大型变压器设备运行状态监测与故障诊断

范玉洁

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南 250101）

0 引言

在现代化技术的推动下，电网智能化程度越来越高，对于电网运行的安全性和稳定性提出了更高的要求。电网设备，尤其是大型变压器设备，在运行过程中不可避免地会受到电、热、环境等因素的影响，导致设备性能受损，引发故障等一系列恶性事故。因此，提供高质量的电能、确保城市发展对于电力供应的需求是本文研究的重点。状态监测与故障诊断系统主要是针对大型变压器设备实际工作状态，通过现代化的监测手段以及科学有效的评价手段，判断其实时运行状态。通过大型变压器设备状态监测与故障诊断系统，可以自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和检测等基本功能，同时，具备支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策和协同互动等高级功能，提高大型变压器设备的运行稳定性和安全性，因此在线监测与故障诊断系统，是衡量电网智能化水平的一个重要因素。

1 状态监测与故障诊断的意义

大型变压器设备是电网的重要组成部分，对这些设备的维护和检修是电网运维的一项重要内容。以往进行的预防性检修大多是离线进行，整个过程需要停机、停电操作，不仅造成巨大的经济损失，而且设备停运状态下的检修与运行过程中的检修存在一定的差异，会影响检修效果。对于正常设备，如果按照统一的检修计划执行，会造成人力、物力方面的浪费，但一些重要设备无法进行停运检修，容易产生安全隐患。因此，针对电网设备的特殊性，需要借助现代化的技术手段，实时在线的进行状态监测和故障诊断，以确保大型变压器设备安全稳定运行。

大型变压器设备状态监测主要包括：设备电磁线路、绕组、固体绝缘、液体绝缘、气体绝缘以及设备冷却循环系统。故障诊断包括设备机械故障、设备进水受潮、过热性故障、放电性故障以及过热兼放电故障。常用的故障诊断方法是利用电磁脉冲和超声波采集大型变压器设备的电磁信号和声信号，然后根据设备放电量、分布图谱以及放电源的位置来判断故障类型。大型变压器设备状态监测与故障诊断装置组成如图1 所示。

2 系统架构及功能设计思路

2.1 系统架构

大型变压器设备状态监测与故障诊断系统主要通过在线诊断的方式，通过对历史数据、在线实时数据来判断配电设备的运行状态，为后期设备的检修和保养提供必要的理论依据。具体包括电网内大型变压器设备状态监测与故障诊断装置；电压互感器状态监测与故障诊断装置；电流互感器状态监测与故障诊断装置；电容器状态监测与故障诊断装置；断路器状态监测与故障诊断装置以及避雷器状态监测与故障诊断装置。

2.2 系统功能

大型变压器设备状态监测与故障诊断系统主要功能包括提供配电设备在线或者非在线监测信息的浏览；智能诊断；故障分析、预测和评估等。大型变压器设备状态监测与故障诊断系统主要采用现代互联网技术，用户可以通过浏览器查询配电设备的相关数据和运行状态信息，同时，可以借助主机对变压器设备的实时监测数据进行分析计算，并将最终结果反馈给用户。故障诊断主要涉及到变电站内的变压器、电压互感器、电流互感器、电容器、断路器以避雷器等设备，状态监测装置具有数据信息事实录入功能、数据修改、查询以及显示和打印功能，故障诊断采用了人工智能理论，能够准确有效的指出设备的实时状态，并且根据设备的历史数据和工作状况，预测设备存在的潜伏性故障并提出应对措施，确保设备安全、稳定的运行。

3 变压器设备在线监测系统设计

大型变压器设备运行状态是否健康，是由多项指标决定的，但将这些指标进行合理定量的描述具有相当大的难度，可以借助模糊理论进行定义。例如：对脉冲幅值指标的定义，大型变压器设备在运动过程中，电流波形会在很短的时间内发生变化，电流幅值则是衡量这一变化的重要指标，不同设备和电网电流电压以及频率会发生波动，暂态电流幅值的大小会有较大差异，设备在不同工况下运行，需要通过多次测量和统计计算建立幅值函数模型，以便于用模糊语言进行描述。

