基于漏油實驗的配電變壓器可靠性評估方法

郭國偉，劉獻(xiàn)，林棣偉

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，佛山 528000）

引言

配電變壓器作為配電網(wǎng)中的重要電氣設(shè)備，在電能傳輸、電能分配、電能轉(zhuǎn)化等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。由于配變應(yīng)用場景眾多，一旦出現(xiàn)故障將影響配電網(wǎng)的可靠運行，為降低故障檢修成本，配電變壓器的故障評估具有重要意義[1-5]。

目前在投配電變壓器的主要類型為油浸式變壓器，油浸式變壓器漏油故障是其常見故障，變壓器漏油會導(dǎo)致絕緣下降、變壓器發(fā)熱、甚至損壞，危害配電網(wǎng)安全可靠性，準(zhǔn)確評估配電變壓器漏油狀態(tài)，及時運維避免設(shè)備故障，是供電企業(yè)重要的工作之一[6-8]。

對于配電變壓器是否出現(xiàn)漏油故障，現(xiàn)有采用的工程手段是通過人工定期巡檢，以目測的方式進(jìn)行檢測，但效率低下且無法提前發(fā)現(xiàn)和防范漏油故障。而在理論研究上，文獻(xiàn)[9]選用了三角形和梯形結(jié)合的方式對變壓器故障進(jìn)行診斷，并建立電力變壓器狀態(tài)評價模型同時生成評價表，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的分析方法，實現(xiàn)電力變壓器故障的解決方案，但對漏油故障評估針對性不強。文獻(xiàn)[10]兩起變壓器呼吸器異常情況，介紹了呼吸器漏油現(xiàn)象,并對變壓器呼吸器漏油的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，但未提及變壓器漏油故障評估方法。

針對上述問題，本文基于自主設(shè)計的配電變壓器漏油檢測實驗，在充分分析和擬合實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建變壓器油位變化、油箱內(nèi)部壓強與溫度的關(guān)系，通過該映射關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)場采樣數(shù)據(jù)建立配電變壓器的可靠性評估模型?，F(xiàn)場的驗證實驗數(shù)據(jù)表明，評估模型能有效反映實驗數(shù)據(jù)間的內(nèi)在規(guī)律，對以后配變漏油故障的可靠性評估具有一定參考意義。

1 配變可靠性評估模型

配電變壓器的可靠性評估直接關(guān)系到設(shè)備的運行安全性、經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性。常見的可靠性評估指標(biāo)有運行時間、故障時間、故障次數(shù)、故障率、維修時間、維修次數(shù)、維修率等，大多與設(shè)備的故障問題有關(guān)，因此配變的可靠性評估與其故障評估緊密相連，若能降低設(shè)備其故障發(fā)生率也將顯著提高配電變壓器的運行可靠性。漏油故障作為最常見的故障，本文即以漏油故障的評估來表征配電變壓器的可靠性大小。

1.1 漏油實驗設(shè)計

造成配電變壓器漏油的主要原因是絕緣老化、電氣擊穿、環(huán)境惡劣等因素，這些因素電網(wǎng)長期運行下來難以避免。漏油故障的發(fā)生將導(dǎo)致變壓器絕緣性能下降，增加電擊風(fēng)險，同時漏油會干擾運維人員對變壓器儲油柜內(nèi)密封狀況和油位計指示的監(jiān)視和判斷。為檢測變壓器是否發(fā)生漏油，本文自主設(shè)計了漏油檢測實驗，設(shè)計思路如圖1 所示，先記錄配變正常運行的油壓、油位、油位在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后研究油壓與油溫、油壓與油位的內(nèi)在映射關(guān)系，再通過人為放油來模擬漏油的情況，以此來分析配電變壓器漏油后的油壓與油溫、油壓與油位關(guān)系是否符合規(guī)律。

