海上平臺(tái)電網(wǎng)組網(wǎng)變壓器智能化監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)方法

劉云飛

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

0 引 言

海上石油生產(chǎn)平臺(tái)隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大、大規(guī)模的油田開發(fā)和近年來孤島電力組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展而不斷得到發(fā)展，為增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行了大規(guī)模的電力組網(wǎng)，環(huán)氧樹脂澆注類型的干式變壓器以其優(yōu)越的性能和高性價(jià)比在海上組網(wǎng)變壓器行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。為了減少配電變壓器故障發(fā)生的概率和提高配變供電可靠性，本文通過對海上組網(wǎng)干式變壓器的運(yùn)維常見故障進(jìn)行分析，提出了基于數(shù)據(jù)在線監(jiān)測的智能診斷辦法。

1 組網(wǎng)變壓器的常見故障

1.1 溫升過高

干式配電變壓器長期高載運(yùn)行或通風(fēng)散熱不暢會(huì)導(dǎo)致變壓器本體溫度不斷上升。溫度過高則會(huì)造成絕緣老化，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣破損，引發(fā)故障。

1.2 三相電壓不平衡

造成配變?nèi)嚯妷翰黄胶獾脑蚩赡苁侨嘭?fù)荷分配不合理，從而造成三相電壓不平衡、相電流增大，最終導(dǎo)致變壓器繞組匝間短路。

1.3 長期超載引起的短路故障

造成此類故障的原因是隨著用電量迅速增加原有變壓器容量不足，造成變壓器過載運(yùn)行。由此產(chǎn)生過高的溫度會(huì)導(dǎo)致絕緣老化和破損，進(jìn)而發(fā)生繞組內(nèi)部短路故障。

1.4 絕緣老化導(dǎo)致的短路、接地故障

造成此類故障的原因是隨著變壓器設(shè)備的老化出現(xiàn)局部放電、接地電流增大等現(xiàn)象，且惡化的過程沒有人員干預(yù)，最終加速絕緣的破壞，進(jìn)而發(fā)生短路、接地故障。

2 組網(wǎng)變壓器的狀態(tài)監(jiān)測

目前海上組網(wǎng)變壓器在采辦時(shí)就已經(jīng)配有相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備，隨著智能化技術(shù)的發(fā)展也投用了一些在線監(jiān)測的設(shè)備在海上平臺(tái)試用，效果良好。

變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)[1]主要用于監(jiān)測變壓器的繞組溫度信號、超聲波局部放電信號、振動(dòng)信號、鐵芯接地電流和診斷變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)配備環(huán)境溫濕度監(jiān)測功能用于輔助分析變壓器的狀態(tài)，其具體功能如下：

①檢測變壓器繞組溫度；

②監(jiān)測變壓器整體的超聲局部放電情況；

③局放超聲強(qiáng)度達(dá)到1dB時(shí)能夠監(jiān)測到；

④局放監(jiān)測系統(tǒng)通過對超聲分析實(shí)現(xiàn)對變壓器局部放電的監(jiān)測，能夠排除外部其他頻率信號干擾，實(shí)現(xiàn)對變壓器局部放電的準(zhǔn)確分析；

⑤振動(dòng)監(jiān)測能夠自動(dòng)排除外部噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)對變壓器振動(dòng)異常的準(zhǔn)確分析。

2.1 變壓器的溫度監(jiān)測

干式變壓器在出廠時(shí)在一般會(huì)在高低壓三相繞組內(nèi)部預(yù)埋電阻，近幾年為追求變壓器溫度監(jiān)測的穩(wěn)定性，已經(jīng)通過每相繞組預(yù)埋測溫電阻來提高測溫的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。同時(shí)在變壓器外殼上會(huì)安裝溫控器，測量范圍為-30.0～240.0℃，分辨率0.1℃；溫控器利用預(yù)埋在干式變壓器繞組中的每相2支鉑熱電阻來檢測變壓器三相繞組的溫度變化，當(dāng)任一相繞組的2支Pt100同時(shí)達(dá)到溫度設(shè)定值時(shí)才能夠自動(dòng)啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)對繞組進(jìn)行風(fēng)冷降溫，當(dāng)溫度持續(xù)升高溫控器可輸出高溫報(bào)警或超溫跳閘信號，控制變壓器上下游斷路器分?jǐn)唷Ｈ羝渲幸恢怀霈F(xiàn)短路或斷路故障，則由另一只Pt100達(dá)到溫度設(shè)定值動(dòng)作，以保證變壓器運(yùn)行在安全狀態(tài)。

通過溫控器配合鉑熱電阻溫度監(jiān)測，并控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行來保證變壓器的運(yùn)行溫度；異常超高溫狀況下直接切斷斷路器上下口開關(guān)以保護(hù)變壓器設(shè)備本體。

