(duì)輸出的電量信號(hào)源進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)試，從而使系統(tǒng)內(nèi)部的電子傳輸環(huán)境時(shí)刻保持相對(duì)穩(wěn)定的應(yīng)用狀態(tài)[3-4]。信號(hào)源裝置右側(cè)集中分布著多個(gè)輸出波段結(jié)構(gòu)體，且隨著變壓器設(shè)備所承擔(dān)電壓值水平的提升，這些物理波段的振蕩行為也會(huì)逐漸趨于明顯，直至變壓器設(shè)備的內(nèi)部溫度實(shí)值達(dá)到額定量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。信號(hào)源裝置示意圖如圖1 所示。

圖1 信號(hào)源裝置示意圖

1.2 故障指示器

自適應(yīng)診斷系統(tǒng)的故障指示器由直流型、交流型、交感變化型3 種形式共同組成。其中，直流型故障指示器的連接適應(yīng)性相對(duì)較弱，僅能負(fù)載直流型的變壓器應(yīng)用設(shè)備，當(dāng)元件內(nèi)的物理表現(xiàn)穩(wěn)定值不斷提升時(shí)，該類型設(shè)備極易出現(xiàn)熔斷變化狀態(tài)，從而加劇熱缺陷行為的表現(xiàn)強(qiáng)度[5-6]。交流型故障指示器的連接適應(yīng)性具備一定的可更改能力，但僅能負(fù)載交流型的變壓器應(yīng)用設(shè)備，當(dāng)元件內(nèi)的物理表現(xiàn)穩(wěn)定值不斷提升時(shí)，該類型設(shè)備則能夠長(zhǎng)期保持相對(duì)穩(wěn)定的連接狀態(tài)，因此可對(duì)熱缺陷行為的表現(xiàn)強(qiáng)度進(jìn)行一定的抑制性影響，從而為自適應(yīng)診斷系統(tǒng)提供更多的可參考信息條件。故障指示器分類標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 故障指示器分類標(biāo)準(zhǔn)

1.3 診斷服務(wù)器

在變壓器內(nèi)部過(guò)熱缺陷故障自適應(yīng)診斷系統(tǒng)中診斷服務(wù)器始終以主機(jī)集群的形式存在，可聯(lián)合故障指示器，對(duì)變壓器設(shè)備的內(nèi)表面溫度值進(jìn)行精準(zhǔn)確定，再借助信號(hào)源裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)診斷執(zhí)行指令的判別與處理[7]。一般情況下，客戶端主機(jī)作為診斷服務(wù)器模式的頂層執(zhí)行結(jié)構(gòu)，可根據(jù)已記錄的變壓器內(nèi)部溫度值水平，對(duì)自適應(yīng)診斷權(quán)值進(jìn)行設(shè)置，再借助輸入網(wǎng)絡(luò)信道，維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息診斷環(huán)境，從而使得系統(tǒng)內(nèi)的待處理數(shù)據(jù)信息能夠具有較強(qiáng)的實(shí)用性價(jià)值[8-9]。底層服務(wù)器的連接則必須完全遵照自適應(yīng)診斷網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際規(guī)劃需求，一方面記錄客戶端內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸需求，另一方面將未完全消耗的溫度值信息反饋至其他系統(tǒng)診斷元件之中。診斷服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 診斷服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖

2 自適應(yīng)診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在相關(guān)硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)的支持下，按照變壓器內(nèi)部過(guò)熱原因分析、變壓器負(fù)荷量計(jì)算、診斷信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)連接的處理流程，完成系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，兩相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部過(guò)熱缺陷故障自適應(yīng)診斷系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

2.1 變壓器內(nèi)部過(guò)熱原因分析

變壓器內(nèi)部過(guò)熱是一個(gè)極為復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程，而引發(fā)其溫度值上升的原因主要包括電耗能量過(guò)高、潛油泵發(fā)熱量過(guò)大、信號(hào)色譜數(shù)據(jù)變化三類。其中，電耗能量過(guò)高是引發(fā)變壓器內(nèi)部過(guò)熱的最主要原因，由于變壓器元件常與高壓電網(wǎng)線路相連，傳輸電子可在壓降行為下，在傳輸導(dǎo)線中大量堆積，故隨著后續(xù)消耗指令的產(chǎn)生，這些電子量會(huì)直接進(jìn)入變壓器設(shè)備內(nèi)部，并在其中形成高水平的電子運(yùn)行流場(chǎng)[10-11]。潛油泵發(fā)熱量過(guò)大則屬于較難觸發(fā)的變壓器內(nèi)部過(guò)熱原因，由于變壓器結(jié)構(gòu)體的主體受熱相對(duì)較為均勻，所以若不存在多點(diǎn)接地或鐵芯接地電流過(guò)大的情況，則不會(huì)導(dǎo)致該項(xiàng)事件的產(chǎn)生。信號(hào)色譜數(shù)據(jù)變化則是由于CO 與CO2增幅過(guò)大所引起的變壓器內(nèi)部過(guò)熱問題，由于其反應(yīng)能力極強(qiáng)，因此由該項(xiàng)條件所引發(fā)的變壓器內(nèi)部過(guò)熱問題最為嚴(yán)重[12-13]。設(shè)E1、E2、E3分別代表3 個(gè)不同的變壓器發(fā)熱原因系數(shù)，i代表發(fā)熱量引發(fā)條件，聯(lián)立上述物理量，可將變壓器內(nèi)部過(guò)熱缺陷故障情況下的發(fā)熱量極值表示為：

