220 kV變壓器智能化改造

張 鵬，張 川，崔 瀟，于 強(qiáng)，胡 東

（1.山東青島供電公司，山東 青島 266061；2.山東濟(jì)寧學(xué)院，山東 曲阜 273100）

0 引言

山東青島供電公司220 kV午山變電站于2009年被國(guó)家電網(wǎng)公司列為第一批智能化改造試點(diǎn)變電站。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇傮w上保持不變，采用擴(kuò)充、添加的模式進(jìn)行改造。在保證變壓器系統(tǒng)原有性能不降低輸出容量、供電能力的情況下，強(qiáng)化變壓器的智能化特征，實(shí)現(xiàn)變電站信息數(shù)字化。實(shí)現(xiàn)變壓器設(shè)備的檢測(cè)靈活和自動(dòng)控制方案，能夠通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，滿足變壓器設(shè)備信息采集、傳輸、處理，輸出過(guò)程數(shù)字化。實(shí)現(xiàn)變壓器檢測(cè)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)信息共享標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一改造建設(shè)規(guī)模來(lái)實(shí)現(xiàn)變壓器設(shè)備內(nèi)外的信息互補(bǔ)、互交和信息共享，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)應(yīng)用互動(dòng)化。

1 變壓器智能化改造項(xiàng)目及設(shè)備

1.1 變壓器油色譜、微水在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)

變壓器油色譜、微水在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)是智能化變壓器的基本監(jiān)測(cè)單元，該智能組件采用多組份色譜分析原理，采用負(fù)壓動(dòng)態(tài)頂空脫氣技術(shù)和高靈敏的納米晶半導(dǎo)體氣體檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油中溶解氣體的檢測(cè)。此外還采用了高精度、高穩(wěn)定性的溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油中微水的在線監(jiān)測(cè)。多組份色譜分析原理技術(shù)是油色譜技術(shù)的一種延伸和應(yīng)用。它對(duì)油中溶解氣體氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、二氧化碳（CO2）等氣體及總烴進(jìn)行監(jiān)測(cè)。典型分析系統(tǒng)由油循環(huán)系統(tǒng)、油氣分離系統(tǒng)、混合氣體分離系統(tǒng)、氣體檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理與故障診斷組成。系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)：1）通過(guò)油樣分析能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)變壓器內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)信息。2）具有完善上位機(jī)通信，檢測(cè)數(shù)據(jù)可納入上一級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)和綜合信息管理系統(tǒng)。3）分析響應(yīng)速度快。4）集油樣采集、多組份分析、信息傳輸?shù)裙δ苡谝惑w，在一定程度上消除了在采樣過(guò)程中引起的誤差。5）結(jié)構(gòu)緊湊、易安裝、維護(hù)、運(yùn)行便利。

變壓器內(nèi)部產(chǎn)生不同氣體是伴隨不同故障產(chǎn)生，選取哪幾種油中溶解氣體進(jìn)行分析，對(duì)準(zhǔn)確有效分析診斷變壓器故障類型、能量及發(fā)展趨勢(shì)及其關(guān)鍵，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為5種氣體為基礎(chǔ)的多組份監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)的氣體為CO、CO2、H2、C2H2、CH4等。從變壓器結(jié)構(gòu)來(lái)看，絕緣材料主要是絕緣油、絕緣紙、木材、復(fù)合材料，它們隨變壓器運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，除自身老化，還受不同程度電磁、酸堿作用加速老化、劣化，同時(shí)絕緣紙、木材主要成分纖維素在高溫下熱分解產(chǎn)物是CO、CO2、水和焦炭，容易產(chǎn)生劣化和分解，所以采用多組份5種氣體在線監(jiān)測(cè)可使變壓器得到有效的運(yùn)行監(jiān)測(cè)。

圖1變壓器油色譜、微水在線監(jiān)測(cè)分析原理圖，主要技術(shù)指標(biāo)表1所示。

圖1 變壓器油色譜、微水在線監(jiān)測(cè)分析原理

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 多組份在線油色譜分析與故障診斷

根據(jù)所檢測(cè)多組分濃度分析判斷變壓器運(yùn)行狀況，當(dāng)所檢測(cè)多組份濃度或多組分濃度的增長(zhǎng)率未達(dá)到預(yù)設(shè)定的注意值，可評(píng)估變壓器運(yùn)行狀態(tài)為正常運(yùn)行情況，通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)向主控制平臺(tái)報(bào)告一次自評(píng)估結(jié)果。當(dāng)所檢測(cè)多組份濃度或多組分濃度的增長(zhǎng)率超過(guò)預(yù)設(shè)定的注意值，可評(píng)估變壓器運(yùn)行狀態(tài)為異常運(yùn)行情況。根據(jù)GB/T7252（IEC60599）中改良三比值、大衛(wèi)三角形法、立方體圖示法等方法來(lái)分析變壓器的數(shù)據(jù)。根據(jù)IECEStdC57.104——2008對(duì)變壓器故障風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行界定，判斷故障類型及嚴(yán)重等級(jí)，并通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)向主控制平臺(tái)隨時(shí)報(bào)告自評(píng)估結(jié)果，隨時(shí)判定變壓器是否進(jìn)行狀態(tài)檢修和解體大修。

