变电站及其变压器在线状态监测系统

郑月阳

(攀枝花学院 电气信息工程学院,四川 攀枝花 617000)

0 引言

变电站及其变压器在线状态监测系统是一种基于现代信息技术和通信技术的综合应用系统。它通过安装传感器和监测设备对变电站及变压器进行实时监测,实现对变电站及变压器的运行状态、温度、振动、绝缘状态等参数的在线监测与分析,以帮助运维人员对电力设备的状态进行及时评估和故障预测,最大程度地提高变电站及变压器的安全性和可靠性。变电站及其变压器作为电力系统的重要组成部分,虽然承担着输变电任务和电能转换等重要功能,但是存在运行环境复杂、负荷变化大、工作时间长等特点,很容易出现故障或性能下降的情况。而传统的巡检方式往往无法对变电站及变压器做到全面、实时的监测,需要长时间停电和烦琐检修才能发现问题[1-2]。

本文介绍了一种用于确定变电站及其变压器健康指数(Health Index, HI)的OCMS。OCMS对配电网中连接的所有类型的变压器都适用,工作人员可以在偏远地区操作无人值守变电站。变压器工况数据以短消息业务的形式接收,并存储在计算机服务器上,维护成本大大降低。实时监测和预测能够最大程度地提高变电站及变压器的安全性和可靠性,保障电力系统的稳定运行。

1 在线监测参数

1.1 电压不平衡及谐波产生的热量

电压不平衡的原因包括三相输配电线路的阻抗不相等,单相负载、相间负载和不平衡三相负载的分布不均匀。系统中出现的不平衡电压水平可以通过使用标准定义来指定,如式(1)所示。

Uv=λmax(Uab,Ubc,Uca)/ε(Uab,Ubc,Uca)

(1)

其中,λmax为最大偏差;ε为线电压Uab、Ubc和Uca的平均值。电压中的不平衡及谐波会导致电流的不平衡与失真,造成铁心、铜心和涡流损耗增加。此类损耗是以热量的形式产生,使变压器的绝缘性能恶化。因此,电压不平衡被认为是评估变压器健康状况的参数之一,它表示为:

HI=f(Uv)

(2)

行业标准对变压器中发生的损耗进行了分类,此类损失的表达式如式(3)所示。

(3)

(4)

其中,h为谐波的阶数;Ih为由第h次谐波引起的电流。Y表示由非正弦负载和电源不平衡引起的异常情况。连接负载的功率因数也与功率损耗有关。低功率因数会导致电压调节过度,如式(5)所示。

ΔU=I1(Rcosφ+Xsinφ)

(5)

其中,R和X分别为变压器每相的电阻和电抗;cosφ为功率因数。因此,较低的功率因数增加了损耗并降低了效率。损耗的增加导致产生的热量增加,从而导致绕组和油温变化。非线性负载引起谐波及功率损耗,因此,在非正弦负载和不平衡电压供应条件下的总损耗(PY)被视为异常损耗,并表示为公式(6)。

(6)

从式(4)—(6)可以看出,流经变压器的电流、功率因数和谐波含量是造成功率损耗的重要原因。这种功率损耗增加了变压器中的热量,影响了变压器的正常使用。因此,这些具有谐波含量和对应于特定负载cosφ的负载电流可用于评估变压器健康状况,表示为公式(7)。

HI=f2(Ih,cosφ)

(7)

1.2 效率偏差及健康指数

电子式电能表(Electronic Energy Meter,EEM)是一种多功能电能表,连接到变电站变压器的高压侧和低压侧,可以监测电气参数,如电压、电流、功率、功率因数、每相的谐波含量和累计谐波含量。因此,变电站变压器的效率由EEM测量的低压侧功率PLV与高压侧功率PHV的比值来确定,功率表达式如下。

(8)

特定负载条件下的效率偏差,即k0=k1-k2,表明损耗变化可被视为变压器HI评估的参数,表示为公式(9)。

HI=f3(k0)

(9)

绕组温度指示器广泛应用于电力企业,旨在模拟绕组最热部分的热行为。电力变压器的负载能力主要受绕组温度的限制,绕组温度传感器固定在变电站变压器上,提供有关变压器负载和绝缘退化动态评估的信息。因此,绕组温度(tw)被认为是评估变压器寿命的参数之一,表示为公式(10)。

HI=f4(tw)

(10)