圖1 漏油實驗設(shè)計思路

根據(jù)上述實驗設(shè)計思路，本文自主設(shè)計漏油實驗方案來實現(xiàn)配變漏油的監(jiān)測和評估，如圖2 所示。

圖2 漏油實驗方案示意圖

具體實驗流程為：

1）變壓器運行后，記錄油壓、油溫、油壓的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)；

2）根據(jù)數(shù)學(xué)擬合方法對油壓和油溫及油壓和油位的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合；

3）在油壓過大時，壓力釋放閥泄壓后，由于氣體含量減少，重新對油壓和油溫及油壓和油位的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，需要注意的是每次壓力釋放閥泄壓后都需要重新記錄數(shù)據(jù)、擬合數(shù)據(jù)。

4）放油模擬漏油場景，記錄油壓、油溫、油壓的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，將油壓、油溫、油壓數(shù)據(jù)代入到2）中的油壓和油溫及油壓和油位的擬合關(guān)系中，判斷數(shù)據(jù)是否符合擬合的數(shù)學(xué)關(guān)系。

1.2 漏油評估模型構(gòu)建

基于上述實驗數(shù)據(jù)和結(jié)論，本文采用使用溫度，壓力，油位狀態(tài)三者數(shù)據(jù)建立模型，利用溫度，壓力，油位狀態(tài)三者之間的映射關(guān)系，建立得到評估漏油情況的模型。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，獲取合格配電變壓器合理參數(shù)范圍。通過測試可知，合格變壓器的絕緣油位置和油箱內(nèi)部壓力關(guān)系很大，而壓力值則在變壓器使用過程中，隨著變壓器的絕緣油溫度變化而變化，并且能形成規(guī)律。經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合成壓力和溫度的關(guān)系公式。

在測試的過程中，變壓器絕緣油位緩慢下降，通過數(shù)據(jù)觀察可知，在發(fā)生變壓器漏油故障時，由于變壓器存在密封性的缺陷，導(dǎo)致漏油的發(fā)生，而無論溫度怎么變化，變壓器內(nèi)部和外部氣壓最終都會趨向于相等，甚至偏低，由此也可以判斷變壓器的密閉性能。智能油位計連續(xù)測量距離為30 mm，當(dāng)絕緣油下降25 mm 后，絕緣測試模塊發(fā)生報警，結(jié)合溫度和壓力的數(shù)據(jù)變化，可以確定變壓器發(fā)生漏油故障。

結(jié)合實際理論分析，定義101 kPa 為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，結(jié)合實測數(shù)據(jù)以及理論分析，變壓器每次變化10 ℃，壓力需變化1 個大氣壓為合理范圍。

2 配變可靠性評估方法

通過設(shè)計的漏油實驗所測數(shù)據(jù)以及后續(xù)構(gòu)建的漏油評估模型，通過測量變壓器的絕緣油溫度、變壓器的箱體內(nèi)部壓強數(shù)據(jù)，以及當(dāng)前絕緣油油面下降距離（精度1 mm），將數(shù)據(jù)存儲至后臺計算機內(nèi)。存儲測得變壓器的絕緣油溫度、變壓器的箱體內(nèi)部壓強歷史數(shù)據(jù)，每10 min 存儲一次，累計存儲100 條。油壓和油溫、油壓和油位的數(shù)學(xué)關(guān)系需進(jìn)行擬合處理，將數(shù)據(jù)散點擬合為各參數(shù)數(shù)據(jù)的變化曲線。絕緣油液面的油位可通過智能油位計實時監(jiān)測，若無下降則定義為0，其余數(shù)據(jù)則定義為下降距離；如果絕緣油無下降狀態(tài)，則繼續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并重新存儲數(shù)據(jù)。若監(jiān)測到絕緣油油面有出現(xiàn)下降，那么將當(dāng)前測得變壓器的箱體內(nèi)部壓強、絕緣油溫度數(shù)據(jù)代入到油壓和油溫的數(shù)學(xué)擬合公式中，判斷數(shù)據(jù)是否符合擬合規(guī)律，如果不符合，說明存在漏油故障，并啟動漏油告警；如果符合，說明存在假漏油現(xiàn)象，為壓強變化導(dǎo)致出現(xiàn)油位下降情況，需要進(jìn)一步評估是否真實漏油，則將當(dāng)前測得變壓器的箱體內(nèi)部壓強、油液位數(shù)據(jù)代入到油壓和油位的數(shù)學(xué)擬合公式中，則對擬合規(guī)律進(jìn)行判定。如果不符合，則再進(jìn)行判斷油位是否下降20 mm，如果下降則確認(rèn)為漏油故障，同時啟動漏油告警；如果符合，則判定為假漏油現(xiàn)象，并繼續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