1.3 變壓器有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)在線凈油裝置應(yīng)用

有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)在線凈油裝置是專為有載調(diào)壓變壓器設(shè)計(jì)的有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)在線凈油系統(tǒng)。電力行業(yè)中，大型變壓器廣泛安裝有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)，對(duì)保證電力系統(tǒng)和用戶電壓質(zhì)量起到重要作用。但由于有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)頻繁的帶負(fù)荷電流切換，產(chǎn)生的電弧會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)中油裂解，產(chǎn)生游離碳、水份、氧化物等，油質(zhì)的劣化降低了油的絕緣強(qiáng)度，限制了有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)切換次數(shù)和使用壽命，甚至危及變壓器安全運(yùn)行。

有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)在線凈油裝置的安裝應(yīng)用，避免了開(kāi)關(guān)室內(nèi)變壓器油出現(xiàn)以上危害，主要用于變壓器有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)的旁路循環(huán)過(guò)濾，與變壓器有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)配套使用，能夠在變壓器正常運(yùn)行情況下，有效地除去有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)內(nèi)變壓器油中的游離碳、金屬微粒、氧化物等雜物，并可降低微量水份，提高變壓器油的擊穿電壓和使用壽命。可使變壓器油清潔度達(dá)NAS3-4級(jí)。提高有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)使用壽命，也有效提高有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)工作的安全性和可靠性，符合DL/7574-95《有載分接開(kāi)關(guān)運(yùn)行維護(hù)導(dǎo)則》規(guī)定的安全技術(shù)要求。裝置在自動(dòng)、手動(dòng)、定時(shí)啟動(dòng)三種運(yùn)行方式下轉(zhuǎn)換運(yùn)行，工作時(shí)間可自由設(shè)定，并可自行記錄、顯示運(yùn)行參數(shù)。具有可靠的濾芯失效報(bào)警傳感系統(tǒng)，并在濾芯失效后自行關(guān)閉工作系統(tǒng)并報(bào)警維護(hù)，箱體內(nèi)裝有恒溫自動(dòng)控制，保證該裝置能夠在多種環(huán)境下正常工作，實(shí)現(xiàn)了全天候無(wú)人監(jiān)控自動(dòng)工作。

1.4 變壓器智能油泵、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)變頻技術(shù)應(yīng)用

變壓器智能油泵、風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)主要是針對(duì)大型強(qiáng)油風(fēng)冷變壓器設(shè)計(jì)，它將變壓器冷卻系統(tǒng)中油泵、風(fēng)機(jī)工頻狀態(tài)模式改為變頻狀態(tài)模式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降噪和智能控制，滿足室內(nèi)外變壓器運(yùn)行工作環(huán)境，可靠性高，運(yùn)行操作方便。主要工作特點(diǎn)：為實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷時(shí)降溫優(yōu)先、低負(fù)荷時(shí)節(jié)能降噪優(yōu)先，根據(jù)油溫變化實(shí)現(xiàn)均衡冷卻，減少溫度波動(dòng)，提高變壓器絕緣使用壽命。根據(jù)運(yùn)行參數(shù)（油溫、負(fù)荷、繞組溫度、環(huán)境溫度）選擇最佳運(yùn)行狀態(tài)模式，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信、傳輸狀態(tài)信息，接收控制指令指導(dǎo)運(yùn)行狀態(tài)。以自動(dòng)、遠(yuǎn)控、就地三種運(yùn)行方式互鎖，可滿足各種條件下運(yùn)行狀態(tài)需求，在通訊故障或主控制斷電等特殊情況發(fā)生時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)成就地運(yùn)行狀態(tài)模式。

圖2為變壓器智能油泵、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)變頻技術(shù)控制框架圖。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