其中，M代表電子量傳輸系數(shù)，β代表熱量能耗指標(biāo)，Kmin、Kmax代表變壓器設(shè)備所具備的最小和最大熱量承載力系數(shù)值。

2.2 變壓器負(fù)荷量

變壓器負(fù)荷量是指變壓器設(shè)備元件在單位時(shí)間內(nèi)所能承載的最大發(fā)熱量數(shù)值，一般情況下，該項(xiàng)物理指標(biāo)的數(shù)值水平越高，其外部所負(fù)載的傳輸電壓值也就越大，反之則越小。變壓器作為一種恒定型電子量消耗設(shè)備，其內(nèi)部阻值水平基本能夠長(zhǎng)時(shí)間保持相對(duì)平衡的存在狀態(tài)，且隨著外部傳輸電壓與傳輸電流值的增大，該項(xiàng)物理量的數(shù)值水平也并不會(huì)出現(xiàn)明顯改變[14-15]。規(guī)定在一個(gè)電量傳輸周期內(nèi)，r0代表最小的變電器發(fā)熱量診斷系數(shù)，rn代表最大的變電器發(fā)熱量診斷系數(shù)，n代表自適應(yīng)評(píng)估權(quán)限值。聯(lián)立式（1），可將變壓器負(fù)荷量計(jì)算結(jié)果表示為：

上式中，代表變壓器設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量均值。

2.3 診斷信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

診斷信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)與變壓器發(fā)熱量相關(guān)的自適應(yīng)數(shù)據(jù)信息，并可借助輸出信道，將這些信息指令反饋至相關(guān)電子量應(yīng)用元件之中[16]。在常規(guī)運(yùn)行情況下，客戶端1、客戶端2 始終保持同步開啟的連接狀態(tài)，且在存儲(chǔ)服務(wù)器設(shè)備的作用下，所有已執(zhí)行的電量信息文件都可在服務(wù)器主機(jī)中進(jìn)行短暫存儲(chǔ)，且最終一定會(huì)生成較為完整的熱量信息文件，以用于系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備主機(jī)的調(diào)取與應(yīng)用。至此，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)軟硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建，在不出現(xiàn)其他干擾條件的情況下，完成變壓器內(nèi)部過(guò)熱缺陷故障自適應(yīng)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。診斷信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)示意圖如圖3 所示。

圖3 診斷信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)分析與研究

以三相五柱式變壓器（如圖4 所示）作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分別將其接入自適應(yīng)診斷系統(tǒng)與示數(shù)監(jiān)控型診斷系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中，其中前者作為實(shí)驗(yàn)組、后者作為對(duì)照組。

圖4 變壓器設(shè)備元件

已知變壓器直阻均值、電流攀升量數(shù)值均能反映系統(tǒng)主機(jī)所能承載的變壓器內(nèi)部溫度值情況，一般情況下，直阻均值量與電流攀升量數(shù)值水平越高，變壓器內(nèi)部溫度值的上升趨勢(shì)也就越明顯（在配電網(wǎng)環(huán)境中，變壓器內(nèi)部過(guò)熱現(xiàn)象越明顯，其引發(fā)的電力資源浪費(fèi)問題也就越嚴(yán)重）[17-18]。

表2 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組變壓器直阻均值量在不同電壓值水平下的具體變化情況。

表2 變壓器直阻均值量對(duì)比

以表2 中所示數(shù)值作為分析條件可知，隨著變壓器所負(fù)載電壓量水平的增大，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組的直阻均值基本保持相同的數(shù)值變化趨勢(shì)，但實(shí)驗(yàn)組的整體數(shù)值水平始終低于對(duì)照組。從極限數(shù)值的角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組的階段性最大值77.875 03 Ω遠(yuǎn)低于對(duì)照組的階段性最大值89.946 71 Ω。

基于此可認(rèn)為，自適應(yīng)診斷系統(tǒng)的應(yīng)用能夠較好控制變壓器直阻均值量的上升變化趨勢(shì)，對(duì)穩(wěn)定變壓器內(nèi)部的溫升變化，具有較強(qiáng)的可行性作用能力。

表3 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組電流攀升量數(shù)值在不同電壓值水平下的具體變化情況。

表3 電流攀升量數(shù)值對(duì)比

以表3 中所示數(shù)值作為分析條件可知，隨著變壓器所負(fù)載電壓量水平的增大，實(shí)驗(yàn)組電流攀升量數(shù)值在實(shí)驗(yàn)前期的大幅上升狀態(tài)后，開始逐漸趨于相對(duì)穩(wěn)定的存在形式；而對(duì)照組電流攀升量數(shù)值則始終保持連續(xù)上升的變化狀態(tài)。從極限值角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組最大值43.2 A 低于對(duì)照組54.9 A，且能夠存在一段時(shí)間的數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)。

基于此可認(rèn)為，自適應(yīng)診斷系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流攀升量數(shù)值上升趨勢(shì)的較好抑制，能夠較好維持變壓器設(shè)備內(nèi)部的平衡性溫度變化狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

變壓器內(nèi)部過(guò)熱缺陷故障自適應(yīng)診斷系統(tǒng)可在信號(hào)源裝置、故障指示器、診斷服務(wù)器三類硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)的作用下，針對(duì)變壓器內(nèi)部的過(guò)熱原因進(jìn)行準(zhǔn)確分析，再通過(guò)變壓器負(fù)荷量計(jì)算的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)診斷信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的平衡與穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，變壓器直阻均值量與電流攀升量數(shù)值的下降，能夠較好抑制變壓器設(shè)備內(nèi)部的溫升變化行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力消耗資源的合理保護(hù)。