電力系統(tǒng)中6 kV 變壓器短路故障診斷與維修

汪 琳

（中國(guó)石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163711）

0 引言

在深入對(duì)電力系統(tǒng)的異?，F(xiàn)象分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，變壓器短路故障是造成系統(tǒng)異常的主要構(gòu)件。同時(shí)，電力變壓器也是電力系統(tǒng)中最主要的供電設(shè)備，可以將其作為一種呈現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)的電氣設(shè)備，在系統(tǒng)中主要將某一數(shù)值的交流電流或電壓，通過某種處理方式，將其轉(zhuǎn)換成不同數(shù)值的一種或多種電流或電壓[1]。根據(jù)我國(guó)電力局對(duì)市場(chǎng)內(nèi)各大供電單位反饋數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)可知，隨著電力市場(chǎng)發(fā)展規(guī)模的提升、供電范圍的增加，由于變壓器故障造成的電力系統(tǒng)運(yùn)行異常事故正逐年呈提升趨勢(shì)。盡管電力單位在發(fā)現(xiàn)故障后已在短時(shí)間內(nèi)采取有效措施進(jìn)行故障處理，但每年電力事故數(shù)量仍未能降低。為了解決此方面問題，此次研究將以電力系統(tǒng)中的6 kV 變壓器為例，設(shè)計(jì)一種針對(duì)此變壓器的故障診斷與維修處理方法，布置變壓器在線監(jiān)測(cè)環(huán)境，獲取并處理電力系統(tǒng)變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)；引進(jìn)頻響法，對(duì)變壓器在運(yùn)行中的線路繞組情況進(jìn)行變形測(cè)試，根據(jù)變形測(cè)試結(jié)果，對(duì)其短路故障進(jìn)行在線診斷。選擇與之匹配的故障處理與維修方式，以此種方式，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)故障，實(shí)現(xiàn)在最快時(shí)間內(nèi)進(jìn)行故障的診斷，為系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運(yùn)行提供技術(shù)保障，保證變壓器運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。

1 6kV 變壓器短路故障診斷與維修方法設(shè)計(jì)

1.1 在線監(jiān)測(cè)與處理電力系統(tǒng)變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)中6 kV 變壓器短路故障的有效診斷，需要在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對(duì)其中的變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)[2]。變壓器運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)環(huán)境如圖1 所示。

圖1 變壓器運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)環(huán)境

設(shè)定變壓器運(yùn)行指標(biāo)，由電力控制終端與在線監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)的反饋，實(shí)時(shí)感知運(yùn)行前后數(shù)據(jù)是否存在顯著性變化。將存在顯著變化及其前后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集合，對(duì)此部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布校驗(yàn)。

當(dāng)檢驗(yàn)后數(shù)據(jù)滿足整體反饋信息的正態(tài)分布需求時(shí)，使用ANOVA 工具，進(jìn)行反饋數(shù)據(jù)的分析，計(jì)算數(shù)據(jù)的平均算數(shù)值，判斷算數(shù)值是否存在顯著差異，輸出存在顯著差異的算數(shù)值集合，將其作為監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)[3]。當(dāng)校驗(yàn)后的數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布條件時(shí)，可以使用Kruskal-Wallis 方法，計(jì)算反饋數(shù)據(jù)的極差值、方差值、中位值等特征性數(shù)值的分布是否存在差異，當(dāng)存在差異時(shí)，輸出差異數(shù)值，將其作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高精準(zhǔn)優(yōu)勢(shì)，可在初步完成的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的輸出后，在所選的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)中，隨機(jī)進(jìn)行n 次數(shù)據(jù)的采樣，采樣后選擇m 個(gè)數(shù)據(jù)樣本，生成n 個(gè)待訓(xùn)練子集[4]。對(duì)n 進(jìn)行訓(xùn)練后得到n 個(gè)決策樹，對(duì)每個(gè)決策樹進(jìn)行分類處理，根據(jù)處理后信息的增益值，選擇訓(xùn)練結(jié)果中的最大值作為樣本特征值，對(duì)其進(jìn)行持續(xù)分裂處理。通過此種方式，可以得到樣本在訓(xùn)練過程中的特征情況，將具有相同特征的樣本數(shù)據(jù)劃分為一類數(shù)據(jù)，輸出a 個(gè)樣本特征子集，將其作為監(jiān)測(cè)中得到的異常運(yùn)行數(shù)據(jù)，以完成對(duì)電力系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)獲取與處理等操作。

1.2 基于頻響法繞組變形測(cè)試的短路故障在線診斷

完成對(duì)變壓器運(yùn)行情況的在線監(jiān)測(cè)后，引進(jìn)頻響法，對(duì)變壓器在運(yùn)行中的線路繞組情況進(jìn)行變形測(cè)試，根據(jù)變形測(cè)試結(jié)果，對(duì)其短路故障進(jìn)行在線診斷[5]。在此過程中，需要先確定變壓器三相繞組中某一側(cè)存在短路故障，在繞組的一端注入掃頻信號(hào)，在另一端對(duì)注入信號(hào)傳輸過程進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量的過程，可生成一個(gè)信號(hào)傳遞函數(shù)，函數(shù)表達(dá)式如下：

