基于PI数据库的变压器绕组绝缘分析系统

来 骏，祁爱玲，李月青

（湖州电力局，浙江 湖州 313000）

0 引言

变压器绕组的热点温度是造成绝缘老化的主要原因，直接影响变压器的运行状态和使用寿命。一般认为变压器的绝缘运行寿命应遵循六度法则，即热点温度为98℃是绕组损耗的正常绝缘寿命，当超过或达不到98℃时，每上升或降低6℃，变压器的绝缘老化程度增加或降低一倍[1]。对大型电力变压器来说，可以通过绕组温度计和在线色谱检测装置来实时监测变压器内部的绝缘状况。但对于为数众多的中小型变压器而言，供电企业各生产部门只能通过为数不多的定期试验来判断变压器内部的绝缘状况。为使变压器设备的运行维护、检修及更换工作更具有科学性，亟待引入一个能实时监测变压器绕组热点温度、定期评价绝缘老化的工具和手段。

PI数据库的引入给上述问题的解决创造了条件。在满足数据安全性的前提下，PI数据库为用户提供多种数据处理工具和良好的二次开发环境，可以定制开发生产急需的各种应用软件。本文提出的变压器绕组绝缘分析系统正是在PI数据库软件基础上二次开发完成的。该系统运用间接计算法[2]对变压器绕组的热点温度进行实时监测，对绕组的绝缘老化情况进行定期评估，及时发现并提示绝缘老化严重的变压器。

1 变压器绕组的负载绝缘特性

目前，热点温度的测量方法大致可分为直接测量法、热模拟测量法和间接计算法3种。其中,间接计算法是根据假设的变压器热模型结合实际来估算热点温度，这是目前变压器热点估算的经典算法，比广泛使用于绕组温度计的热模拟测量法具有更高的精度[2]。

1.1 绕组热点温度

国家标准GB/T 15164-94《油浸式电力变压器负载导则》和国际电工标准IEC 354描述了变压器内部温升的分布情况以及各种类型变压器的负载、热点温度、绕组绝缘的特性。根据国家标准GB 1094.2-1996《电力变压器第2部分 温升》以及IEC 354的相关规定，可以将油浸式电力变压器的内部温升分布图进行简化，如图1所示。

图1 电力变压器内部温升简化图

油浸式电力变压器在稳态情况下的热点温度计算方法根据变压器的冷却方式不同而不同。

（1）对于自然油循环（ON）冷却的变压器，任何负载下的最热点温度等于环境温度、顶层油温升和热点与顶层油之间的温度差的总和。

（2）强迫油循环/强迫油循环导向（OF/OD）冷却的变压器，在任一负载下的最终热点温度等于环境温度、底层油温升、绕组的顶部油温升与底层油温升之差、以及绕组热点温度与顶部油温之差的总和。

式中：θh为热点温度；θa为环境温度；K为负载系数。

油浸式电力变压器的以上主要参数可从变压器的出厂试验报告中得到，IEC 354中也给出了典型的负载热特性数据，如表1所示。

在没有精确的环境温度的情况下，可采用每月的日平均温度用正弦曲线的方法进行拟合，得出一天中各个时刻的温度。

表1 负载热特性数据实例

式中：θav是每月的日平均温度，根据气象局公布的历史数据拟合得出；A是日环境温度的变化幅值，是根据晴、雨等多种天气情况设置的经验值；TX是一天中最热一小时的时序数，设置为14点；T是待求时刻的时序数。

1.2 绕组绝缘老化率

IEC 354中提出了考虑具有工程实际意义的相对老化率定律，即蒙辛格热老化规则（六度法则）。对于按GB 1094设计的变压器，在额定负载和正常环境温度下，规定热点温度的常用基准为98℃，在此温度下的相对老化率等于1。实际温度为80～140℃时，热点温度每增加或降低6℃，老化率增加或降低1倍，从而使变压器的累计运行寿命也随之缩短或延长一倍。

式中：V为相对绝缘老化率。

2 系统功能与应用简介

PI ProcessBook允许用户通过图形化的控件将需要监测的变压器信息统一到一个或几个监控画面中，而PI DataLink则为用户提供方便地检索历史数据的方法。本系统利用ProcessBook和DataLink，将IEC 354中定义的数学模型应用到实际生产中，以实现变压器绕组绝缘性能分析的各项功能。

2.1 系统功能简介

2.1.1 热点温度实时监测

利用ProcessBook工具软件完成了热点温度实时监测功能，具体包括：

（1）热点温度实时显示和告警。通过变压器负荷的实时值计算得出热点温度值，并显示在监测画面中。当热点温度超过设定的限值时，系统将发出警笛声并弹出越限告警窗口。

（2）环境温度拟合。系统通过选择天气情况拟合当前环境温度进行实时显示，同时允许对环境温度进行人工修正，使其更为精确。

（3）告警信息记录和日最高热点温度记录。

2.1.2 绕组绝缘老化率评估

利用DataLink完成了绕组绝缘老化率评估功能，具体包括：

（1）时间选取。通过选定起始时刻和终结时刻，自动获取变压器负载历史数据的均值，用于计算和评估。

（2）绝缘老化率评估。通过计算得出的热点温度来计算绝缘老化率。当热点温度在80℃～140℃时，相对老化率按照六度法进行计算，当热点温度不超过80℃时，相对老化率取80℃情况下的老化率。当某一时段内绝缘老化率低于50%时判定绝缘状况为优秀，老化率在50%～80%判定绝缘状况为良好，高于80%则需要引起注意。

2.2 应用效果

本系统应用于湖州电力局变电工区，可将管辖范围内主要变电站的变压器列入同一画面集中监测。通过对比多台变压器的绕组温度计读数，发现系统计算得出的热点温度与绕组温度计读数的变化趋势能较好地同步，进而证明系统引入方法的可用性。下面以500kV含山变电站2号主变压器为例，说明系统的计算效果。

500kV含山变电站的2号主变压器为强油风冷型变压器，配置了德国MESSKO公司生产的MT-STW160型绕组温度计，通过热模拟法来反映变压器绕组最热部分的温度。表2记录的是2010年8月某些时间点上采用本系统测算出的热点温度值和现场绕组温度计抄录值，系统测算的热点温度值与绕组温度记录值的变化趋势基本相同。假设绕组温度计测量是精确的，那么可以认为通过系统引入的间接计算法能较为准确地监测绕组的热点温度。同时，通过系统对该时期绕组绝缘老化率进行计算和评估，结果为优秀。

表2 温度数据对比

3 结论

本文所述的变压器绕组绝缘分析系统是在研究分析供电企业实际需求和变压器负载、绝缘特性的基础上提出的，是深入挖掘PI数据库在变电设备监测中的优势的一次尝试。通过与绕组温度计的读数进行对比分析，认为系统能较为准确地反映绕组的热点温度信息和绝缘老化状况，具有一定的可用性。系统提出利用PI数据库监测变压器绕组绝缘特性的方法仅需利用变压器的负荷数据就可完成既定功能，是现阶段供电企业了解所辖变压器设备工况最为便捷、经济的手段。同时，该方法可以推广应用到任何一台符合GB 1094标准制作的电力变压器。相信结合日常巡视、定期试验以及变压器在线色谱检测装置，生产部门可以更加全面地掌握、评判变压器的运行状况，为变压器的运行维护提供帮助。

[1]IEC 354.1991《油浸式电力变压器负载导则》[S].1991.

[2]陈淑谨，王世阁，刘富家.变压器绕组热点在线监测装置的研制与应用[J].变压器，2000，8（37）∶40-46.