2.2 變壓器的絕緣監(jiān)測

目前海上平臺(tái)主流的監(jiān)測方式是通過局部放電傳感器、鐵芯接地電流傳感器來監(jiān)測變壓器的絕緣 狀況。

干式變壓器繞組采用固體絕緣，一般采用抽真空澆筑的方式。一旦工藝處理不當(dāng)就會(huì)造成絕緣內(nèi)部存在缺陷(如氣泡等)，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生局部放電，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部絕緣狀態(tài)性能下降。在變壓器的夾件上安裝一個(gè)繞組絕緣狀態(tài)監(jiān)測傳感器或一個(gè)局部放電復(fù)合式傳感器即可實(shí)現(xiàn)對三相高低壓繞組絕緣狀態(tài)的監(jiān)測。局部放電復(fù)合式傳感器采用聲電一體化設(shè)計(jì)，由3組超聲、射頻傳感器組成，采用聚波結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的方向性，直接對應(yīng)干式變壓器三相繞組，與變壓器結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)，不影響變壓器絕緣性能。局部放電監(jiān)測單元通過聲電聯(lián)合的檢測方式可排除空間干擾信號，能夠檢測到故障早期的微弱放電信號，并通過幅值比較判斷出放電大致區(qū)域。

局部放電監(jiān)測對傳感器進(jìn)度要求較高，主要技術(shù)參數(shù)如下所示。

超聲波測量：①傳感器為非接觸式超聲傳感器；②測量范圍0～60dBuV；③測量精度±1dB；④傳感器中心頻率40kHz。

射頻測量：①傳感器RF天線；②測量范圍0～60dBmV；③測量精度±1dB；④檢測帶寬5～10MHz。

對地絕緣可以通過在鐵心接地片上安裝穿心傳感器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測接地電流信號，信號可以直接接入數(shù)據(jù)采集單元。

2.3 變壓器振動(dòng)監(jiān)測

振動(dòng)傳感器用于監(jiān)測頂面、正面振動(dòng)信號或底座振動(dòng)信號，通過安裝振動(dòng)加速度傳感器可以監(jiān)測變壓器運(yùn)行中的振動(dòng)情況。

2.4 變壓器電氣參數(shù)監(jiān)測

一般海上平臺(tái)的組網(wǎng)變壓器上下口開關(guān)柜均設(shè)置有多功能電表和繼電保護(hù)裝置，可以對變壓器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測量，包括電壓、電流、有功、無功、功率因素、頻率等信息，數(shù)據(jù)可通過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸給第三方監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行顯示和分析。

2.5 變壓器智能化軟件監(jiān)控平臺(tái)的接口設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接口協(xié)議：Modbus TCP。

局放數(shù)據(jù)：①放電幅值，帶時(shí)標(biāo)，5min上傳1次；②放電時(shí)域波形，5min 上傳1次；③局放告警及初步設(shè)備診斷結(jié)果，帶時(shí)標(biāo)，觸發(fā)后上傳。

振動(dòng)數(shù)據(jù)：①振動(dòng)加速度，帶時(shí)標(biāo)，常規(guī)5min上傳1次，并且告警觸發(fā)隨時(shí)上傳；②振動(dòng)告警及診斷結(jié)果，帶時(shí)標(biāo)，觸發(fā)后上傳。

鐵芯接地電流監(jiān)測：帶時(shí)標(biāo)，1s上傳1次。

溫度數(shù)據(jù)：帶時(shí)標(biāo)，1s上傳1次。

3 組網(wǎng)變壓器的智能化診斷與評估方法

考慮到海上平臺(tái)環(huán)境因素對變壓器造成的影響，故研究了基于多種特征量綜合診斷模型，通過將局部放電信號、繞組溫度、鐵芯接地電流等作為綜合特征量，并應(yīng)用信息融合方法對變壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合診斷與評估。

3.1 基于局部放電信號的變壓器故障診斷

變壓器故障診斷以變壓器運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以診斷算法為核心，實(shí)時(shí)判斷變壓器的故障狀態(tài)。主要通過分析局部放電信息來實(shí)現(xiàn)，通過在線監(jiān)測變壓器局部放電相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行故障診斷[2]，并判斷變壓器是否存在異常放電。故障診斷由特征量提取和放電類型識別2部分組成，主要以PRPD圖譜和PRPS圖譜為基礎(chǔ)。

3.1.1 放電波形

局部放電的放電波形主要是展示放電的峰值、放電次數(shù)和放電均值，從而獲取相應(yīng)的信息進(jìn)行特征量提取，以方便進(jìn)行后續(xù)的放電類型識別。

3.1.2 PRPD圖譜和PRPS圖譜

該部分功能主要是展示捕捉到的局部放電的PRPD圖譜和PRPS圖譜。在變壓器局部放電的診斷過程中，由于采集的波形數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量非常大，故直接對波形進(jìn)行分析難度非常高。在實(shí)際的局放波形圖譜分析過程中需總結(jié)局部放電特征量并進(jìn)行提取分析，以達(dá)到局部放電故障定位的目的。

