适用于110kV主变压器的在线监测方案研究

张大庆 范世清 王晨 张永生

摘要：本文依托某110kV变电站工程全寿命周期设计，对主变压器在线监测方案进行全寿命周期比选，综合分析，研究其全寿命周期成本、性能、使用寿命等核心指标的影响因素及相互关系,充分考虑工程经济性、安全可靠性及节约环保的要求，对110kV变电站工程的主变压器在线监测方案展开研究。

关键词：全寿命周期设计 110kV主变压器 在线监测

中图分类号： TM4 文献标识码： A

1 概述

1.1 目的和意义

电力系统一直沿用定期检修和事后检修相结合的检修模式来检查、处理设备缺陷，在多年的实践中有效减少了设备的突发事故，基本保证了设备的良好运行。随着我国经济的高速发展，电力需求不断增加，电网规模迅速发展，电网设备数量急剧增加，定期检修的工作量剧增，维护检修费用骤增，检修人员紧缺问题便日益突出[1]。这种运行习惯显然已不能满足电力系统发展的要求。

因此，为了解决电力系统面临的提高供电可靠性、有效控制检修成本、合理延长设备使用寿命等棘手问题，实现状态检修成为必然趋势。

在新建工程中，安装配置或预留一定数量的在线监测装置接口，有选择地对电气一次设备的运行状况进行在线监测，实时检测运行设备的各种参数，及时发现设备的潜在故障，防患于未然，避免恶性事故的发生，使运行维护由定期检修逐步转向状态检修，进一步提供安全、优质的电能。

为此，结合目前国内应用的在线监测技术，通过强调管理和技术分析的作用，以全寿命周期管理理念，结合未来电力技术发展方向，确定该站的在线监测装置方案，及时发现设备的潜在故障，合理延长设备使用寿命，达到早期预报故障、避免恶性事故发生的目的，将会极大的提高供电可靠性，节省检修费用[1]，真正实现高压电气设备的状态检修，为实现变电站电气设备的智能化有着重要意义。

1.2 主要研究内容

变电站主变压器的安全稳定运行日益受到各界的关注，尤其越来越多的大容量变压器进网运行，一旦造成变压器故障，将影响正常生产和人民的正常生活，而且大型变压器的停运和修复将带来很大的经济损失，如果能够对变压器运行状况进行在线监测，通过数据分析提早发现或预判设备故障，可以大大提高变压器安全稳定运行可靠性，对电力系统安全可靠运行具有重要的现实意义[2]。

根据该110kV变电站工程全寿命周期设计要求，对智能主变压器的在线监测方案开展研究。

1.3 研究目标

通过对110kV油色谱在线监测方案与无在线监测方案比较，结合110kV变电站工程的实际工程情况，比选出不同条件下合适的变压器在线监测方案。

2 工程概况

某110千伏变电站终期规划安装主变3×50MVA，本期安装主变2×50MVA，电压等级为110/10千伏。每台主变低压侧安装无功补偿电容器6000+6000KVa；110千伏规划出线2回，本期2回；10千伏规划出线32回，本期24回。

站址区地层结构较为简单，覆盖层较薄，上部为黄土状粉土、下部粉质粘土。区内地下水位埋深约23m，地下水位变幅为1.50～2.00。根据该市水文地质资料调查分析，确定该区地下水对混凝土和钢结构具有微腐蚀性。电缆沟采用钢筋混凝土结构，沟长度240m，根据线缆敷设量，电缆沟尺寸按600m×800m设计。

3专题研究内容

3.1 变压器在线监测系统

根据智能变压器测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化、信息互动化的总体要求，在线监测应能够满足变压器以下需求:

l)根据实时获取的油箱顶部温度、环境温度、负荷电流评估绕组的热点温度和寿命损耗 (IEC60354， IEC70076-7)、过载能力、紧急过负载时间。向冷却器控制系统发出操作指令，并评估冷却效率，超过设定参数，主动启停相应设备，超过极限参数，主动发出信息或指令。

