電力變壓器狀態(tài)檢修技術(shù)研究

張旭（煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

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電力變壓器狀態(tài)檢修技術(shù)研究

張旭
（煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

摘要：在分析電力變壓器在變電站及電力系統(tǒng)中的重要性基礎(chǔ)上，對電力變壓器的運(yùn)行維護(hù)技術(shù)發(fā)展歷程進(jìn)行詳細(xì)介紹，闡述表征電力變壓器狀態(tài)的繞組熱點(diǎn)溫度、套管絕緣、油中微水及氣體含量和振動等狀態(tài)量的含義，以C8051F020單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，并對電源單元及信號處理單元進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：電力變壓器；維護(hù)；狀態(tài)檢修；監(jiān)測系統(tǒng)

本文引用格式：張旭.電力變壓器狀態(tài)檢修技術(shù)研究［J］.新型工業(yè)化，2016，6（6）：75-78.

Citation： ZHANG Xu.Design Monitoring System of Performance Characteristic for Permanent-magnet Vacuum Circuit Breaker［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（6）： 75-78.

0 引言

伴隨國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國電網(wǎng)電壓等級和容量不斷提高，逐漸形成區(qū)域性及跨區(qū)域性的全國大電網(wǎng)。變電站是將輸電線路的高壓電轉(zhuǎn)換為低壓電的重要設(shè)備，變電站與區(qū)域電網(wǎng)構(gòu)成密不可分的整體，一旦變電站發(fā)生故障，必會嚴(yán) 重影響整個電網(wǎng)的安全［1］。因此，為了保證電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行，必須加強(qiáng)和重視變電站的日常管理和維護(hù)，確保其能夠穩(wěn)定運(yùn)行。電力變壓器是變電站中最為關(guān)鍵的設(shè)備，其運(yùn)行可靠性直接關(guān)系到整個變電站及整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 電力變壓器維護(hù)方式發(fā)展

根據(jù)不同時(shí)期變電器的維護(hù)方式不同，可以將其劃分為“事故維修”、“定期檢修”和“狀態(tài)檢修”三個階段。早期變電器的維護(hù)大部分采用事故維修方式，也就是在事故發(fā)生后進(jìn)行維修。事故維修的方式不僅單次維修難度高、工作量大，容易造成電力變壓器及相關(guān)電氣設(shè)備的損壞，還將導(dǎo)致大面積停電，影響正常的工業(yè)生產(chǎn)和人民生活。

針對事故維修方式的弊端，我國電力工作者根據(jù)“電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程”中關(guān)于電力變壓器的要求，長期以來對電力變壓器采用定期檢修的方式進(jìn)行維護(hù)［2-3］。定期檢修方式采用定期預(yù)防性試驗(yàn)，根據(jù)電力變壓器各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，判斷其運(yùn)行狀態(tài)和潛在故障，確定是否對其進(jìn)行檢修。該方式可以及時(shí)排除電力變壓器的事故隱患，提高了其安全水平和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。但檢修周期比較固定，無論電力變壓器運(yùn)行好壞都要進(jìn)行定期試驗(yàn)，大大增加了檢修的工作量，造成資源和人員的浪費(fèi)。檢修過程會增加電力變壓器內(nèi)部在空氣中的暴漏時(shí)間，增加了灰塵、潮氣進(jìn)入電力變壓器內(nèi)部的可能，為電力變壓器的安全運(yùn)行帶來新的隱患。同時(shí)，檢修過程電力變壓器處于停電狀態(tài)，不能更好的表征其帶電工作狀態(tài)的性能參數(shù)，檢修結(jié)果的可靠性不高。

