海上平台电网组网变压器智能化监控的实现方法

刘云飞

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

0 引 言

海上石油生产平台随着生产规模的扩大、大规模的油田开发和近年来孤岛电力组网技术的发展而不断得到发展，为增强电网稳定性进行了大规模的电力组网，环氧树脂浇注类型的干式变压器以其优越的性能和高性价比在海上组网变压器行业得到了广泛的应用。为了减少配电变压器故障发生的概率和提高配变供电可靠性，本文通过对海上组网干式变压器的运维常见故障进行分析，提出了基于数据在线监测的智能诊断办法。

1 组网变压器的常见故障

1.1 温升过高

干式配电变压器长期高载运行或通风散热不畅会导致变压器本体温度不断上升。温度过高则会造成绝缘老化，进而导致绝缘破损，引发故障。

1.2 三相电压不平衡

造成配变三相电压不平衡的原因可能是三相负荷分配不合理，从而造成三相电压不平衡、相电流增大，最终导致变压器绕组匝间短路。

1.3 长期超载引起的短路故障

造成此类故障的原因是随着用电量迅速增加原有变压器容量不足，造成变压器过载运行。由此产生过高的温度会导致绝缘老化和破损，进而发生绕组内部短路故障。

1.4 绝缘老化导致的短路、接地故障

造成此类故障的原因是随着变压器设备的老化出现局部放电、接地电流增大等现象，且恶化的过程没有人员干预，最终加速绝缘的破坏，进而发生短路、接地故障。

2 组网变压器的状态监测

目前海上组网变压器在采办时就已经配有相应的监测设备，随着智能化技术的发展也投用了一些在线监测的设备在海上平台试用，效果良好。

变压器在线监测系统[1]主要用于监测变压器的绕组温度信号、超声波局部放电信号、振动信号、铁芯接地电流和诊断变压器的运行状态，同时配备环境温湿度监测功能用于辅助分析变压器的状态，其具体功能如下：

①检测变压器绕组温度；

②监测变压器整体的超声局部放电情况；

③局放超声强度达到1dB时能够监测到；

④局放监测系统通过对超声分析实现对变压器局部放电的监测，能够排除外部其他频率信号干扰，实现对变压器局部放电的准确分析；

⑤振动监测能够自动排除外部噪声干扰，实现对变压器振动异常的准确分析。

2.1 变压器的温度监测

干式变压器在出厂时在一般会在高低压三相绕组内部预埋电阻，近几年为追求变压器温度监测的稳定性，已经通过每相绕组预埋测温电阻来提高测温的准确性和稳定性。同时在变压器外壳上会安装温控器，测量范围为-30.0～240.0℃，分辨率0.1℃；温控器利用预埋在干式变压器绕组中的每相2支铂热电阻来检测变压器三相绕组的温度变化，当任一相绕组的2支Pt100同时达到温度设定值时才能够自动启动冷却风机对绕组进行风冷降温，当温度持续升高温控器可输出高温报警或超温跳闸信号，控制变压器上下游断路器分断。若其中一只出现短路或断路故障，则由另一只Pt100达到温度设定值动作，以保证变压器运行在安全状态。

通过温控器配合铂热电阻温度监测，并控制风机运行来保证变压器的运行温度；异常超高温状况下直接切断断路器上下口开关以保护变压器设备本体。

2.2 变压器的绝缘监测

目前海上平台主流的监测方式是通过局部放电传感器、铁芯接地电流传感器来监测变压器的绝缘 状况。

干式变压器绕组采用固体绝缘，一般采用抽真空浇筑的方式。一旦工艺处理不当就会造成绝缘内部存在缺陷(如气泡等)，长时间运行会产生局部放电，进而导致内部绝缘状态性能下降。在变压器的夹件上安装一个绕组绝缘状态监测传感器或一个局部放电复合式传感器即可实现对三相高低压绕组绝缘状态的监测。局部放电复合式传感器采用声电一体化设计，由3组超声、射频传感器组成，采用聚波结构具有很强的方向性，直接对应干式变压器三相绕组，与变压器结构整体设计，不影响变压器绝缘性能。局部放电监测单元通过声电联合的检测方式可排除空间干扰信号，能够检测到故障早期的微弱放电信号，并通过幅值比较判断出放电大致区域。

局部放电监测对传感器进度要求较高，主要技术参数如下所示。

超声波测量：①传感器为非接触式超声传感器；②测量范围0～60dBuV；③测量精度±1dB；④传感器中心频率40kHz。

射频测量：①传感器RF天线；②测量范围0～60dBmV；③测量精度±1dB；④检测带宽5～10MHz。

对地绝缘可以通过在铁心接地片上安装穿心传感器实现监测接地电流信号，信号可以直接接入数据采集单元。

2.3 变压器振动监测

振动传感器用于监测顶面、正面振动信号或底座振动信号，通过安装振动加速度传感器可以监测变压器运行中的振动情况。

2.4 变压器电气参数监测

一般海上平台的组网变压器上下口开关柜均设置有多功能电表和继电保护装置，可以对变压器的运行参数进行测量，包括电压、电流、有功、无功、功率因素、频率等信息，数据可通过标准工业网络协议传输给第三方监控系统进行显示和分析。