1.5 變壓器套管絕緣、鐵芯、夾件接地電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

套管是變壓器重要部件之一，根據(jù)變壓器故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，套管故障占變壓器故障的比例高達(dá)14%。因此在線監(jiān)測(cè)變壓器高壓、中壓套管的絕緣狀態(tài)，對(duì)變壓器安全運(yùn)行有重要意義。變壓器套管絕緣在線監(jiān)測(cè)的智能組件主要有電壓監(jiān)測(cè)單元、容性設(shè)備監(jiān)測(cè)單元、環(huán)境監(jiān)測(cè)單元及嵌入式數(shù)字處理單元。通過(guò)在線監(jiān)測(cè)高壓、中壓套管的介質(zhì)損耗、末屏電流、等值電容量等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)同類設(shè)備的橫向比較，同一設(shè)備的縱向比較來(lái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定套管的運(yùn)行狀態(tài)，判斷出套管是否在健康運(yùn)行狀態(tài)。采用鎖相技術(shù)自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)頻率，解決頻譜運(yùn)行分析中的頻譜泄漏問(wèn)題，全數(shù)字化交流同步采樣，采用無(wú)線電流傳感器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線傳輸，圖3為結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 變壓器套管絕緣監(jiān)測(cè)電流傳感器示意圖

變壓器鐵芯、夾件接地電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采集變壓器鐵芯、夾件接地電流情況信息，通過(guò)鐵芯、夾件接地電流在線監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)變壓器箱體內(nèi)的異物、內(nèi)部絕緣降低、絕緣受潮情況，或損傷、油箱沉積油泥、鐵芯、夾件存在多點(diǎn)接地電流等故障。及早發(fā)現(xiàn)變壓器潛伏性故障的發(fā)生、發(fā)展情況，并發(fā)出預(yù)警報(bào)告，提前判斷故障情況，避免事故擴(kuò)大和繼續(xù)發(fā)展。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用高靈敏度電流傳感器，不失真地采集變壓器鐵芯、夾件接地的泄漏電流信號(hào)，通過(guò)對(duì)泄流電流信號(hào)的運(yùn)算和處理，剔除雜波干擾信號(hào)，得到實(shí)際接地泄漏電流信息，最終利用專家分析系統(tǒng)來(lái)分析、判斷、預(yù)測(cè)鐵芯、夾件絕緣的健康狀況。

1.6 變壓器套管電子式互感器應(yīng)用

電子式互感器是基于光學(xué)和電子學(xué)原理上設(shè)計(jì)發(fā)展形成的一種超高壓條件下電壓、電流的測(cè)量設(shè)備，分別稱為EVT和ECT。EVT采用電阻分壓器、電容分壓器或光學(xué)裝置作為一次轉(zhuǎn)換部件。ECT采用霍爾傳感器、羅式線圈或光學(xué)裝置作為一次轉(zhuǎn)換部件。電子式互感器利用光纖作為一次轉(zhuǎn)換器和二次轉(zhuǎn)換器之間的傳輸系統(tǒng)，并裝有電子器件作為測(cè)量信號(hào)的傳輸和放大，具有模擬量電壓輸出或數(shù)字量輸出。

根據(jù)應(yīng)用原理不同，電子式互感器可分為無(wú)源式和有源式兩類。無(wú)源式電子互感器是指高壓側(cè)傳感部分不需要供電電源的電子式互感器。無(wú)源式電子式互感器的優(yōu)點(diǎn)是在一次傳感部分不需要復(fù)雜的供電裝置，整個(gè)系統(tǒng)的線性度比較好，缺點(diǎn)是傳感部分有復(fù)雜而不穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)，容易受到多種環(huán)境因素的影響，影響了其實(shí)用化的進(jìn)程。有源式電子式互感器是指?jìng)鞲胁糠中枰╇婋娫吹碾娮邮交ジ衅?，有源式電子式互感器一次傳感部分依賴于供電裝置，但其工作原理較為簡(jiǎn)單，不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)電磁式互感器相比，電子式互感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）絕緣性能優(yōu)良、造價(jià)低。絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，隨著電壓等級(jí)升高，其造價(jià)優(yōu)勢(shì)愈加明顯。

2）電子式互感器結(jié)構(gòu)中不含鐵芯結(jié)構(gòu)，消除了磁飽和、鐵磁諧振等問(wèn)題。

3）電子式互感器在低壓側(cè)輸出弱電信號(hào)時(shí)，不存在在傳統(tǒng)互感器工作中低壓側(cè)會(huì)產(chǎn)生觸電的危險(xiǎn)。

4）頻率響應(yīng)范圍寬，電子式電流互感器已證實(shí)可測(cè)出高壓電力線上的諧波，還可進(jìn)行暫態(tài)電流、高頻大電流與直流電流的測(cè)量。

5）電子式互感器沒(méi)有因傳統(tǒng)互感器充油而產(chǎn)生的易燃、易爆等危險(xiǎn)。

6）可與自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化連接，實(shí)現(xiàn)多功能、智能化的要求，適應(yīng)了現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展要求。

