變壓器狀態(tài)評(píng)價(jià)的非停電檢測(cè)技術(shù)

何文林，王文浩

(浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州市 310014)

0 引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)的重要資產(chǎn)和關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著電壓轉(zhuǎn)換、電能輸送等任務(wù)。電力變壓器的健康狀態(tài)對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要，健康狀態(tài)不良的電力變壓器將嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平，甚至引發(fā)電網(wǎng)事故。如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器的潛在缺陷、避免意外事故發(fā)生、最大限度地提高設(shè)備的可用率、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，已成為電力行業(yè)的重要課題。

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器的隱患，準(zhǔn)確掌握其健康狀態(tài)，運(yùn)行部門對(duì)變壓器的狀態(tài)量值主要通過停電試驗(yàn)、帶電試驗(yàn)和巡視等手段獲得［1］。文獻(xiàn)［2］建立了以停電試驗(yàn)為主要手段的狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則，依據(jù)狀態(tài)量對(duì)變壓器健康狀態(tài)貢獻(xiàn)度的不同，將狀態(tài)量分為主要狀態(tài)量和輔助狀態(tài)量。通過停電檢測(cè)獲得的主要狀態(tài)量包括繞組電阻、繞組的介質(zhì)損耗因數(shù)、鐵心接地電流、夾件絕緣電阻、繞組頻譜、短路阻抗、套管介質(zhì)損耗因數(shù)等，輔助狀態(tài)量包括繞組直流泄漏電流、繞組絕緣電阻、套管電容量、套管末屏絕緣電阻等。

由于變壓器在運(yùn)行過程中逐漸老化，某些潛伏性故障在停電試驗(yàn)中難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而且停電檢測(cè)試驗(yàn)不僅影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還存在周期長(zhǎng)、成本高、維修過剩等問題。

非停電檢測(cè)包括在線監(jiān)測(cè)、帶電檢測(cè)和運(yùn)行巡視，可以在變壓器不停電的狀態(tài)下獲得狀態(tài)量值，連續(xù)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)評(píng)估。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于變壓器非停電檢測(cè)主要集中在狀態(tài)量的獲取、數(shù)據(jù)處理、在線/帶電檢測(cè)設(shè)備的研制等方面，對(duì)于將非停電檢測(cè)結(jié)果應(yīng)用到狀態(tài)評(píng)價(jià)中尚未建立有效的模型［3-5］。因此通過選取合適的狀態(tài)量，建立基于非停電檢測(cè)狀態(tài)評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 確定有效狀態(tài)量

選擇變壓器狀態(tài)量時(shí)應(yīng)考慮2個(gè)核心問題:(1)設(shè)備狀態(tài)通過哪些狀態(tài)量來(lái)表現(xiàn);(2)各狀態(tài)量與設(shè)備狀態(tài)之間關(guān)系的強(qiáng)弱如何。狀態(tài)量的選取應(yīng)遵循以下原則:

(1)高度敏感性。設(shè)備狀態(tài)的微弱變化應(yīng)能引起狀態(tài)量的較大變化，并根據(jù)狀態(tài)量和設(shè)備狀態(tài)之間關(guān)系的強(qiáng)弱劃分為主狀態(tài)量和輔助狀態(tài)量。

(2)高度可靠性。狀態(tài)量依賴設(shè)備狀態(tài)的變化而變化，如果把狀態(tài)量取作因變量，設(shè)備狀態(tài)取作自變量，則狀態(tài)量應(yīng)是設(shè)備狀態(tài)的單值函數(shù)，狀態(tài)量變化就能全面反映設(shè)備狀態(tài)的變化情況。

(3)實(shí)用性。狀態(tài)量應(yīng)便于檢測(cè)，如果某個(gè)狀態(tài)信息對(duì)設(shè)備狀態(tài)變化足夠靈敏，但從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面考慮不易獲得，那么這個(gè)狀態(tài)參量就不宜作為設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的狀態(tài)量。

