干式變壓器在線監(jiān)測在海洋石油平臺中的應(yīng)用

劉巖(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

0 引言

干式變壓器是海洋石油平臺的主變壓器，在應(yīng)用時，其自身的故障可能會造成更大的安全事故，絕緣局部放電與過熱故障是干式變壓器產(chǎn)生故障的重要因素。針對海洋石油平臺主變壓器在線監(jiān)測和故障診斷分析系統(tǒng)的不足，通過將突變理論、自適應(yīng)濾波以及檢測閾值自整定技術(shù)進行有效結(jié)合，開展故障綜合定位與預(yù)警，研究出具有針對性的海洋石油平臺干式變壓器在線綜合故障監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在智能數(shù)據(jù)收集方面能夠?qū)崿F(xiàn)多單元分布式同步采集，適應(yīng)海洋石油平臺的特殊狀況，便于安裝，能夠完成對海洋石油平臺主變壓器的在線監(jiān)控、故障預(yù)警和分析，大大提升了海洋石油平臺電力系統(tǒng)的安全性與可靠性。

1 干式變壓器概述

對于海洋石油平臺電力系統(tǒng)而言，干式變壓器是非常重要的裝置，是電力系統(tǒng)運作的核心。為了滿足海洋運輸以及石油開發(fā)的需求，干式變壓器逐漸在海船與海洋石油鉆井平臺進行廣泛應(yīng)用。其額定容量為30～10000kVA，電壓等級為0.38～35kV。海洋石油開發(fā)項目設(shè)備中的發(fā)電機組電壓通常大于3.3kV。然而，平臺上只有少數(shù)大容量電機應(yīng)用3.3kV 以上的電壓，大部分技術(shù)與公共系統(tǒng)電氣設(shè)備都采用380V 電壓。電力變壓器在海洋石油開發(fā)工程設(shè)施中的主要作用是將主發(fā)電機的輸出電壓轉(zhuǎn)化為電力設(shè)備能夠應(yīng)用的電壓。此外，為了降低電能長距離輸送到各井口平臺所形成的線路壓降損害，必須利用升壓變壓器對主發(fā)電機的電壓互感器實施改造。在以往的石油平臺中，干式變壓器包含了很多平臺的電壓、電流、繞組溫度監(jiān)測，同時還對定期檢查的方法實行維護，這一方式往往會引發(fā)不完全維護和過度維護的狀況，造成一定損失。面對上述情況，研制具有針對性的海洋石油平臺干式變壓器在線綜合故障監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。

2 干式變壓器特質(zhì)

干式變壓器的安全應(yīng)用與壽命在極大程度上取決于變壓器繞組絕緣的安全性和可靠性。繞組溫度大于絕緣容限溫度而引起的絕緣破壞，是引起變壓器失去穩(wěn)定工作能力的重要原因之一，為此，監(jiān)測變壓器的工作溫度以及警報控制是非常重要的。以下通過介紹Ttc-300 系列溫度控制系統(tǒng)進行闡述。

(1)風機自動控制。將Pt100 熱敏電阻嵌入低壓繞組最發(fā)熱的部位，測量溫度信號。當變壓器負荷不斷加大，運行溫度升高，繞組溫度超過110℃時，系統(tǒng)自動開啟風機冷卻；溫度達到90℃的時候，系統(tǒng)自動停止。

(2)超溫報警、跳閘。將PTC 非線性熱敏電阻嵌入低壓繞組中，收集繞組以及鐵芯的溫度信號。當變壓器繞組溫度持續(xù)上漲到155℃時，將會引起系統(tǒng)超溫報警。在溫度持續(xù)增加到170℃時，變壓器將會停止運作，過溫跳閘信號傳送到二次保護電路，變壓器即迅速跳閘。

(3)溫度顯示系統(tǒng)。溫度變化值由嵌入低壓繞組的Pt100 熱敏電阻進行測量，并直接對各相繞組的溫度(三相檢查與最大值，并可記錄最高溫度)進行展示。最高溫度可輸出4～20mA模擬量，如果需要傳輸?shù)竭h處的計算機(距離可以達到1200m)，可以增加計算機接口，一個變送器可以同時監(jiān)控多達31 個變壓器。Pt100 熱敏電阻信號還可以激活系統(tǒng)的超溫報警和跳閘，有效提升溫度控制保護系統(tǒng)的安全與可靠性。

3 干式變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

當前，干式變壓器局部放電監(jiān)測往往會選擇脈沖電流、超高頻、超聲波這幾種方式進行使用。例如在渤海某一石油平臺干式變壓器局部放電監(jiān)測就選擇了超聲波的方式進行應(yīng)用，并根據(jù)干式變壓器內(nèi)局部放電引起的超聲波規(guī)模、方位來測定局部信號源的位置。該系統(tǒng)主要由超聲波局部放電傳感器、振動傳感器、溫濕度傳感器、下位機與上位機柜共同組成，其系統(tǒng)構(gòu)建如圖1 所示。

