电力变压器自动化检测系统设计开发*

2024-03-07吴限

机械研究与应用 2024年1期

吴限

(甘肃酒钢(集团)宏联自控有限责任公司,甘肃嘉峪关 735100)

0 引言

随着国民经济飞速发展与用户高质量用电需求的增加,我国电力系统正朝着大容量、高电压、全国互通的方向发展,这对电力系统的稳定性等性能提出了更高要求[1-3]。输变电设备是保证电网安全稳定运行的核心,其中变压器作为电网最重要、最昂贵的一次设备,其主要功能是实现电网电压等级变换、电能输送及潮流控制。变压器一旦发生故障,会直接影响到整个电网的运行,故障严重甚至会引发重大安全事故。因此,通过先进监测及故障诊断技术确保电力变压器稳定运行具有重要意义。

目前,国内变压器的故障诊断仍依赖周期性计划运维为主,故障查找效率及准确性低下,同时计划停电还会不断影响用户用电满意度[4-6]。针对变压器的监测,目前多采用油色谱分析法,此方法中的参数检测通常为离线测定,且监测气体参数较为单一,无法实现全方位监测。针对上述问题,笔者基于变压器在线监测诊断与数字化测量技术原理及应用,设计了一套电力变压器自动化检测系统。系统采用油色谱监测为主、多故障参数检测并行的策略,选取油内气体、温度、局部放电量作为典型故障参数,并对相应监测模块进行设计,为进一步实现变压器的全方位监测与故障诊断提供思路和参考。

1 变压器监测方案设计分析

1.1 油浸式变压器结构及故障类型分析

油浸式变压器按结构不同可分为铁芯式与铁壳式,二者在铁芯与绕组位置上稍有不同,工作原理无本质区别,主要由铁芯、绕组、油箱、冷却装置及保护装置等组成,组成结构如图1所示。

图1 油浸式变压器结构示意图

按照部位不同,变压器故障可分为内部故障及外部故障两大类。铁芯与绕组作为变压器核心部件是内部故障的多发位置,外部故障多以高低压绝缘套管等变压器外部部件的故障及非正常运行状态为主,变压器主要故障分类如表1所列。

表1 油浸式变压器主要故障类型及原因

由表1可知,变压器内外部故障的主要因素为绝缘受损。其中,部件过热、局部放电等电热类故障是诱发绝缘损毁的主要原因。在发热或放电的故障发展过程中,变压器各部件的绝缘材料及变压器油会发生电热化学反应,从而产生大量CO2、CO及多种碳氢化合物。因此,对变压器油中溶解气体的成分及含量进行分析可有效识别诊断变压器不同类型故障。

1.2 系统总体监测方案设计

基于变压器结构及故障类型分析,文中以油中气体监测为主要故障诊断方式,辅以温度监测、局部放电监测实现对变压器电热故障的全面监测诊断。

油中气体作为系统主监测量,需对监测方法及故障特征气体进行合理选择,目前变压器油色谱分析通常采用CO、CO2、H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2六种气体作为系统特征气体,并以各特征气体的油中含量作为变压器故障判据,变压器不同类型故障对应气体成分如表2所列。

表2 油浸式变压器故障特征气体成分

为进一步提高系统诊断速度及直观性,系统故障诊断策略采用大卫三角形法,从六类气体中选取CH4、C2H4、C2H2三种气体作为特征量进行监测,并通过三种气体浓度比值对故障类型进行诊断。相比于传统查表诊断方法,大卫三角形法在可视化监测方面更具优势,系统可通过上位机交互界面所显示的大卫三角形直观监测变压器当前运行状态,并快速判断故障类型。大卫三角形法故障判别规则如图2所示。

图2 大卫三角形法示意图PD.局部放电 D1.低能放电 D2.高能放电 D+T.放电热故障T1.高热故障(t>700 ℃) T2.中热故障(300 ℃

2 变压器智能检测及故障诊断系统设计

2.1 系统总体架构

按照系统总体监测方案要求,采用模块化思想进行设计,整个系统由远程监控平台、综合监测模块、数据采集模块及通信网络组成,总体结构如图3所示。

图3 系统总体结构图

系统以综合监测模块为功能核心,在油色谱监测模块基础上增加温度监测模块及局部放电监测模块,以实现综合监测。这样可防止采用单一的气体监测时因发生短路故障造成参数超标而引起误判,从而进一步提高了变压器故障诊断结果的可靠性。系统通信网络由工业以太网及RS485总线构成,其中工业以太网用于综合监测模块与上位机的通信,RS485用于现场分布式传感器与综合监测模块的数据传输,变压器气体、温度、局部放电量等参数由数据采集模块中的气敏传感器等设备进行采集上传。

2.2 油色谱监测模块设计

油色谱监测模块主要由气敏传感器、主控器、脱气机、通信模块及电源组成,模块硬件结构如图4所示。

图4 油色谱监测模块硬件结构图

模块主控器选用STM32F103RCT6型MCU;气敏传感器选用QM-N5 N型半导体气敏传感器,QM-N5测量范围为50～10 000 ppm,响应时间≤10 s,可用于CH4、C2H4、C2H2三种特征气体浓度检测,具有灵敏度高、响应速度快、输出信号大等优点。模块工作原理为:首先通过取油阀将变压器油输送至脱气机中进行脱气并按照色谱柱分类,再由QM-N5对特征气体浓度值进行采集,然后气体浓度信号传输至控制器中进行处理,最终由RS485通信网络传输至上位机进行实时监测与故障诊断。

2.3 局部放电监测模块设计

局部放电监测模块的工作原理为:变压器局部放电产生的电磁脉冲及辐射通过高频传感器进行采集传输,由上位机程序判断是否发生局部放电。文中选用UHF-300EEE2型特高频传感器对变压器内部局部放电特高频信号进行采集,UHF-300EEE2频带为300 MHz～1.5 GHz,测量灵敏度≤-65 dBm,满足系统采集需求。特高频信号通过高频同轴电缆输入至信号调理电路进行处理,最终信号通过RS485传输至上位机进行监测与故障诊断,局部放电监测模块硬件结构如图5所示。

图5 局部放电监测模块硬件结构图

2.4 温度监测模块设计

选用IF-C油浸式变压器光纤温度采集系统对温度监测模块进行架构,IF-C测温范围为-40～200 ℃,测量精度可达±0.1 ℃,具备最多32路测温通道,支持RS485及以太网等多种通信方式,IF-C采用荧光光纤温度传感探头对变压器油温及壳温参数进行采集,具有抗电磁干扰、耐腐蚀等优点,可满足系统对变压器温度的监测需求。

3 试验应用效果

为验证此系统运行可靠性及使用效果,文中以110 kV户外双绕组油浸式变压器为实验对象对系统进行实际运行测试。系统运行后,可对运行中的变压器油中气体成分及浓度、变压器油温壳温及局部放电量进行实时监测,通过上位机交互界面的可视化图形及实时采集数据可直观掌握变压器当前运行状态。同时,该系统具备故障诊断与报警功能,系统上位机监测界面如图6所示。