220 kV变压器智能化改造

2011-06-13张鹏，张川，崔潇，于强，胡东

山东电力技术 2011年4期

张鹏，张川，崔潇，于强，胡东

（1.山东青岛供电公司，山东青岛 266061；2.山东济宁学院，山东曲阜 273100）

0 引言

山东青岛供电公司220 kV午山变电站于2009年被国家电网公司列为第一批智能化改造试点变电站。系统结构和网络拓扑总体上保持不变，采用扩充、添加的模式进行改造。在保证变压器系统原有性能不降低输出容量、供电能力的情况下，强化变压器的智能化特征，实现变电站信息数字化。实现变压器设备的检测灵活和自动控制方案，能够通过信息网络进行管理，满足变压器设备信息采集、传输、处理，输出过程数字化。实现变压器检测平台网络化，实现信息共享标准化，通过统一标准、统一改造建设规模来实现变压器设备内外的信息互补、互交和信息共享，实现更高级应用互动化。

1 变压器智能化改造项目及设备

1.1 变压器油色谱、微水在线监测分析系统

变压器油色谱、微水在线监测分析系统是智能化变压器的基本监测单元，该智能组件采用多组份色谱分析原理，采用负压动态顶空脱气技术和高灵敏的纳米晶半导体气体检测器，实现对变压器油中溶解气体的检测。此外还采用了高精度、高稳定性的温度传感器，实现对变压器油中微水的在线监测。多组份色谱分析原理技术是油色谱技术的一种延伸和应用。它对油中溶解气体氢气（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、二氧化碳（CO2）等气体及总烃进行监测。典型分析系统由油循环系统、油气分离系统、混合气体分离系统、气体检测、数据处理与故障诊断组成。系统技术特点：1）通过油样分析能够实时监测变压器内部运行状态信息。2）具有完善上位机通信，检测数据可纳入上一级自动控制系统和综合信息管理系统。3）分析响应速度快。4）集油样采集、多组份分析、信息传输等功能于一体，在一定程度上消除了在采样过程中引起的误差。5）结构紧凑、易安装、维护、运行便利。

变压器内部产生不同气体是伴随不同故障产生，选取哪几种油中溶解气体进行分析，对准确有效分析诊断变压器故障类型、能量及发展趋势及其关键，该监测系统为5种气体为基础的多组份监测。主要监测的气体为CO、CO2、H2、C2H2、CH4等。从变压器结构来看，绝缘材料主要是绝缘油、绝缘纸、木材、复合材料，它们随变压器运行时间增长，除自身老化，还受不同程度电磁、酸碱作用加速老化、劣化，同时绝缘纸、木材主要成分纤维素在高温下热分解产物是CO、CO2、水和焦炭，容易产生劣化和分解，所以采用多组份5种气体在线监测可使变压器得到有效的运行监测。

图1变压器油色谱、微水在线监测分析原理图，主要技术指标表1所示。

图1 变压器油色谱、微水在线监测分析原理

表1 主要技术指标

1.2 多组份在线油色谱分析与故障诊断

根据所检测多组分浓度分析判断变压器运行状况，当所检测多组份浓度或多组分浓度的增长率未达到预设定的注意值，可评估变压器运行状态为正常运行情况，通过过程层网络向主控制平台报告一次自评估结果。当所检测多组份浓度或多组分浓度的增长率超过预设定的注意值，可评估变压器运行状态为异常运行情况。根据GB/T7252（IEC60599）中改良三比值、大卫三角形法、立方体图示法等方法来分析变压器的数据。根据IECEStdC57.104——2008对变压器故障风险进行界定，判断故障类型及严重等级，并通过过程层网络向主控制平台随时报告自评估结果，随时判定变压器是否进行状态检修和解体大修。

1.3 变压器有载调压开关在线净油装置应用

有载调压开关在线净油装置是专为有载调压变压器设计的有载调压开关在线净油系统。电力行业中，大型变压器广泛安装有载调压开关，对保证电力系统和用户电压质量起到重要作用。但由于有载调压开关频繁的带负荷电流切换，产生的电弧会导致开关中油裂解，产生游离碳、水份、氧化物等，油质的劣化降低了油的绝缘强度，限制了有载调压开关切换次数和使用寿命，甚至危及变压器安全运行。

有载调压开关在线净油装置的安装应用，避免了开关室内变压器油出现以上危害，主要用于变压器有载调压开关的旁路循环过滤，与变压器有载调压开关配套使用，能够在变压器正常运行情况下，有效地除去有载调压开关内变压器油中的游离碳、金属微粒、氧化物等杂物，并可降低微量水份，提高变压器油的击穿电压和使用寿命。可使变压器油清洁度达NAS3-4级。提高有载调压开关使用寿命，也有效提高有载调压开关工作的安全性和可靠性，符合DL/7574-95《有载分接开关运行维护导则》规定的安全技术要求。装置在自动、手动、定时启动三种运行方式下转换运行，工作时间可自由设定，并可自行记录、显示运行参数。具有可靠的滤芯失效报警传感系统，并在滤芯失效后自行关闭工作系统并报警维护，箱体内装有恒温自动控制，保证该装置能够在多种环境下正常工作，实现了全天候无人监控自动工作。