為了彌補(bǔ)定期檢修維護(hù)方式的不足，伴隨傳感器靈敏度、信號處理和傳輸技術(shù)及狀態(tài)評估理論的發(fā)展，一種新型狀態(tài)檢修的維護(hù)方式應(yīng)運(yùn)而生。狀態(tài)檢修方式采用先進(jìn)的在線監(jiān)測技術(shù)，實(shí)時(shí)獲得電力變壓器工作狀態(tài)的同步信號，通過專家?guī)爝M(jìn)行狀態(tài)評估，判斷電力變壓器的工作狀態(tài)及趨勢，在故障發(fā)生前有針對性地進(jìn)行檢修。狀態(tài)檢修分為狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)評估和治理預(yù)防三個步驟，具體如圖1所示。狀態(tài)檢修與定期檢修相比，避免了不必要的維修、減少維護(hù)工作量和電力變壓器內(nèi)部在空氣中的暴漏時(shí)間，同時(shí)也降低因灰塵和潮氣進(jìn)入引起電力變壓器故障的風(fēng)險(xiǎn)［4］。狀態(tài)檢修技術(shù)的應(yīng)用和推廣，工作人員能夠?qū)崟r(shí)掌握電力變壓器的運(yùn)行狀態(tài)和趨勢，便于確定最佳檢修方案，提高電力變壓器的檢修水平和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低維護(hù)成本，能夠帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

圖1 電力變壓器狀態(tài)檢修步驟Fig.1 Steps of power transformer state maintenance

2 主要狀態(tài)量

狀態(tài)監(jiān)測方式主要對表征電力變壓器運(yùn)行狀態(tài)的變量進(jìn)行采集，選擇繞組熱點(diǎn)溫度、套管絕緣、油中微水及氣體含量和振動作為狀態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為電力變壓器狀態(tài)評估提供原始數(shù)據(jù)依據(jù)，下邊對各個變量進(jìn)行詳細(xì)介紹。

繞組熱點(diǎn)溫度是電力變壓器在運(yùn)行過程中出現(xiàn)在繞組某段的最高溫度，也是對電力變壓器負(fù)載能力限制的決定性因素。電力變壓器繞組發(fā)熱引起內(nèi)部溫度升高也是導(dǎo)致其絕緣材料老化的重要原因之一［5-6］。熱點(diǎn)溫度變化可以作為控制電力變壓器所帶負(fù)載的大小的重要依據(jù)，也可以用于作為狀態(tài)評估的重要原始數(shù)據(jù)，推斷電力變壓器絕緣的老化程度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電力變壓器壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。

套管是電力變壓器主要的絕緣裝置，繞組的引出線必須穿過套管。根據(jù)電力變壓器電壓等級的不同，套管分為純瓷套管、電容套管和充油套管等形式，在電力變壓器中不僅承擔(dān)固定引出線作用，還起到引出線之間及引出線對外殼之間的絕緣效果［7］。對套管的絕緣情況進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力變壓器的絕緣缺陷，預(yù)測套管絕緣的變化趨勢，提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

油中微水及氣體含量變化表征電力變壓器的絕緣油、絕緣材料的老化狀況。在運(yùn)行過程中，電力變壓器的油、纖維材料會慢慢老化，分解出微量的水。同時(shí)，密封不嚴(yán)密封不嚴(yán)也會導(dǎo)致水分或潮氣進(jìn)入，使油中的水含量增加。電力變壓器發(fā)生故障前，在電、熱效應(yīng)的作用下內(nèi)部產(chǎn)生烴類、CO、氫氣、CO2等多種氣體。系統(tǒng)通過監(jiān)測各種氣體和水的含量，分析電力變壓器的絕緣狀態(tài)，對電力變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。