根據(jù)對(duì)2004—2010年浙江電網(wǎng)在運(yùn)變壓器缺陷、故障與發(fā)現(xiàn)手段的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析［6］，結(jié)合帶電檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)和運(yùn)行巡視的經(jīng)驗(yàn)與研究成果，選取頂層油溫、油位、密封、短路電流、有載分接開關(guān)操作次數(shù)、接頭溫度、局部放電、油色譜、油微水、鐵心接地電流、油泵及風(fēng)扇運(yùn)行工況、套管泄漏電流及介損等為主要狀態(tài)量，選取冷卻器污穢、油箱溫度為輔助狀態(tài)量，其中局部放電、油色譜、油微水、鐵心接地電流等狀態(tài)量值通過在線監(jiān)測(cè)的手段獲取，其余狀態(tài)量值通過巡視或帶電檢測(cè)的手段獲取。通過在線監(jiān)測(cè)手段獲取到的狀態(tài)量值，由于受采樣、數(shù)據(jù)傳輸和環(huán)境條件的影響，可能產(chǎn)生測(cè)試結(jié)果異常波動(dòng)，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后才能用于變壓器的狀態(tài)評(píng)價(jià)。

2 在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法

電力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是掌握電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、評(píng)估電氣設(shè)備性能和保證電網(wǎng)安全的重要手段。但是在線監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件復(fù)雜，容易受到各種背景噪聲和干擾的影響，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，從而影響評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，因此如何采取有效的數(shù)據(jù)處理方法成為在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。目前基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的非線性濾波器已在數(shù)字信號(hào)處理中得到了廣泛的應(yīng)用［7-8］。

由式(1)、(2)可分別定義開、閉運(yùn)算為

由開閉運(yùn)算的定義可知，開和閉運(yùn)算分別具有削峰和填谷的作用，能夠去除信號(hào)中毛刺、孔洞的影響。為了同時(shí)利用開閉運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)，可以將二者通過級(jí)聯(lián)構(gòu)成廣義濾波器。采用相同的結(jié)構(gòu)元素，通過不同順序的級(jí)聯(lián)運(yùn)算可以構(gòu)造形態(tài)學(xué)開—閉、閉—開濾波器為［9］

形態(tài)學(xué)開—閉、閉—開濾波器雖然可以同時(shí)濾除信號(hào)的正負(fù)脈沖噪聲，但由于開運(yùn)算的收縮性導(dǎo)致開—閉濾波器的輸出幅值偏小，閉運(yùn)算的擴(kuò)張性導(dǎo)致閉—開濾波器的輸出幅值偏大，存在明顯的統(tǒng)計(jì)偏倚現(xiàn)象，將直接影響噪聲的抑制性能。為消除該缺點(diǎn)，可以將以上2種運(yùn)算組合并構(gòu)造成如下的混合濾波器:

式中ai為權(quán)系數(shù)，一般取a1=a2=0.5。

處理后的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即可用于變壓器的狀態(tài)評(píng)價(jià)。

3 變壓器狀態(tài)評(píng)價(jià)模型

3.1 變壓器部件劃分

按功能相對(duì)獨(dú)立、部件性能改變對(duì)變壓器安全運(yùn)行影響的貢獻(xiàn)度盡量相同的原則，將變壓器劃分為本體、套管、冷卻系統(tǒng)3部分。用于部件狀態(tài)評(píng)價(jià)的狀態(tài)量共18個(gè)，具體分布見表1。

表1 部件與評(píng)價(jià)狀態(tài)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding relationship between parts and evaluation state variables

3.2 狀態(tài)量評(píng)價(jià)模型

不同狀態(tài)量對(duì)反映變壓器健康狀態(tài)的重要性各不相同，按照重要性的大小確定最大扣分值。如頂層油溫的重要性相對(duì)較小，則最大扣分值也較小;局部放電的重要性較大，則最大扣分值也較大。

同一狀態(tài)量根據(jù)測(cè)量結(jié)果偏離標(biāo)準(zhǔn)要求值的程度，給出不同的扣分值，偏離程度越大則扣分越大，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求值時(shí)不扣分。

3.2.1 頂層油溫

變壓器繞組溫度是決定設(shè)備絕緣壽命的重要因素。對(duì)于迫油循環(huán)導(dǎo)向風(fēng)冷方式變壓器，頂層油溫的評(píng)價(jià)函數(shù)為

對(duì)于油浸風(fēng)冷方式變壓器，頂層油溫的評(píng)價(jià)函數(shù)為

式中:x為頂層油溫，℃。

3.2.2 油位

運(yùn)行中變壓器的油位必須控制在合理范圍內(nèi)，變壓器油位涉及到的部分包括本體和套管，其評(píng)價(jià)模型為

式中f12(x)和f21(x)分別為本體和套管油位對(duì)應(yīng)的扣分?jǐn)?shù)。

3.2.3 密封

變壓器滲漏油作為變壓器運(yùn)行中的一項(xiàng)缺陷，將導(dǎo)致絕緣油受潮、劣化變壓器的工作環(huán)境。本體、套管、冷卻系統(tǒng)3個(gè)狀態(tài)量皆涉及密封性。密封評(píng)價(jià)函數(shù)為