1.4 变压器智能油泵、风机系统变频技术应用

变压器智能油泵、风机变频技术主要是针对大型强油风冷变压器设计，它将变压器冷却系统中油泵、风机工频状态模式改为变频状态模式，实现节能降噪和智能控制，满足室内外变压器运行工作环境，可靠性高，运行操作方便。主要工作特点：为实现高负荷时降温优先、低负荷时节能降噪优先，根据油温变化实现均衡冷却，减少温度波动，提高变压器绝缘使用寿命。根据运行参数（油温、负荷、绕组温度、环境温度）选择最佳运行状态模式，实现智能调节、实现实时通信、传输状态信息，接收控制指令指导运行状态。以自动、远控、就地三种运行方式互锁，可满足各种条件下运行状态需求，在通讯故障或主控制断电等特殊情况发生时自动转成就地运行状态模式。

图2为变压器智能油泵、风机系统变频技术控制框架图。

图2 控制系统框图

1.5 变压器套管绝缘、铁芯、夹件接地电流在线监测系统应用

套管是变压器重要部件之一，根据变压器故障数据统计，套管故障占变压器故障的比例高达14%。因此在线监测变压器高压、中压套管的绝缘状态，对变压器安全运行有重要意义。变压器套管绝缘在线监测的智能组件主要有电压监测单元、容性设备监测单元、环境监测单元及嵌入式数字处理单元。通过在线监测高压、中压套管的介质损耗、末屏电流、等值电容量等各项数据，并根据同类设备的横向比较，同一设备的纵向比较来监测数据，确定套管的运行状态，判断出套管是否在健康运行状态。采用锁相技术自动跟踪电网频率，解决频谱运行分析中的频谱泄漏问题，全数字化交流同步采样，采用无线电流传感器，实现信号的无线传输，图3为结构示意图。

图3 变压器套管绝缘监测电流传感器示意图

变压器铁芯、夹件接地电流在线监测系统主要采集变压器铁芯、夹件接地电流情况信息，通过铁芯、夹件接地电流在线监测发现变压器箱体内的异物、内部绝缘降低、绝缘受潮情况，或损伤、油箱沉积油泥、铁芯、夹件存在多点接地电流等故障。及早发现变压器潜伏性故障的发生、发展情况，并发出预警报告，提前判断故障情况，避免事故扩大和继续发展。监测系统是利用高灵敏度电流传感器，不失真地采集变压器铁芯、夹件接地的泄漏电流信号，通过对泄流电流信号的运算和处理，剔除杂波干扰信号，得到实际接地泄漏电流信息，最终利用专家分析系统来分析、判断、预测铁芯、夹件绝缘的健康状况。

1.6 变压器套管电子式互感器应用

电子式互感器是基于光学和电子学原理上设计发展形成的一种超高压条件下电压、电流的测量设备，分别称为EVT和ECT。EVT采用电阻分压器、电容分压器或光学装置作为一次转换部件。ECT采用霍尔传感器、罗式线圈或光学装置作为一次转换部件。电子式互感器利用光纤作为一次转换器和二次转换器之间的传输系统，并装有电子器件作为测量信号的传输和放大，具有模拟量电压输出或数字量输出。

根据应用原理不同，电子式互感器可分为无源式和有源式两类。无源式电子互感器是指高压侧传感部分不需要供电电源的电子式互感器。无源式电子式互感器的优点是在一次传感部分不需要复杂的供电装置，整个系统的线性度比较好，缺点是传感部分有复杂而不稳定的光学系统，容易受到多种环境因素的影响，影响了其实用化的进程。有源式电子式互感器是指传感部分需要供电电源的电子式互感器，有源式电子式互感器一次传感部分依赖于供电装置，但其工作原理较为简单，不需要设计复杂的光学系统。

与传统电磁式互感器相比，电子式互感器具有以下优点：

1）绝缘性能优良、造价低。绝缘结构简单，随着电压等级升高，其造价优势愈加明显。

2）电子式互感器结构中不含铁芯结构，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。

3）电子式互感器在低压侧输出弱电信号时，不存在在传统互感器工作中低压侧会产生触电的危险。

4）频率响应范围宽，电子式电流互感器已证实可测出高压电力线上的谐波，还可进行暂态电流、高频大电流与直流电流的测量。

5）电子式互感器没有因传统互感器充油而产生的易燃、易爆等危险。

6）可与自动控制系统实现数字化连接，实现多功能、智能化的要求，适应了现代电网的发展要求。

图4为变压器套管电子式互感器结构图。

图4 变压器套管电子式互感器结构

1.7 智能机器人巡检系统

变压器设备智能巡检机器人系统，是集机电一体化技术、多传感器技术、电磁兼容技术、导航及行为规划技术、机器人视觉技术、安防技术、稳定的无线传输技术于一体的复杂系统。变压器设备智能巡检机器人系统采用分层式控制结构，分为基站控制系统层和移动站系统层。

变压器智能巡检机器人主要应用于室外变压器等设备，可以携带红外热像仪、可见光CCD等有关的检测设备，以自主和遥控的方式，对室外变压器、高压设备进行巡测，发现变压器设备内部热缺陷、外部机械损伤或电气放电、击穿问题。可以部分代替巡视人员在合适的时间进行特殊变压器设备检查工作，并且能生成报表。还可以在巡视人员不便于夜间巡视时间或恶劣天气下，不需要巡视人员参与下按照固定的线路进行变压器设备巡检。

变压器智能巡检机器人本体（移动站层）的功能：1）接受并执行基站下发的自动规划任务；2）接受并执行基站下发的遥控指令；3）按照预先设定好的巡视线路，自动完成巡视检查任务；4）自动定位在预设点自动采集可见光图像和红外图像并上传；5）完成巡视任务后自动进行充电；6）遇到障碍物时自动停车，并进行报警；7）上传智能机器人运行速度、位置和电源信息；8）遇到特殊异常情况可自身安全防护报警。

图5为智能机器人示意图。