圖1 干式變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架圖

(1)超聲波局部放電傳感器、振動傳感器、溫濕度傳感器的作用。超聲波局部放電傳感器、振動傳感器、溫濕度傳感器在對變壓器的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)完成實時監(jiān)測和信號調(diào)理以后，再傳送到下位機。

(2)下位機。下位機的主要作用是對傳感器信號進行采集和存儲，然后把數(shù)據(jù)傳送到后臺監(jiān)控的上位機。

(3)上位機。其主要功能是和下位機通信，進行數(shù)據(jù)的收集和存儲，并對數(shù)據(jù)查詢進行展示，屬于在線監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分。

4 干式變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)功能

有效處理軟件界面，易于操作，具有很大的數(shù)據(jù)分析與處理、歷史趨勢分析和顯示的能力，而實際作用則主要包含：(1)對運行變壓器的振動、溫度、濕度進行實時監(jiān)控。(2)對變壓器局部放電進行實時監(jiān)控，通過變壓器內(nèi)部放電的具體情況來展示變壓器本身的絕緣功能，當變壓器內(nèi)部的絕緣減少時，可以及時發(fā)現(xiàn)，以此在故障早期提供預(yù)警作用。(3)對變壓器中出現(xiàn)的故障點進行定位。通過系統(tǒng)對變壓器中形成的局部放電進行檢測，使用定位系統(tǒng)來定位故障的具體方位，以此來提升故障處理的工作效率，節(jié)約經(jīng)濟資源。(4)以上監(jiān)控數(shù)據(jù)每5 分鐘(默認)保存一次，然后在歷史數(shù)據(jù)庫里進行儲存。(5)在數(shù)據(jù)超出限定值時將自動報警并存儲故障數(shù)據(jù)。(6)對以前的數(shù)據(jù)發(fā)展圖進行查閱。(7)研究相關(guān)故障數(shù)據(jù)。(8)可以讓用戶進行登錄。(9)參數(shù)配置可以修改報警閾值、各監(jiān)測量的傳感器坐標等各種參變量。

5 干式變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝

5.1 結(jié)合傳感器方位安裝

(1)裝備振動傳感器與溫濕度傳感器的安裝方位。結(jié)合實際情況，通常在變壓器下方安裝振動傳感器，信號線連接振動信號放大器調(diào)理模塊，而在另一端輸出的信號線則與下位機的復(fù)用器的對應(yīng)接口進行連接。溫濕度傳感器通常在變壓器機柜的側(cè)壁上進行安裝，該位置不會對變壓器的穩(wěn)定工作和傳感器本身的安全產(chǎn)生影響。此外，應(yīng)規(guī)避陽光直射、遠離窗戶、空調(diào)和暖氣設(shè)備，并且應(yīng)該遠離大功率干擾設(shè)備，避免測量誤差。將溫濕度傳感器信號線連接好后，分別對下位機信號調(diào)理模塊的溫度與濕度的接口進行連接。

(2)干式變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)局部放電傳感器安裝位置。在開展傳感器安裝的時候，我們查找了有關(guān)干式變壓器故障的資料，可以知道干式變壓器局部放電的現(xiàn)象一般是發(fā)生在其上面。為此，在主變壓器中安裝了8 個局部放電傳感器，如圖2 所示。

圖2 局部放電傳感器安裝位示意圖

在圖2 中，四向傳感單元(1、2、3、4)能夠涵蓋整個圖中的1、2、3、4 的四個區(qū)域，通過對干式變壓器局部放電的位置通常集聚在上部進行考慮，因此，上述四路傳感器單元的布置滿足有關(guān)需求。對于繞組A 的外部(區(qū)域5 和6)和繞組C 的外部(區(qū)域7 和8)，還應(yīng)在變壓器外殼上布置其他四通傳感單元，如圖2(5、6、7、8)所示。這樣就能對主變壓器的整個部門進行覆蓋，沒有盲點，能對變壓器進行完整的監(jiān)控。

5.2 干式變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)下、上位機的安裝

(1)下位機安裝位置。安裝下位機時，為能夠有利于各傳感器信號的便利采集和存儲，規(guī)避在傳輸工作中發(fā)生問題，下位機柜設(shè)置在主變壓器中。

(2)上位機放置位置。安裝上位機時，應(yīng)考慮工作者的操作便捷度，上位機安置于辦公室所在房間的主開關(guān)室內(nèi)。

6 結(jié)語

文章對海洋石油平臺干式變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)進行了分析，對組成、功能、安裝、供電幾方面進行了介紹，并且利用在線監(jiān)測系統(tǒng)對干式變壓器局部放電、振動、溫濕度等各種參數(shù)進行了測試，完成了對變壓器的實時在線安全監(jiān)測，進而確保了海上石油平臺電氣系統(tǒng)進行正常運作。