2.5 变压器智能化软件监控平台的接口设计

数据接口协议：Modbus TCP。

局放数据：①放电幅值，带时标，5min上传1次；②放电时域波形，5min 上传1次；③局放告警及初步设备诊断结果，带时标，触发后上传。

振动数据：①振动加速度，带时标，常规5min上传1次，并且告警触发随时上传；②振动告警及诊断结果，带时标，触发后上传。

铁芯接地电流监测：带时标，1s上传1次。

温度数据：带时标，1s上传1次。

3 组网变压器的智能化诊断与评估方法

考虑到海上平台环境因素对变压器造成的影响，故研究了基于多种特征量综合诊断模型，通过将局部放电信号、绕组温度、铁芯接地电流等作为综合特征量，并应用信息融合方法对变压器运行状态进行综合诊断与评估。

3.1 基于局部放电信号的变压器故障诊断

变压器故障诊断以变压器运行监测数据为基础，以诊断算法为核心，实时判断变压器的故障状态。主要通过分析局部放电信息来实现，通过在线监测变压器局部放电相关数据的基础上对其进行故障诊断[2]，并判断变压器是否存在异常放电。故障诊断由特征量提取和放电类型识别2部分组成，主要以PRPD图谱和PRPS图谱为基础。

3.1.1 放电波形

局部放电的放电波形主要是展示放电的峰值、放电次数和放电均值，从而获取相应的信息进行特征量提取，以方便进行后续的放电类型识别。

3.1.2 PRPD图谱和PRPS图谱

该部分功能主要是展示捕捉到的局部放电的PRPD图谱和PRPS图谱。在变压器局部放电的诊断过程中，由于采集的波形数据数据量非常大，故直接对波形进行分析难度非常高。在实际的局放波形图谱分析过程中需总结局部放电特征量并进行提取分析，以达到局部放电故障定位的目的。

3.1.3 特征量提取

主要是基于PRPD 模式的特征参数，PRPD是把每个带有相位标识的局部放电脉冲波形按照相位显示，属于一段时间局部放电量的叠加，通过对叠加的所有脉冲波形提取特征量分析，可基于特征量建立自学习数据分析算法判断局部放电的大小、放电位置、原因等信息。

①局部放电图谱偏移度：是局部放电量统计之后半个周波内局部放电图谱产生的偏移度，其运算结果的正负代表偏移的左右。

②局部放电图谱顺滑度：是表示PRPD图谱曲线是否顺滑平坦的统计数据，其运算的正负值表示PRPD图谱的走向是否平滑，利用此特征量可以更好地建立诊断局部放电谱图模型。

③互相关系数：表示局部放电PRPD波形的正负半周的相关性，获取此特征量能够更好地完善局部放电模型。

④放电差异数：表示PRPD波形的正负半周的放电差异。

⑤放电峰值：即为PRPD图谱中1个周波内部最大的放电量，表征局部放电幅值的波动，是局部放电分析模型的重要指标。

⑥局部放电相位：描述设备局部放电信号的电气特征量，能够体现局部放电的特性。

⑦分析模型：通过①～⑥项特征量提取，可基于此建立局部放电模型。

3.1.4 故障诊断

变压器局部放电的原因主要为正常、针尖放电、沿面放电、气隙放电等，通过特征量提取建模，长期数据模型的自学习可判断局部放电的类型和发生位置，以便运维人员及时、有针对地维修设备。

3.2 基于变压器温度、振动的故障判断

通过数据采集得到的绕组热点温度、变压器振动作为变压器状态评价指标，最终温度数据采用阈值法进行故障预警。

3.3 基于铁芯接地电流及电参量的故障判断

铁芯接地电流和电参量故障判断均可以基于阈值法进行诊断，根据设计院计算相关参数限定值和厂家推荐设备设定值进行阈值法诊断，以便对超出阈值的情况进行预警和提醒海上运维人员进行检修安排。

3.4 诊断评估软件功能设计

3.4.1 数据采集功能

系统能够实时采集变压器振动数据信息、铁芯接地电流数据信息、绕组及铁芯温度数据信息、环境温湿度数据信息、局部放电数据信息。

3.4.2 数据处理功能

系统能够对变压器振动数据信息[3]、铁芯接地电流数据信息、绕组及铁芯温度数据信息、环境温湿度数据信息进行实时显示，并能够设置报警越限值进行报警。

3.4.3 历史数据

在数据保存周期不小于10min的情况下，可连续保存数据的时间不小于6个月。

3.4.4 趋势曲线

能够实现实时曲线和历史曲线功能，方便操作人

员直观观看。

3.4.5 事件追忆

系统出现报警时能记录故障时的相关信息，并出具相应的报表。

3.4.6 防误判功能

系统应对常见的干扰事件具备防止误判功能。

3.4.7 数据通信接口

RS485、RJ45网络接口，光纤传输，并且需支持时域波形录波数据文件传输至电气设备智能化管理系统。

支持IEC61850、Modbus、Modbus TCP/IP协议。

4 结 语

本文针对目前应用的状态监测手段和后续的智能化诊断分析方法进行了总结和分析，发现对组网变压器安全管控技术的挖掘是海上电网持续安全稳定运行的保障，此方法可帮助海上运维人员更好地建设组网变压器的评估指标体系、对电网的运行策略采取规划和变压器的维修保养计划进行优化，可减少因组网变压器故障导致的电网故障，进而为海上石油平台安全生产提供可靠保障。■