2)根据设定的冷却器控制方式(自动、手动)，控制并监视冷却器的运行，制定冷却器投切策略、优化冷却器投切。监视冷却器:a、每组风机的工作状态(工作、停止、故障);b、电源状态(正常、断相、停电、故障):根据冷却效率提示是否清理[3]。给出分类故障报警，紧急情况下主动发出指令。

3)能够将气体继电器状态(轻瓦斯、重瓦斯）、压力释放器状态动作跳闸、压力继电器动作跳闸等信息，按优先级次序实时发出。

4)将实时监测的油位、油箱内油压、油面温度、铁芯接地电流等模拟量转换成数字量，作为状态评估和故障分析的数据，或将实时监测数据上传。

5)监测吸湿器的干燥状态，并根据设定的判据，启停吸湿器干燥装置。

6)定时从油气监测装置中获取油气分析数据和油中含水量数据，分析变压器绝缘状态，记录其各种成分的变化趋势，评估绝缘水平。关注异常数据，并按 IEC60599或 GB/T7252或积累的经验推理，给出故障类型评估结果。对于超过预定变化速率的气体，给出紧急故障评估类型报警，同时给出原始数据。

7)在油气数据异常的情况下，结合负荷数据，评估故障性质。

8)接受变压器绕组热点温度监测装置数据，评估变压器负荷状态、寿命损耗、过负荷能力、并动态优化冷却方式。

9)用户根据需要可随时调出变压器本体的各种性能参数、结构特性数据和必要的图形[3]。

传统变压器和智能变压器的实现方案示意图分别如下图所示。

图3-1常规变压器实施方案

图3-2智能变压器实施方案

本专题主要针对变压器在线监测系统配置进行分析，将配置油色谱在线监测的110kV智能变压器方案与无在线监测110kV变压器方案进行分析比较。

图3.3变压器油色谱在线监测系统原理示意图

3.2计算条件及调研数据

根据以往运行的经验数据进行分析，无监测装置变压器的可靠性指标如下表：

表 3-1 无在线监测变压器的可靠性指标表

强迫停运率次 /(100台×年) 计划停运率次 /(100台×年) 非计划停运率次 /(100台×年)

110kV无在线监测变压器 2.499 0.599 0.016

变压器配置在线监测装置，使其具有了自检、自测，甚至自愈的功能，因此智能变压器在强迫停运率、计划停运率和非计划停运率等方面都将优于常规变压器，假设以上三项指标分别比常规变压器提高一倍，则智能变压器的可靠性指标修正如下表。

表 3-2 油色谱在线监测变压器的可靠性指标表

强迫停运率次 /(100台×年) 计划停运率次 /(100台×年) 非计划停运率次 /(100台×年)

110kV油色谱在线监测变压器 1.250 0.299 0.008

根据对国内各大变压器厂的调研，相比于常规变压器，配置在线监测的110kV智能变压器拟增加在线监测装置、智能控制柜、智能模块、和电子式电流互感器等单元设备。

4 设计方案比选

4.1油色谱在线监测方案与无监测方案的LCC计算

一次投资成本考虑设备费、安装费等，如下表所示：

项目名称 无在线监测方案 油色谱在线监测方案

设备费用 0 15×3

安装费用 0 0.8×3

合计 0 47.4

表 4-1油色谱在线监测一次投资成本单位：万元

在一次投资成本计算中，可以看出在线监测装置方案要规变压器多47.4万元。变压器配备在线监测装置后，并不明显增加主变本体重量和体积。

4.2 运行成本

运行成本主要考虑装置损耗更换费及运行维护费用。

表 4-2主变压器运行成本单位：万元

项目名称 无在线监测方案 油色谱在线监测方案

运行维护费用 0.5×40 0

损耗更换 0 4×3

合计 20 12

油色谱在线监测装置基本不需要运行维护，可忽略运行维护费用，根据该地区电力系统运行状况统计，油色谱在线监测装置出现故障损坏较少，可忽略不计。但油色谱在线监测装置每10年需要更换一次气瓶，每次费用在1万元，按照电气一次设备40年全寿命周期计算，其损耗更换费用在40年全寿命周期内为12万元。