式中：C 為信號(hào)傳遞函數(shù)；s 為掃頻信號(hào)；K 表示為測(cè)量有效距離；τ為信號(hào)在傳輸過程中的振動(dòng)幅度。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果顯示繞組發(fā)生了形變后，可以將此時(shí)繞組的狀態(tài)量進(jìn)行離散化處理，定位繞組發(fā)生形變的相位點(diǎn)，以此種方式，掌握變壓器出現(xiàn)異?；蚨搪饭收系木唧w位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)中6 kV 變壓器短路故障的在線診斷。

1.3 基于故障決策結(jié)果的維修處理方法

在完成對(duì)6 kV 變壓器短路故障診斷與故障決策后，進(jìn)行電力變壓器故障原因的分析，經(jīng)過綜合決策與故障的系統(tǒng)化可知，電力系統(tǒng)中變壓器出現(xiàn)短路故障的主要原因包括低壓側(cè)出口保護(hù)裝置短路、氣室開關(guān)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的跳閘。由于后者產(chǎn)生的變壓器短路問題，可以采取自行更換的措施進(jìn)行故障處理，但在自行更換過程中要注意對(duì)變壓器生產(chǎn)供應(yīng)廠家型號(hào)進(jìn)行咨詢，確保更換后的構(gòu)件可以滿足電力系統(tǒng)可持續(xù)運(yùn)行需求。針對(duì)前者故障，可以采用低相位繞組替換的方式進(jìn)行故障排除。當(dāng)繞組出現(xiàn)變形問題后，可以采用固定繞組并對(duì)其進(jìn)行擰緊處理的方式，避免電路繞組由于松懈出現(xiàn)短路異常。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

為了證明設(shè)計(jì)的方法可以在實(shí)際應(yīng)用中起到優(yōu)化電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用，將以某電力系統(tǒng)故障實(shí)例作為研究對(duì)象，展開分析。

在2021 年10 月，某電力單位中，有效容量為4050 MV·A、6 kV 的三相電力變壓器其中380 V 一側(cè)出現(xiàn)開關(guān)跳閘現(xiàn)象，直接導(dǎo)致主變壓器出現(xiàn)跳閘。采用設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行6 kV 變壓器故障排查。先按照設(shè)計(jì)的方法，進(jìn)行變壓器運(yùn)行的在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)傳感器反饋的信號(hào)與信號(hào)傳導(dǎo)波形圖發(fā)現(xiàn)，變壓器一側(cè)三相線路出現(xiàn)短路故障。為了進(jìn)一步定位短路故障位置，確保對(duì)故障的有效處理與解決，引進(jìn)基于頻響法繞組變形測(cè)試法，按照設(shè)計(jì)的流程，對(duì)故障區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。此方法是用于檢測(cè)電力變壓器繞組是否發(fā)生形變的主要方法，通過對(duì)不同相位變壓器在運(yùn)行中繞組振動(dòng)幅度的分析，并通過相位橫向與縱向的比較，可以精準(zhǔn)掌握故障位置，以此為依據(jù)，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)中6 kV變壓器短路故障的在線診斷。

按照上文所述的方法，獲取6 kV 變壓器在運(yùn)行過程中的振幅（單位為dB）與振動(dòng)頻率（單位為Hz），將獲取的數(shù)據(jù)繪制成曲線，6 kV 變壓器短路故障繞組頻響測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。

根據(jù)圖2 所示的測(cè)試結(jié)果，可以精準(zhǔn)判定變壓器三相繞組存在的短路點(diǎn)。將所得數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)后發(fā)現(xiàn)三相繞組存在明顯的變形現(xiàn)象。在完成對(duì)故障現(xiàn)象的診斷后，參照1.3 所述的短路故障處理方法，進(jìn)行6 kV 變壓器短路故障處理與變壓器維修。經(jīng)過電力企業(yè)、變壓器生產(chǎn)廠家與省級(jí)電力公司等單位的共同決策，將此變壓器進(jìn)行返廠大修處理，并聯(lián)系廠家緊急調(diào)送一臺(tái)相同規(guī)模的電力變壓器，按照規(guī)范進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試。投入使用后，按照上述方法，進(jìn)行6 kV 變壓器繞組頻響測(cè)試，繪制如圖3 所示的故障處理后測(cè)試圖。

圖2 6 kV 變壓器短路故障繞組頻響測(cè)試結(jié)果

圖3 6 kV 變壓器短路故障處理后繞組頻響測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖3 所示的測(cè)試結(jié)果可以看出，6 kV 變壓器短路故障現(xiàn)象已完全被排除，三相繞組運(yùn)行穩(wěn)定，無變形現(xiàn)象，滿足電力企業(yè)輸電需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

從在線監(jiān)測(cè)與處理電力系統(tǒng)變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)、基于頻響法繞組變形測(cè)試的短路故障在線診斷、基于故障決策結(jié)果的維修處理方法3 個(gè)方面，對(duì)電力系統(tǒng)中6 kV 變壓器短路故障診斷與維修方法展開設(shè)計(jì)研究。完成設(shè)計(jì)后，以某電力系統(tǒng)故障實(shí)例作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明設(shè)計(jì)的故障診斷與維修方法，在實(shí)際應(yīng)用中，不僅可以起到短路故障的精準(zhǔn)排查作用，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的有效處理。希望通過此次的研究，為我國(guó)電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與建設(shè)提供技術(shù)層面的有效指導(dǎo)與幫助。