振動是由電力變壓器繞組、冷卻裝置及鐵芯振動引起的，所以測量振動信號，并對信號進(jìn)行合理分析，便可預(yù)測電力變壓器的繞組、冷卻裝置及鐵芯的工作狀態(tài)。電力變壓器發(fā)生短路故障時(shí)，繞組電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定電流，電動力增大，電力變壓器機(jī)械穩(wěn)定性降低，甚至引起繞組扭曲變形，嚴(yán)重威脅電力變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目有繞組熱點(diǎn)溫度、套管絕緣、油中微水及氣體含量和振動等，系統(tǒng)以C8051F020單片機(jī)為核心，主要包括多通道傳感器組、信號處理電路、電源單元、復(fù)位單元、晶振單元、報(bào)警單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和上位機(jī)評估單元，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。多路傳感器組中的溫度傳感器、微水含量傳感器、多路氣體傳感器、振動傳感器等輸出信號經(jīng)過信號處理電路的濾波放大后傳輸給C8051F020單片機(jī)的ADC模塊，內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行模擬量與數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到狀態(tài)量的值，然后通過數(shù)據(jù)傳輸單元發(fā)送給上位機(jī)評估單元，上位機(jī)評估單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、記錄和狀態(tài)評估［8-9］。

圖2 電力變壓器監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of power transformer monitoring system

3.1 電源單元

C8051F020單片機(jī)的內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)輸入電壓為3.3V，I/O口輸入電壓為5V，故系統(tǒng)需要采用雙路穩(wěn)壓電源供電模式。電源單元設(shè)計(jì)時(shí)采用雙穩(wěn)壓模塊LM7805和LM117M3為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，220V交流電經(jīng)過變壓、交-直轉(zhuǎn)換后變成直流信號，經(jīng)過濾波電容處理后給LM7805的輸入端，LM7805的輸出端得到5V穩(wěn)壓信號供給C8051F020單片機(jī)的I/O口。同時(shí)，LM7805的輸出端與LM117M3的輸入端相連接，實(shí)現(xiàn)5V與3.3V電壓之間的轉(zhuǎn)換，3.3V穩(wěn)壓電路如圖3所示［10］。

圖3 3.3V穩(wěn)壓電路Fig.3 Regulator circuit of 3.3 V

3.2 信號處理單元

C8051F020單片機(jī)內(nèi)部集成12位AD轉(zhuǎn)換器，根據(jù)軟件程序可以實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。電力變壓器監(jiān)測用傳感器的輸出信號為弱點(diǎn)信號，同時(shí)伴隨有高頻信號干擾，所以在C8051F020單片機(jī)ADC模塊端口前必須設(shè)置信號處理單元。傳感器輸出信號分為電壓型和電流型兩種，以電流型信號為例對傳感器輸出信號處理單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路如圖4所示。傳感器的輸出信號經(jīng)過電壓R1分壓后轉(zhuǎn)換成電壓信號經(jīng)過電阻R2和電容C5濾波（濾除高頻噪聲信號）后發(fā)送給運(yùn)算放大器LM358，傳感器輸出信號放大后輸送到C8051F020單片機(jī)ADC模塊端口。

圖4 信號處理電路Fig.4 circuit of signal processing

4 結(jié)論

電力變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行是變電站及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，對其狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測具有十分重要的經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)意義。分析繞組熱點(diǎn)溫度、套管絕緣、油中微水及氣體含量和振動等狀態(tài)兩隊(duì)電力變壓器運(yùn)行的影響，完成監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對電力變壓器運(yùn)行主要參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和狀態(tài)評估。

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DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.06.009

基金項(xiàng)目：中國煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新基金（2013MS014）

作者簡介：張旭（1981-），男，工程師，煤礦電氣設(shè)備檢驗(yàn)與研究

Design Monitoring System of Performance Characteristic for Permanent-magnet Vacuum Circuit Breaker

ZHANG Xu
（CCTEG Shenyang Research Institute， Fushun Liaoning 113122）

ABSTRACT：Based on the analysis of the importance of power transformer in the substations and power system， based on the operation of the power transformer maintenance technology development process in detail， this paper characterized the state of the power transformer winding hot spot temperature， insulation casing， micro water in the oil and gas content and meaning of vibration such as state variable， and the C8051F020 microcontroller as the core design condition monitoring system overall structure， and the power supply unit and the signal processing unit are detailed design.

KEyWORDS：Power transformer； Maintenance； State overhaul； Monitoring system