4.3 中断供电损失成本

考虑两种方案的断电损失成本及修复成本，如下表

表 4-3中断供电损失成本 单位：万元

项目名称 无在线监测方案 油色谱在线监测方案

40年断电损失成本 500×2 0

40年断电修复成本 50×2 0

合计 1100 0

油色谱在线监测系统可提前发现变压器运行故障，及早处理安全隐患。油色谱在线监测系统属于变压器参数监控装置，其损坏并不影响主变压器工作，但会造成变压器脱离监控运行，使变压器可靠运行存在一定安全隐患。

无在线监测方案不能够提前或及时发现变压器运行异常和故障，变压器发生突发故障几率较大，本专题按照全寿命周期40年寿命中可能出现2次重大停电故障、每次故障造成断电损失500万元计算，对两个方案进行中断供电损失比较。

4.4 报废成本

报废成本(DC)考虑拆除费用及残值如下表：

表 4-4报废成本费用表 单位：万元

项目名称 无在线监测方案 油色谱在线监测方案

拆除费用 0 0.5×3

设备残值 0 0

合计 0 1.5

油色谱在线监测装置到达使用年限后需进行拆除并报废，因此存在拆除费用1.5万元，设备残值可以忽略。

4.5评估与比较

表4-5两个方案的比较单位：万元

无在线监测变方案 油色谱在线监测方案

一次投资成本 0 47.4

运行成本 20 12

中断供电损失成本 1100 0

报废成本 0 1.5

全寿命周期 1120 60.9

LCC价差 0 1059.1

通过比较，可以发现油色谱在线监测方案在一次成本、运行成本报废成本上要高于无在线监测方案，但在中断供电损失一项中能够避免1039.1万元故障损失，若是重要负荷变电站的主变压器，油色谱在线监测方案可能会避免更多的断电损失。

参考以往的变电站，二次设备在前5年处于引入期，第5-10年为推广期，10-25年为成熟期，25年后将逐渐衰退。推广期的价格与成熟期的价格相比，几近相差 40%。据此，在智能变电站内，对于智能组件在推广期内，产品价格约为引入期的80%，在成熟期内，产品价格约为引入期的60%。油色谱在线监测方案的一次投资成本减少，其经济效益比越来越高[4]。

5 结论与建议

通过对油色谱在线监测方案与无监测方案的比较分析，以某110kV变电站工程为研究案例，对主变压器油色谱在线监测方案进行了研究。油色谱在线监测方案能够提高主变压器运行安全可靠性，在全寿命周期内可以避免大量断电损失成本，同时可以减少主变压器的运行维护工作，节省了大量的巡视费用[5]。建议油色谱在线监测方案用于运行安全可靠性要求高的枢纽变电站或负荷较重的变电站，以及边远山区的无人值班站。

参考文献

[1] 黄建华，全零三.变电站高压电气设备状态检修的现状及其发展[J].电力系统自动化，2001(25):16.

[2]韩豫，胡继军，查申虎，成虎.变电站全周期设计的理论及应用[J].中国电力.2011(3):44.

[3] 易永辉.基于全寿命周期管理的智能变电站应用方案研究[J].电力系统保护与控制.2010(13):99-102.

[4] 张明石，曾梅.某220kV变电站土建设计全周期设计理念的具体应用[J].能源技术经济.2011(11):23.

[5] 张国庆.全寿命周期管理引领基建未来[J].国家电网.2008(12):22.

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第一作者简介：张大庆（1984），男，2011年毕业于河北大学电气工程学院，硕士，国网承德供电公司、承德天汇电力设计有限责任公司，