3.1 系统硬件设计

大型变压器设备在线监测系统硬件结构包括计算机和外围设备，其中电子测量仪器包括各种设备传感器、信号调理器以及数据采集器，这些硬件设备是系统的基础平台。通过传感器对大型变压器设备温度以及行程数据进行实时采集，然后再利用无线通信的方式传输到上位机模块进行深入分析和处理。温度、行程测量模块结构如图2 所示。

图2 温度、行程测量模块结构

从图2 中可以看出，变压器设备温度、行程测量模块主要可以分为温度测量单元、行程测量单元以及无线通信单元三部分。其中温度测量单元主要由远红外温度传感器和数据转换芯片组成，通过远红外温度传感器对触头温度进行实时监测，然后在利用数据转换芯片将传感器监测到的电压信号转换成可供单片机利用的数字模拟信号；行程测量单元主要由光电编码器、信号处理电路、数据转换芯片以及数据存储器组成；无线通信单元主要通过无线射频芯片完成对数据信息的无线传输。无线通信测量模块对应的地址是唯一的，当测量模块接收到上位机发送的数据包后，与相应的地址进行比对分析，如果相同则立刻向上位机恢复应答信号，如果不同，则不做任何回复。3 个单元主要由单片机微处理器控制，从而实现数据信息的收集与传输。

3.2 软件部分设计

软件设计是变压器设备状态监测与故障诊断系统的核心，给定计算机的运算能力和硬件设备后，构建出与该系统配套的应用软件，用户可以自行定义，满足个性化的使用需求。该系统主要使用基于G 语言的软件开发工具，其功能强大、内置用于仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等多项功能。Lab VIEW 在编程上具有强大的灵活性，使用图形语言编程，用户界面更加直观和形象，有效的避免了传统开发工具的复杂性。

大型变压器设备状态监测与故障诊断系统的主程序是接收数据，发送指令的核心环节，具体包括：接收上位机发送的触头温度测量指令、行程数据传输指令等。主程序工作流程如图3 所示。

图3 主程序工作流程

从图3 中可以看出，主程序接收到指令后，根据不同类别将指令分别传输到温度测量传输和行程测量传输单元中并完成相应的操作，当数据传输完成后，主程序进行初始化，并进入查询状态等待下一次指令的发送。大型变压器设备状态监测与故障诊断系统的工作过程主要有模拟量采样、模拟量转换和数字量传输3 个阶段。模拟量采样过程中，CS 需要保持高电平，当电平变低时，在第三个I/O CLOCK 下降沿，开始对输入模拟量进行采样，采样周期维持7 个I/O CLOCK，并且在第10 个I/O CLOCK 下进行降沿锁存；在模拟量转换过程中，CS 由低电平转换成高电平，I/O CLOCK 禁止模拟数据转换结果的输出，此时DATA OUT 处于高阻状态，单元内的CMOS 门限检测器通过检测一系列电容的充电电压决定模拟转换后的数字量的每一位，转换过程≤21 μs；在数字量传输阶段，CS 由高电平变为低电平，允许I/O CLOCK 正常工作，并使DATA OUT 脱离高阻状态，接收上一次转换结果。

4 结语

综上所述，在线监测与故障诊断系统可以迅速、连续反映大型变压器设运行状态，预测设备存在的潜伏性故障并提出应对措施，确保设备安全、稳定的运行。通过实时在线监测，精准的掌握设备的运行状况，减少传统定期维护产生的成本，提高电力企业的经济效益。同时，大型变压器在线监测与故障诊断系统也是电网智能化发展过程中，不可或缺的一项重要组成部分，通过相应的软件系统对变压器设备的状态检测数据进行分析，有效地降低了人工操作带来的工作强度，提升了设备维护的工作效率，提升了配电设备运行的可靠性和稳定性，延长使用寿命。