3.1.3 特征量提取

主要是基于PRPD 模式的特征參數(shù)，PRPD是把每個(gè)帶有相位標(biāo)識的局部放電脈沖波形按照相位顯示，屬于一段時(shí)間局部放電量的疊加，通過對疊加的所有脈沖波形提取特征量分析，可基于特征量建立自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析算法判斷局部放電的大小、放電位置、原因等信息。

①局部放電圖譜偏移度：是局部放電量統(tǒng)計(jì)之后半個(gè)周波內(nèi)局部放電圖譜產(chǎn)生的偏移度，其運(yùn)算結(jié)果的正負(fù)代表偏移的左右。

②局部放電圖譜順滑度：是表示PRPD圖譜曲線是否順滑平坦的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其運(yùn)算的正負(fù)值表示PRPD圖譜的走向是否平滑，利用此特征量可以更好地建立診斷局部放電譜圖模型。

③互相關(guān)系數(shù)：表示局部放電PRPD波形的正負(fù)半周的相關(guān)性，獲取此特征量能夠更好地完善局部放電模型。

④放電差異數(shù)：表示PRPD波形的正負(fù)半周的放電差異。

⑤放電峰值：即為PRPD圖譜中1個(gè)周波內(nèi)部最大的放電量，表征局部放電幅值的波動(dòng)，是局部放電分析模型的重要指標(biāo)。

⑥局部放電相位：描述設(shè)備局部放電信號的電氣特征量，能夠體現(xiàn)局部放電的特性。

⑦分析模型：通過①～⑥項(xiàng)特征量提取，可基于此建立局部放電模型。

3.1.4 故障診斷

變壓器局部放電的原因主要為正常、針尖放電、沿面放電、氣隙放電等，通過特征量提取建模，長期數(shù)據(jù)模型的自學(xué)習(xí)可判斷局部放電的類型和發(fā)生位置，以便運(yùn)維人員及時(shí)、有針對地維修設(shè)備。

3.2 基于變壓器溫度、振動(dòng)的故障判斷

通過數(shù)據(jù)采集得到的繞組熱點(diǎn)溫度、變壓器振動(dòng)作為變壓器狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)，最終溫度數(shù)據(jù)采用閾值法進(jìn)行故障預(yù)警。

3.3 基于鐵芯接地電流及電參量的故障判斷

鐵芯接地電流和電參量故障判斷均可以基于閾值法進(jìn)行診斷，根據(jù)設(shè)計(jì)院計(jì)算相關(guān)參數(shù)限定值和廠家推薦設(shè)備設(shè)定值進(jìn)行閾值法診斷，以便對超出閾值的情況進(jìn)行預(yù)警和提醒海上運(yùn)維人員進(jìn)行檢修安排。

3.4 診斷評估軟件功能設(shè)計(jì)

3.4.1 數(shù)據(jù)采集功能

系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集變壓器振動(dòng)數(shù)據(jù)信息、鐵芯接地電流數(shù)據(jù)信息、繞組及鐵芯溫度數(shù)據(jù)信息、環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)信息、局部放電數(shù)據(jù)信息。

3.4.2 數(shù)據(jù)處理功能

系統(tǒng)能夠?qū)ψ儔浩髡駝?dòng)數(shù)據(jù)信息[3]、鐵芯接地電流數(shù)據(jù)信息、繞組及鐵芯溫度數(shù)據(jù)信息、環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并能夠設(shè)置報(bào)警越限值進(jìn)行報(bào)警。

3.4.3 歷史數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)保存周期不小于10min的情況下，可連續(xù)保存數(shù)據(jù)的時(shí)間不小于6個(gè)月。

3.4.4 趨勢曲線

能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線功能，方便操作人

員直觀觀看。

3.4.5 事件追憶

系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)能記錄故障時(shí)的相關(guān)信息，并出具相應(yīng)的報(bào)表。

3.4.6 防誤判功能

系統(tǒng)應(yīng)對常見的干擾事件具備防止誤判功能。

3.4.7 數(shù)據(jù)通信接口

RS485、RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，光纖傳輸，并且需支持時(shí)域波形錄波數(shù)據(jù)文件傳輸至電氣設(shè)備智能化管理系統(tǒng)。

支持IEC61850、Modbus、Modbus TCP/IP協(xié)議。

4 結(jié) 語

本文針對目前應(yīng)用的狀態(tài)監(jiān)測手段和后續(xù)的智能化診斷分析方法進(jìn)行了總結(jié)和分析，發(fā)現(xiàn)對組網(wǎng)變壓器安全管控技術(shù)的挖掘是海上電網(wǎng)持續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障，此方法可幫助海上運(yùn)維人員更好地建設(shè)組網(wǎng)變壓器的評估指標(biāo)體系、對電網(wǎng)的運(yùn)行策略采取規(guī)劃和變壓器的維修保養(yǎng)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，可減少因組網(wǎng)變壓器故障導(dǎo)致的電網(wǎng)故障，進(jìn)而為海上石油平臺(tái)安全生產(chǎn)提供可靠保障?！?/p>