基于顶层油温升的油浸式变压器在线监测方法

甘景福,晏 坤

(国网冀北电力有限公司唐山供电公司,河北 唐山 063000)

0 引言

油浸式变压器是电力系统非常重要的变电设备,其安全稳定运行关乎整个电力系统的安全稳定性[1-3]。因此,对油浸式变压器的运行情况进行实时监测,及时准确地掌握其健康状况具有重要意义。

近年来,业内的专家和学者提出了多种变压器在线监测方法。文献[4-6]研究了基于变压器油色谱的在线监测方法,根据变压器油内溶解气体的在线采样、分析和判断,甄别变压器内部是否存在过热或放电等故障。文献[7-8]研究了基于变压器局部放电时产生的高频、特高频、超声波等电磁信号的在线监测方法,可以对变压器内局部放电进行实时检测和定位。文献[9]提出一种基于变压器振动情况分析的在线监测方法,该方法通过监测变压器运行时的振动情况,并与理论振动情况进行实时对比分析,由此判断变压器是否处于异常状态。上述几种在线监测方法多基于特定的电气量或化学量,但变压器内部异常发热、散热系统异常等变压器异常工作状态,通常没有显著的电气量和化学量。而基于振动分析的在线监测方法,采用的是变压器简化振动模型,忽略了环境温度对振动的影响,难以保证在温度变化较大情况下分析结果的准确性。

本文提出一种利用变压器顶层油温升对变压器异常运行进行在线监测的方法。该方法基于变压器顶层油温升数学模型,结合变压器实时运行参数计算得到变压器顶层油温升值的计算值,并与设置在变压器上的温度传感器采集到的实测油温升数据进行实时比较,以此判断变压器运行状态是否正常。该方法可以对变压器油量不足、绕组局部匝间短路、轻微裸金属过热、铁心局部短路、散热系统阀门未开启、散热器工作不正常等异常运行状态进行在线监测,保证变压器安全稳定运行。

1 变压器运行状态与顶层油温升特性

顶层油温升是油浸式变压器的一个运行参数,是指顶层油温度与外部冷却介质温度的差值。油浸式变压器的顶层油温升取决于变压器内部发热因素和散热因素的综合影响[10]。变压器内部发热既有变压器空载损耗、负载损耗等正常原因引起的,也有变压器绕组匝间短路、内部故障、接头不紧固、铁心多点接地、铁心局部短路等异常原因引起的,从而造成顶层油温升异常。散热方面,散热器阀门不正常开启、油位不正常、潜油泵工作不正常、散热器工作不正常都会影响变压器的散热能力,从而造成顶层油温升异常。

变压器顶层油温升理论数学模型如式(1)。当变压器运行在某一特定状态下时,其各项运行参数可测量或根据说明书得到,依据该模型可以实时计算出变压器在这一运行参数下顶层油温的理论计算值。

式中:算子D为与每个时间段Dt相对应的相关变量的差分;θ0为顶层油温;θ0(n)为第n个时段变压器顶层油温度值;θ0(n-1)为上一时段变压器顶层油温度值;Dθ0(n)为第n个时段变压器顶层油温度的增加值;Δθ0r为额定损耗下顶层油稳态温升;R为额定电流下负载损耗与空载损耗的比值;K为负载系数,K=负载电流/额定电流;K11、K21、K22为变压器的热模型常数;τ0为平均油时间常数,τw为绕组时间常数;θa为环境温度。

2 变压器顶层油温升在线监测系统

2.1 变压器运行状态判断

变压器运行状态正常时,顶层油温度的计算值和实际测量值之间应基本一致,变化趋势亦应基本一致[11-12]。因此可以通过比较油浸式变压器顶层油温升的计算值和实测值,根据计算值和实测值的偏差来判断变压器内部是否有异常发热因素或散热系统是否存在异常,从而实现对油浸式变压器的线监测。

通过在油浸式变压器周围设置的温度传感器,来实时获取变压器运行的环境温度。将不同部位设置的温度传感器检测到的数值,作算数平均后,作为变压器运行环境温度测量值,以减小测量误差,即:

式中:θa(i)为第i个传感器检测到的环境温度。

根据油浸式变压器出厂报告中给定的顶层油温升数值,变压器实际运行环境温度,以及负荷、冷却系统投入情况,依据式(1)可实时计算出变压器顶层油温度计算值。将变压器顶层油温度计算值与变压器运行环境温度测量值作差,得到变压器顶层油温升计算值Tc,即:

同上,将顶层油温温度传感器采集的一组数据作算术平均,得到变压器顶层油温度测量值θ0r,即:

式中:θ0(j)为第j个传感器检测到的顶层油温。

计算变压器顶层油温度测量值与变压器运行环境温度测量值的差值,得到油浸式变压器顶层油温升测量值Tr,即:

设定计算值和测量值的差值整定值为s,比较计算值和测量值差值与整定值的关系。如果两者的差值小于设定的差值整定值,即∣Tc-Tr∣＜s,则认为变压器运行状态正常;如果两者的差值大于等于设定的差值整定值,即∣Tc-Tr∣≥s,则认为变压器运行状态异常。

基于顶层油温升的油浸式变压器运行状态在线监测模型如图1所示。

图1 在线监测模型

2.2 数据采样与异常数据甄别

根据上述分析可知,在线监测方法的实现依赖于温度传感器对环境温度和变压器顶层油温的精确采集。温度传感器本身可能存在一定的测量误差,而且传感器长时间运行可能出现故障失灵或检测精度降低等问题,导致环境温度和顶层油温采样结果不准确。为了提高采样的准确性和可靠性,需要在合适位置设置多个温度传感器进行数据采集,并对可能出现的异常数据进行甄别和剔除。

环境温度的检测可在变压器前后左右4个方向布置若干温度检测传感器,每个传感器在所处变压器侧面的水平位置中心和垂直位置中心,距离变压器器身一定距离处安装。顶层油温的检测可在变压器顶部安装若干个能够测量变压器内部顶层油温度的传感器,温度传感器安装在变压器顶部出厂预留的温度传感器安装位置。由于变压器生产厂家不同,设计存在差异,每台变压器顶部的温度传感器安装位置和数量不完全相同,需要针对性的进行安装。

若同一组测量数据之间存在较大偏差,通常可能某些传感器上传的数据存在异常,异常数据可采用不平衡度法进行甄别并剔除,防止错误数据引起误判。不平衡度定义为本组数据最大值减去最小值后与本组平均值的比值,即

式中:mmax、mmin分别为本组数据最大值和最小值。

当不平衡度b小于设定值时本组数据保留,否则视为异常数据剔除。

2.3 在线监测系统结构

在线监测系统主要由输入单元和计算单元两部分组成,其系统结构示意见图2。输入单元包括信号采集、信号调理以及A/D转换。传感器对变压器运行的环境温度、顶层油温以及负荷电流等状态信息进行采集,经过调理电路对信号进行变换、限幅后进行A/D转换得到离散的数字信号。计算单元主要承担数据甄别、数据处理以及状态判断的功能。A/D转换后的数字量经过数据甄别后对异常数据组进行剔除,再对正常数据组进行算术平均和理论顶层油温计算等数据处理工作,数据经运算和处理后按照判据对变压器运行状态进行判断,最后将判断结果输出。

图2 在线监测系统的结构示意

3 试验及分析

为验证上述方法的有效性,结合具体变压器对所提方法进行了实际应用。试验变压器具体参数见表1。

表1 变压器运行参数

根据试验变压器的结构特点及其运行环境,试验中分别在变压器4个侧面水平位置居中、垂直位置居中,距离变压器本体1 m处各布置1个温度传感器。在变压器顶部,利用变压器出厂预留的传感器安装位置,安装3个温度传感器。不平衡度参考值设定值为2%,计算值与实测值的差值整定值设定为5℃。当不平衡度大于2%时该组数据视为异常数据剔除,顶层油温计算值与实测值差值绝对值大于5℃时,判定变压器运行状态不正常。

在线监测系统安装完成后,在一段时间内对试验变压器运行状态进行持续监测,以检验该监测系统是否能达到预期效果。在线监测系统发出变压器运行异常警报时的环境温度,以及对应时间点的顶层油温温度数据见表2。

表2 异常报警时的环境温度和顶层油温度

由表2可计算出,该组环境温度数据平均值为39.83℃,不平衡度为1.5%;顶层油温度的平均值为75.03℃,不平衡度为0.1%。在线监测系统发出异常报警时的变压器负载系数K=325/472=0.689,其他实时运行参数见表3。

表3 异常报警时的变压器实时运行参数

根据上述参数和相关公式,经计算变压器顶层油温升计算值为29.17℃,变压器顶层油温升实测值测量值为35.2℃。实测值与计算值差值为6.03℃,大于变压器异常运行整定值标准,系统因此发出异常运行报警信号。

在线监测系统发出异常信号后,对变压器进行了细致的检查,最后发现变压器的散热器被杨絮等杂物堵塞。由于变压器散热器被堵塞,变压器散热器的散热效果降低,因此变压器顶层油温升的测量值明显高于变压器顶层油温升的计算值。根据试验结果可知,基于顶层油温升的油浸式变压器在线监测系统能够监测变压器的异常运行状态,监测结果和理论分析吻合,证明所提方法是有效的。

4 结论

油浸式变压器顶层油温升能够反映变压器内部异常发热、散热系统异常等变压器异常运行状态。根据油浸式变压器运行环境温度、负荷电流、温升试验提供的温升数据等参数,计算出油浸式变压器顶层油温升的计算值,并与变压器顶层油温升的测量值进行比较,如果存在较大偏差,则判定变压器处于异常状态。该方法可以对油浸式变压器内部发热异常和散热系统异常实现在线监测,完善了油浸式变压器在线监测的方法。