式中f13(x)、f22(x)和f31(x)分別為本體、套管和冷卻系統(tǒng)密封導(dǎo)致的扣分?jǐn)?shù)。

3.2.4 油箱溫度

通過溫度場(chǎng)分布來(lái)判斷變壓器是否存在運(yùn)行溫度異常隱患，其評(píng)價(jià)函數(shù)為

3.2.5 局部放電

局部放電的狀態(tài)檢測(cè)方式主要包括帶電檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)，采用有無(wú)典型放電譜圖以及初值差的變化率來(lái)判斷，具體評(píng)價(jià)模型為

式中:g1(x)和g2(x)為帶電檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)的扣分?jǐn)?shù)，其中g(shù)1(x)為

當(dāng)帶電檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)典型放電譜圖時(shí)，x=2;若無(wú)典型放電圖譜，但與同類設(shè)備檢測(cè)結(jié)果有明顯區(qū)別時(shí)，x=1，否則 x=0。g2(x) 為

式中初值差為

3.2.6 油色譜

變壓器出現(xiàn)過熱或放電故障時(shí)，都會(huì)析出一些特征氣體，通過特征氣體含量來(lái)判定變壓器是否存在故障，具體評(píng)價(jià)模型為

式中:k1為氫氣異常導(dǎo)致的扣分;k2為總體異常導(dǎo)致的扣分;k3為乙炔異常導(dǎo)致的扣分。

式(17)中，當(dāng)氫氣初值差小于30%、變化量小于45 μL/L 時(shí)，k1=15，否則 k1=0。

當(dāng)總烴初值差小于30%、變化量小于45 μL/L時(shí)，k2=15，否則 k2=0。

對(duì)于110、220 kV變壓器，當(dāng)乙炔初值差小于30%、變化量小于1.5 μL/L時(shí)，k3=15，否則k3=0。

對(duì)于500 kV變壓器，當(dāng)乙炔初值差小于30%、變化量小于0.3 μL/L 時(shí)，k1=15，否則 k3=0。

3.2.7 油微水

絕緣油微水含量評(píng)價(jià)模型為

當(dāng)微水初值差小于30%、變化量小于7.5 μL/L時(shí)，x=1，否則 x=0。

3.2.8 鐵心接地電流

變壓器鐵心接地電流是衡量變壓器是否存在鐵心故障的重要指標(biāo)，具體評(píng)價(jià)模型為

式中x為鐵心接地電流數(shù)值，mA。

3.2.9 短路電流

變壓器的短路電流會(huì)導(dǎo)致繞組發(fā)生變形，短路電流是評(píng)價(jià)變壓器是否變形的重要指標(biāo)，具體評(píng)價(jià)模型為

式(20)中當(dāng)累計(jì)承受的短路電流有1次超過95%或2次達(dá)到額定短路電流值的80% ～90%時(shí)，x=2;只有1次達(dá)到額定短路電流值的80% ～90%時(shí)，x=1;低于額定短路電流值的80% 時(shí)，x=0。

3.2.10 有載分接開關(guān)操作次數(shù)

有載分接開關(guān)作操作次數(shù)的評(píng)價(jià)模型為

3.2.11 接頭溫度

接頭作為發(fā)熱的主要部件，在運(yùn)行中必須有效控制，其評(píng)價(jià)模型為

式中δ為相對(duì)溫差，有

式中:T1、T2為2個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)溫度，其中T1為較熱點(diǎn)溫度，T0為環(huán)境溫度。

3.2.12 套管泄漏電流

套管的狀態(tài)可以通過泄漏電流數(shù)據(jù)來(lái)反映，泄漏電流的具體評(píng)價(jià)模型為

式中x為泄漏電流初值差。

3.2.13 套管介質(zhì)損耗因素與電容量

套管的狀態(tài)除了泄漏電流外，也可以通過套管介質(zhì)損耗因素與電容量來(lái)反映，對(duì)于已經(jīng)采用泄漏電流進(jìn)行評(píng)價(jià)的變壓器套管無(wú)需進(jìn)行介質(zhì)損耗因素與電容量評(píng)價(jià)，對(duì)于未用泄漏電流評(píng)價(jià)的套管，其評(píng)價(jià)模型為