圖4為變壓器套管電子式互感器結(jié)構(gòu)圖。

圖4 變壓器套管電子式互感器結(jié)構(gòu)

1.7 智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)

變壓器設(shè)備智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，是集機(jī)電一體化技術(shù)、多傳感器技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、導(dǎo)航及行為規(guī)劃技術(shù)、機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)、安防技術(shù)、穩(wěn)定的無(wú)線傳輸技術(shù)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。變壓器設(shè)備智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)采用分層式控制結(jié)構(gòu)，分為基站控制系統(tǒng)層和移動(dòng)站系統(tǒng)層。

變壓器智能巡檢機(jī)器人主要應(yīng)用于室外變壓器等設(shè)備，可以攜帶紅外熱像儀、可見(jiàn)光CCD等有關(guān)的檢測(cè)設(shè)備，以自主和遙控的方式，對(duì)室外變壓器、高壓設(shè)備進(jìn)行巡測(cè)，發(fā)現(xiàn)變壓器設(shè)備內(nèi)部熱缺陷、外部機(jī)械損傷或電氣放電、擊穿問(wèn)題?？梢圆糠执嫜惨暼藛T在合適的時(shí)間進(jìn)行特殊變壓器設(shè)備檢查工作，并且能生成報(bào)表。還可以在巡視人員不便于夜間巡視時(shí)間或惡劣天氣下，不需要巡視人員參與下按照固定的線路進(jìn)行變壓器設(shè)備巡檢。

變壓器智能巡檢機(jī)器人本體（移動(dòng)站層）的功能：1）接受并執(zhí)行基站下發(fā)的自動(dòng)規(guī)劃任務(wù)；2）接受并執(zhí)行基站下發(fā)的遙控指令；3）按照預(yù)先設(shè)定好的巡視線路，自動(dòng)完成巡視檢查任務(wù)；4）自動(dòng)定位在預(yù)設(shè)點(diǎn)自動(dòng)采集可見(jiàn)光圖像和紅外圖像并上傳；5）完成巡視任務(wù)后自動(dòng)進(jìn)行充電；6）遇到障礙物時(shí)自動(dòng)停車，并進(jìn)行報(bào)警；7）上傳智能機(jī)器人運(yùn)行速度、位置和電源信息；8）遇到特殊異常情況可自身安全防護(hù)報(bào)警。

圖5為智能機(jī)器人示意圖。

圖5 智能機(jī)器人示意圖

2 智能組件安裝

2.1 變壓器油色譜、微水在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)安裝位置

變壓器油色譜、微水在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)需要從變壓器上選取兩個(gè)閥門，連接兩根油管，一根為取油管，一根為回油管。待測(cè)變壓器油從取油管進(jìn)入油氣分離裝置，經(jīng)脫氣檢測(cè)記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)后，變壓器油從回油管流回變壓器，完成變壓器油的色譜、微水檢測(cè)循環(huán)過(guò)程。

安裝位置圖6、圖7所示。

圖6 1號(hào)主變油色譜及微水安裝接口

圖7 2號(hào)主變油色譜及微水安裝接口

2.2 變壓器套管絕緣、鐵芯、夾件接地電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝

變壓器套管絕緣監(jiān)測(cè)電流傳感器安裝于套管末屏附近，末屏接地線通過(guò)穿芯式電流傳感器后接地，安裝位置如圖8。

鉄芯接地電流傳感器采用穿芯式電流傳感器，接地線穿過(guò)穿芯式電流傳感器后接地，穿芯式電流傳感器外殼采用不銹鋼材料全密封設(shè)計(jì)，具有防水、防銹、防震功能，穿芯式電流傳感器安裝后不影響變壓器安全運(yùn)行維護(hù)。安裝位置如圖9。

圖8 套管末屏接口示意圖

圖9 鐵芯接地電流傳感器安裝示意圖

2.3 變壓器套管電子式互感器安裝位置

套管電子式互感器安裝位置如圖10所示。

圖10 電子式電流互感器示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)智能化改造，變壓器達(dá)到了各類數(shù)據(jù)采集數(shù)字化、傳輸平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、功能應(yīng)用互動(dòng)化的智能要求，實(shí)現(xiàn)變電站智能化高效運(yùn)行。變壓器智能化的建成為智能變電站技術(shù)打下基礎(chǔ)，積累了變壓器設(shè)備智能化改造相關(guān)技術(shù)和工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)進(jìn)一步加快智能電網(wǎng)建設(shè)產(chǎn)生推動(dòng)作用。