經(jīng)上述漏油故障的判斷之后，系統(tǒng)同時需要對絕緣油模塊報警啟動進(jìn)行監(jiān)測，如果啟動，則當(dāng)絕緣油油位下降距離不滿足實驗測試數(shù)據(jù)規(guī)律、油位已經(jīng)下降20 mm 以上并且絕緣性能監(jiān)測模塊發(fā)生報警，三個狀態(tài)同時發(fā)生，那么判定變壓器漏油嚴(yán)重，啟動保護(hù)。如果沒有啟動，則重新繼續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，具體的評估方法流程圖如圖3 所示。

圖3 漏油評估方法流程圖

3 應(yīng)用算例

基于上述漏油故障模型，本文以實例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析采集，在實驗環(huán)境以及現(xiàn)場環(huán)境下進(jìn)行配電變電器的可靠性評估。實驗設(shè)備如圖4~6 所示，將絕緣油老化傳感器安裝于油位計下部分，并將傳感器的接線通過油位計本體引出，連接到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖4 普通油位計示意圖

圖5 l 漏油實驗設(shè)備示意圖

圖6 漏油實驗設(shè)備接線示意圖

通過上述實驗儀器，進(jìn)行漏油實驗的數(shù)據(jù)采樣與檢測，具體環(huán)境如圖7 所示。

圖7 實驗環(huán)境

在廣西百合地區(qū)選取一臺用戶的在油浸式配電變壓器，該配變可在線監(jiān)測油溫、油壓、油位等油狀態(tài)數(shù)據(jù)，所選配變?nèi)鐖D8 所示。

圖8 廣西百合地區(qū)油浸式配變現(xiàn)場圖

為驗證上文所提的漏油評估方法中油壓與油溫、油壓與油位的數(shù)學(xué)擬合模型的有效性，對上表數(shù)據(jù)分析油壓與油溫的分布規(guī)律、油壓與油位的分布規(guī)律是否服從數(shù)學(xué)擬合模型的分布規(guī)律，為直觀展示驗證結(jié)果，將上表數(shù)據(jù)分析油壓與油溫、油壓與油位的數(shù)據(jù)繪制散點圖，數(shù)學(xué)擬合模型繪制成擬合曲線，觀察散點圖與擬合曲線的分布，如圖9 所示。

圖9 監(jiān)測數(shù)據(jù)散點與擬合曲線的分布

從圖9 可見，配變正常運行時油壓與油溫、油壓與油位的數(shù)據(jù)基本符合上文實驗得到的兩個數(shù)學(xué)擬合模型，從該實例分析可知，從實驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)的油壓與油溫、油壓與油位的數(shù)學(xué)擬合模型有效，可適用配變的漏油分析。

4 結(jié)語

隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，變壓器漏油故障的準(zhǔn)確評估對配電網(wǎng)安全運行具有重要意義。本文依托自主設(shè)計的配電變壓器漏油實驗，在充分分析和擬合實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了變壓器油位變化、油箱內(nèi)部壓強與溫度的關(guān)系，提出了配電變壓器漏油故障評估流程，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證了可靠性評估方法的有效性，有助于及時發(fā)現(xiàn)配電變壓器漏油故障，提高設(shè)備運行可靠性。