220 kV變壓器智能化改造

張 鵬，張 川，崔 瀟，于 強，胡 東

（1.山東青島供電公司，山東 青島 266061；2.山東濟寧學院，山東 曲阜 273100）

0 引言

山東青島供電公司220 kV午山變電站于2009年被國家電網公司列為第一批智能化改造試點變電站。系統結構和網絡拓撲總體上保持不變，采用擴充、添加的模式進行改造。在保證變壓器系統原有性能不降低輸出容量、供電能力的情況下，強化變壓器的智能化特征，實現變電站信息數字化。實現變壓器設備的檢測靈活和自動控制方案，能夠通過信息網絡進行管理，滿足變壓器設備信息采集、傳輸、處理，輸出過程數字化。實現變壓器檢測平臺網絡化，實現信息共享標準化，通過統一標準、統一改造建設規模來實現變壓器設備內外的信息互補、互交和信息共享，實現更高級應用互動化。

1 變壓器智能化改造項目及設備

1.1 變壓器油色譜、微水在線監測分析系統

變壓器油色譜、微水在線監測分析系統是智能化變壓器的基本監測單元，該智能組件采用多組份色譜分析原理，采用負壓動態頂空脫氣技術和高靈敏的納米晶半導體氣體檢測器，實現對變壓器油中溶解氣體的檢測。此外還采用了高精度、高穩定性的溫度傳感器，實現對變壓器油中微水的在線監測。多組份色譜分析原理技術是油色譜技術的一種延伸和應用。它對油中溶解氣體氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、二氧化碳（CO2）等氣體及總烴進行監測。典型分析系統由油循環系統、油氣分離系統、混合氣體分離系統、氣體檢測、數據處理與故障診斷組成。系統技術特點：1）通過油樣分析能夠實時監測變壓器內部運行狀態信息。2）具有完善上位機通信，檢測數據可納入上一級自動控制系統和綜合信息管理系統。3）分析響應速度快。4）集油樣采集、多組份分析、信息傳輸等功能于一體，在一定程度上消除了在采樣過程中引起的誤差。5）結構緊湊、易安裝、維護、運行便利。

變壓器內部產生不同氣體是伴隨不同故障產生，選取哪幾種油中溶解氣體進行分析，對準確有效分析診斷變壓器故障類型、能量及發展趨勢及其關鍵，該監測系統為5種氣體為基礎的多組份監測。主要監測的氣體為CO、CO2、H2、C2H2、CH4等。從變壓器結構來看，絕緣材料主要是絕緣油、絕緣紙、木材、復合材料，它們隨變壓器運行時間增長，除自身老化，還受不同程度電磁、酸堿作用加速老化、劣化，同時絕緣紙、木材主要成分纖維素在高溫下熱分解產物是CO、CO2、水和焦炭，容易產生劣化和分解，所以采用多組份5種氣體在線監測可使變壓器得到有效的運行監測。

圖1變壓器油色譜、微水在線監測分析原理圖，主要技術指標表1所示。

圖1 變壓器油色譜、微水在線監測分析原理

表1 主要技術指標

1.2 多組份在線油色譜分析與故障診斷

根據所檢測多組分濃度分析判斷變壓器運行狀況，當所檢測多組份濃度或多組分濃度的增長率未達到預設定的注意值，可評估變壓器運行狀態為正常運行情況，通過過程層網絡向主控制平臺報告一次自評估結果。當所檢測多組份濃度或多組分濃度的增長率超過預設定的注意值，可評估變壓器運行狀態為異常運行情況。根據GB/T7252（IEC60599）中改良三比值、大衛三角形法、立方體圖示法等方法來分析變壓器的數據。根據IECEStdC57.104——2008對變壓器故障風險進行界定，判斷故障類型及嚴重等級，并通過過程層網絡向主控制平臺隨時報告自評估結果，隨時判定變壓器是否進行狀態檢修和解體大修。

1.3 變壓器有載調壓開關在線凈油裝置應用

有載調壓開關在線凈油裝置是專為有載調壓變壓器設計的有載調壓開關在線凈油系統。電力行業中，大型變壓器廣泛安裝有載調壓開關，對保證電力系統和用戶電壓質量起到重要作用。但由于有載調壓開關頻繁的帶負荷電流切換，產生的電弧會導致開關中油裂解，產生游離碳、水份、氧化物等，油質的劣化降低了油的絕緣強度，限制了有載調壓開關切換次數和使用壽命，甚至危及變壓器安全運行。