1.3 HI计算

据研究,35%的变压器故障是由老化和过载引起的。老化效应被认为是变压器使用年限和变压器负载历史的综合效应,称为脱机参数。李军浩等[3-5]研究了关于25%故障的类似观察结果,老化和其他因素对故障的影响率小于28%。本文运用脱机参数来计算变压器的整体HI。此外,试验现场数据表明,29.45%的变压器故障是由脱机参数引起的,它通常代表OCMS连接到变压器之前的变压器历史状态。将脱机参数与在线参数相结合分析有助于计算可靠的HI。每个参数的权重分配基于现场观测。不同的站点可能有不同的维护间隔和政策,导致有不同的HI。由于脱机参数的贡献为25%～35%,本文设定脱机参数30%的权重,为在线参数设定了70%的权重。因此,变压器的整体HI表示为公式(11)。

HI=0.3HIOFP+0.7HIONP

(11)

上式HI值从“良好”到“非常差”进行分组,通过这种方式的HI用于判断变电站或厂用变压器的状况。由设计缺陷导致的变压器故障也是变压器故障的一个原因。本研究考虑的在线参数包括所有情况,这些参数反映了由变压器设计问题而对异常故障产生的影响。本研究提出的算法考虑了此种情况。

2 实验结果与分析

2.1 正常情况

本文在实验室中通过创建正常和异常条件,测试了所提出的OCMS,用于HI计算的方法。变压器上的负载在单位功率因数下保持在50%。电压由三相自耦变压器调节为220 V,即电压不平衡为0。储油柜中的油位约为42%。当环境温度为30.1 ℃时,顶部油温为40.1 ℃,且规定负载循环的效率偏差小于0.21%。图1显示了不同时间段的实验结果,图1(a)表示输出功率波形(瞬时);图1(b)表示功率输入和输出(平均值);图1(c)表示效率;图1(d)表示不同负载下的顶部油温。OCMS每隔5 min对每个参数的数据进行采样。此后30 min即对6个样本进行采样,取这些样本的平均值,为平均样本选择分数和权重。对这些数据进行处理并计算变压器的HI。对于这种正常情况,OCMS计算的HI为100%。

2.2 异常情况

本文实验创建了异常条件,测试了所提出的用于HI计算的OCMS。产生的异常情况有:电源电压不平衡、变压器负载百分比上升到额定值以上、功率因数低以及油位下降。在其中一种情况下,电压不平衡为6.7%,负载和油位保持正常,在此过电压条件下,电流增加到10.93 A。顶部油温略有上升,达到42.4 ℃。此外,规定负载循环的效率偏差小于0.006 p.u.,参数的得分和权重发生了变化,OCMS计算的变压器HI为94.4%。

变压器不过载实验中,认为如果变压器超过90%的负载条件,则将其视为过载条件。电源电压不平衡保持在其公差范围内,油位保持与正常条件下相同,即50%。逐渐地,负载从0增加到110%,因此在过载条件下,油温上升到55.7 ℃。对于这个定义的负载循环,效率的偏差为0.98%。HI也随着负载的变化而变化,对于过载条件,计算HI为86.11%。

储油柜中的油位以10%的步长从50%逐渐降低到0。在此期间,变压器的供电电压保持在220 V,负载为40%,可以观察到,随着冷却剂的逐渐减少,顶部油温已升高至40.9 ℃,如图2所示,图2(a)表示顶部油温和油位,图2(b)表示油位和效率。当储油柜中有2%的油时,效率偏差为0.37%,在此情况下获得的HI为87.5%。实验是在这些异常条件的组合下进行的。HI随着异常的增加而逐渐降低。对于在线参数的连续监测可提供有关干扰和故障的信息,如油位降低、过载、电压差、功率因数差、断路状况等。

图2 异常条件实验结果

3 结语

本文基于脱机参数和在线参数的组合应用研究了变压器HI检测系统的开发与实现。利用该技术,可以分析变压器的油位、油温、电压不平衡损耗、功率因数、谐波电流等情况,计算变压器的在线HI。在出现异常情况时,系统将信息传达给现场人员。当与其他现有的保护和控制技术相结合使用时,可以实现有效的优先状态监测、控制和保护。为了分析性能,本文使用三相变压器进行验证,测试结果证明了所提出系统的有效性。系统利用现有的仪表传感器和通信网络,OCMS的开发成本约为变压器成本的2%。因此,本文开发的系统有助于变压器的预测性维护。实施变电站及其变压器在线状态监测系统可能需要投入一定的成本,包括设备采购、系统集成和数据分析等。然而,通过减少维修成本和提高设备可靠性,这种投资可以获得长期收益。变电站及其变压器在线状态监测系统可以提供预警功能,预测可能出现的故障并提前采取措施,有助于提高设备的可靠性和安全性。