式中x為初值差。

3.2.14 冷卻器污穢

變壓器冷卻器嚴(yán)重污穢時(shí)會(huì)影響冷卻器的正常工作，造成變壓器運(yùn)行隱患，其評(píng)價(jià)模型為

3.2.15 油泵及風(fēng)扇工況

變壓器冷卻系統(tǒng)油泵及風(fēng)扇的工況是反應(yīng)冷卻器工作的重要狀態(tài)量，其評(píng)價(jià)模型為

式中x為油泵、風(fēng)機(jī)電流初值差。

3.3 部件狀態(tài)評(píng)價(jià)

變壓器部件的狀態(tài)評(píng)價(jià)分2個(gè)步驟進(jìn)行:

(1)根據(jù)狀態(tài)量的評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算部件得分;

(2)建立部件得分與狀態(tài)的關(guān)系，依據(jù)部件得分給出部件狀態(tài)。

部件評(píng)價(jià)起評(píng)分為100分，雖然不同的主狀態(tài)量(或輔助狀態(tài)量)對(duì)部件評(píng)價(jià)結(jié)果的影響不同，但是不同主狀態(tài)量(或輔助狀態(tài)量)的權(quán)重體現(xiàn)在狀態(tài)量的最大扣分值中，因此不再另列權(quán)重系數(shù)。同一部件主狀態(tài)量(或輔助狀態(tài)量)的扣分值按等權(quán)重相加的方式進(jìn)行，其中主要狀態(tài)量的扣分不超過80分，輔助狀態(tài)量的扣分不超過20分。根據(jù)各狀態(tài)量的扣除分值，可以得到部件tr的評(píng)價(jià)得分為

式中:tr為部件代號(hào)，tr=1、2、3分別對(duì)應(yīng)本體、套管和冷卻系統(tǒng);m為與部件tr對(duì)應(yīng)的主狀態(tài)量數(shù)量;n為與部件tr對(duì)應(yīng)的輔助狀態(tài)量數(shù)量;p為缺陷因子，若該部件存在家族性缺陷，則p=0.95，否則p=1。部件的狀態(tài)分為“正常狀態(tài)”、“注意狀態(tài)”和“不良狀態(tài)”共3個(gè)狀態(tài)。根據(jù)式(28)可以計(jì)算得到部件的評(píng)價(jià)得分，部件狀態(tài)見表2。

3.4 變壓器整體狀態(tài)評(píng)價(jià)

在變壓器的本體、套管、冷卻系統(tǒng)3個(gè)部件中，任一部件的狀態(tài)不良，必將直接影響到變壓器安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。變壓器整體狀態(tài)評(píng)價(jià)按“短板理論”進(jìn)行，變壓器整體得分為

表2 部件不同得分時(shí)的狀態(tài)Tab.2 Relationship between parts’score and states

式(29)說(shuō)明變壓器整體得分與部件的最低得分相同，變壓器整體狀態(tài)與最差部件的狀態(tài)一致。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了變壓器的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，提出了反映變壓器運(yùn)行性能的非停電檢測(cè)狀態(tài)量。利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論，構(gòu)造了開—閉、閉—開和混合濾波器，提高了在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。建立了基于狀態(tài)量、部件和整體的3級(jí)評(píng)價(jià)方法。本文的研究結(jié)論、評(píng)價(jià)方法，已在現(xiàn)場(chǎng)得到了應(yīng)用，完成對(duì)輸變電設(shè)備的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和狀態(tài)預(yù)警。

［1］DL/T 393—2010輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［2］Q/GDW 169—2008油浸式變壓器(電抗器)狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則［S］.

［3］張懷宇，朱松林，張揚(yáng)，等.輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)體系研究與實(shí)施［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(13):70-73.

［4］Ghasemi A，Yacout S，Ouali M S.Parameter estimation methods for condition-based maintenance w ith indirect observations［J］.IEEE Trans Reliability，2010，59(2):426-439.

［5］Almeida C A L，Braga A P，Nascimento S，et al.Intelligent thermographic diagnostic applied to surge arresters:a new approach［J］.IEEE Trans Power Delivery，2009，24(2):751-757.

［6］孫翔，何文林.變壓器狀態(tài)量?jī)?yōu)化分析［J］.浙江電力，2012(1):58-62.

［7］王楠，律方成.數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波預(yù)處理tanδ在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［J］.高電壓技術(shù)，2003，29(7):32-33.

［8］譚向宇，許學(xué)琴，孫福，等.新型自適應(yīng)廣義形態(tài)濾波器在MOA在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(19):25-29.

［9］唐常青，呂宏伯，黃錚，等.數(shù)學(xué)形態(tài)方法及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，1990.