有載調壓開關在線凈油裝置的安裝應用，避免了開關室內變壓器油出現以上危害，主要用于變壓器有載調壓開關的旁路循環過濾，與變壓器有載調壓開關配套使用，能夠在變壓器正常運行情況下，有效地除去有載調壓開關內變壓器油中的游離碳、金屬微粒、氧化物等雜物，并可降低微量水份，提高變壓器油的擊穿電壓和使用壽命。可使變壓器油清潔度達NAS3-4級。提高有載調壓開關使用壽命，也有效提高有載調壓開關工作的安全性和可靠性，符合DL/7574-95《有載分接開關運行維護導則》規定的安全技術要求。裝置在自動、手動、定時啟動三種運行方式下轉換運行，工作時間可自由設定，并可自行記錄、顯示運行參數。具有可靠的濾芯失效報警傳感系統，并在濾芯失效后自行關閉工作系統并報警維護，箱體內裝有恒溫自動控制，保證該裝置能夠在多種環境下正常工作，實現了全天候無人監控自動工作。

1.4 變壓器智能油泵、風機系統變頻技術應用

變壓器智能油泵、風機變頻技術主要是針對大型強油風冷變壓器設計，它將變壓器冷卻系統中油泵、風機工頻狀態模式改為變頻狀態模式，實現節能降噪和智能控制，滿足室內外變壓器運行工作環境，可靠性高，運行操作方便。主要工作特點：為實現高負荷時降溫優先、低負荷時節能降噪優先，根據油溫變化實現均衡冷卻，減少溫度波動，提高變壓器絕緣使用壽命。根據運行參數（油溫、負荷、繞組溫度、環境溫度）選擇最佳運行狀態模式，實現智能調節、實現實時通信、傳輸狀態信息，接收控制指令指導運行狀態。以自動、遠控、就地三種運行方式互鎖，可滿足各種條件下運行狀態需求，在通訊故障或主控制斷電等特殊情況發生時自動轉成就地運行狀態模式。

圖2為變壓器智能油泵、風機系統變頻技術控制框架圖。

圖2 控制系統框圖

1.5 變壓器套管絕緣、鐵芯、夾件接地電流在線監測系統應用

套管是變壓器重要部件之一，根據變壓器故障數據統計，套管故障占變壓器故障的比例高達14%。因此在線監測變壓器高壓、中壓套管的絕緣狀態，對變壓器安全運行有重要意義。變壓器套管絕緣在線監測的智能組件主要有電壓監測單元、容性設備監測單元、環境監測單元及嵌入式數字處理單元。通過在線監測高壓、中壓套管的介質損耗、末屏電流、等值電容量等各項數據，并根據同類設備的橫向比較，同一設備的縱向比較來監測數據，確定套管的運行狀態，判斷出套管是否在健康運行狀態。采用鎖相技術自動跟蹤電網頻率，解決頻譜運行分析中的頻譜泄漏問題，全數字化交流同步采樣，采用無線電流傳感器，實現信號的無線傳輸，圖3為結構示意圖。

圖3 變壓器套管絕緣監測電流傳感器示意圖

變壓器鐵芯、夾件接地電流在線監測系統主要采集變壓器鐵芯、夾件接地電流情況信息，通過鐵芯、夾件接地電流在線監測發現變壓器箱體內的異物、內部絕緣降低、絕緣受潮情況，或損傷、油箱沉積油泥、鐵芯、夾件存在多點接地電流等故障。及早發現變壓器潛伏性故障的發生、發展情況，并發出預警報告，提前判斷故障情況，避免事故擴大和繼續發展。監測系統是利用高靈敏度電流傳感器，不失真地采集變壓器鐵芯、夾件接地的泄漏電流信號，通過對泄流電流信號的運算和處理，剔除雜波干擾信號，得到實際接地泄漏電流信息，最終利用專家分析系統來分析、判斷、預測鐵芯、夾件絕緣的健康狀況。

1.6 變壓器套管電子式互感器應用

電子式互感器是基于光學和電子學原理上設計發展形成的一種超高壓條件下電壓、電流的測量設備，分別稱為EVT和ECT。EVT采用電阻分壓器、電容分壓器或光學裝置作為一次轉換部件。ECT采用霍爾傳感器、羅式線圈或光學裝置作為一次轉換部件。電子式互感器利用光纖作為一次轉換器和二次轉換器之間的傳輸系統，并裝有電子器件作為測量信號的傳輸和放大，具有模擬量電壓輸出或數字量輸出。

根據應用原理不同，電子式互感器可分為無源式和有源式兩類。無源式電子互感器是指高壓側傳感部分不需要供電電源的電子式互感器。無源式電子式互感器的優點是在一次傳感部分不需要復雜的供電裝置，整個系統的線性度比較好，缺點是傳感部分有復雜而不穩定的光學系統，容易受到多種環境因素的影響，影響了其實用化的進程。有源式電子式互感器是指傳感部分需要供電電源的電子式互感器，有源式電子式互感器一次傳感部分依賴于供電裝置，但其工作原理較為簡單，不需要設計復雜的光學系統。

與傳統電磁式互感器相比，電子式互感器具有以下優點：

1）絕緣性能優良、造價低。絕緣結構簡單，隨著電壓等級升高，其造價優勢愈加明顯。

2）電子式互感器結構中不含鐵芯結構，消除了磁飽和、鐵磁諧振等問題。

3）電子式互感器在低壓側輸出弱電信號時，不存在在傳統互感器工作中低壓側會產生觸電的危險。

4）頻率響應范圍寬，電子式電流互感器已證實可測出高壓電力線上的諧波，還可進行暫態電流、高頻大電流與直流電流的測量。

5）電子式互感器沒有因傳統互感器充油而產生的易燃、易爆等危險。

6）可與自動控制系統實現數字化連接，實現多功能、智能化的要求，適應了現代電網的發展要求。

圖4為變壓器套管電子式互感器結構圖。

圖4 變壓器套管電子式互感器結構

1.7 智能機器人巡檢系統

變壓器設備智能巡檢機器人系統，是集機電一體化技術、多傳感器技術、電磁兼容技術、導航及行為規劃技術、機器人視覺技術、安防技術、穩定的無線傳輸技術于一體的復雜系統。變壓器設備智能巡檢機器人系統采用分層式控制結構，分為基站控制系統層和移動站系統層。

變壓器智能巡檢機器人主要應用于室外變壓器等設備，可以攜帶紅外熱像儀、可見光CCD等有關的檢測設備，以自主和遙控的方式，對室外變壓器、高壓設備進行巡測，發現變壓器設備內部熱缺陷、外部機械損傷或電氣放電、擊穿問題?？梢圆糠执嫜惨暼藛T在合適的時間進行特殊變壓器設備檢查工作，并且能生成報表。還可以在巡視人員不便于夜間巡視時間或惡劣天氣下，不需要巡視人員參與下按照固定的線路進行變壓器設備巡檢。

變壓器智能巡檢機器人本體（移動站層）的功能：1）接受并執行基站下發的自動規劃任務；2）接受并執行基站下發的遙控指令；3）按照預先設定好的巡視線路，自動完成巡視檢查任務；4）自動定位在預設點自動采集可見光圖像和紅外圖像并上傳；5）完成巡視任務后自動進行充電；6）遇到障礙物時自動停車，并進行報警；7）上傳智能機器人運行速度、位置和電源信息；8）遇到特殊異常情況可自身安全防護報警。

圖5為智能機器人示意圖。

圖5 智能機器人示意圖

2 智能組件安裝

2.1 變壓器油色譜、微水在線監測分析系統安裝位置

變壓器油色譜、微水在線監測分析系統需要從變壓器上選取兩個閥門，連接兩根油管，一根為取油管，一根為回油管。待測變壓器油從取油管進入油氣分離裝置，經脫氣檢測記錄檢測數據后，變壓器油從回油管流回變壓器，完成變壓器油的色譜、微水檢測循環過程。

安裝位置圖6、圖7所示。

圖6 1號主變油色譜及微水安裝接口

圖7 2號主變油色譜及微水安裝接口

2.2 變壓器套管絕緣、鐵芯、夾件接地電流在線監測系統安裝

變壓器套管絕緣監測電流傳感器安裝于套管末屏附近，末屏接地線通過穿芯式電流傳感器后接地，安裝位置如圖8。

鉄芯接地電流傳感器采用穿芯式電流傳感器，接地線穿過穿芯式電流傳感器后接地，穿芯式電流傳感器外殼采用不銹鋼材料全密封設計，具有防水、防銹、防震功能，穿芯式電流傳感器安裝后不影響變壓器安全運行維護。安裝位置如圖9。

圖8 套管末屏接口示意圖

圖9 鐵芯接地電流傳感器安裝示意圖

2.3 變壓器套管電子式互感器安裝位置

套管電子式互感器安裝位置如圖10所示。

圖10 電子式電流互感器示意圖

3 結束語

經過智能化改造，變壓器達到了各類數據采集數字化、傳輸平臺網絡化、信息共享標準化、功能應用互動化的智能要求，實現變電站智能化高效運行。變壓器智能化的建成為智能變電站技術打下基礎，積累了變壓器設備智能化改造相關技術和工程經驗，對進一步加快智能電網建設產生推動作用。