變壓器狀態評價的非停電檢測技術

何文林，王文浩

(浙江省電力試驗研究院，杭州市 310014)

0 引言

電力變壓器是電力系統的重要資產和關鍵設備，承擔著電壓轉換、電能輸送等任務。電力變壓器的健康狀態對電網的安全運行至關重要，健康狀態不良的電力變壓器將嚴重威脅電網的安全運行水平，甚至引發電網事故。如何及時發現變壓器的潛在缺陷、避免意外事故發生、最大限度地提高設備的可用率、延長設備的使用壽命，已成為電力行業的重要課題。

為了及時發現變壓器的隱患，準確掌握其健康狀態，運行部門對變壓器的狀態量值主要通過停電試驗、帶電試驗和巡視等手段獲得［1］。文獻［2］建立了以停電試驗為主要手段的狀態評價導則，依據狀態量對變壓器健康狀態貢獻度的不同，將狀態量分為主要狀態量和輔助狀態量。通過停電檢測獲得的主要狀態量包括繞組電阻、繞組的介質損耗因數、鐵心接地電流、夾件絕緣電阻、繞組頻譜、短路阻抗、套管介質損耗因數等，輔助狀態量包括繞組直流泄漏電流、繞組絕緣電阻、套管電容量、套管末屏絕緣電阻等。

由于變壓器在運行過程中逐漸老化，某些潛伏性故障在停電試驗中難以及時發現，而且停電檢測試驗不僅影響電力系統的正常運行，還存在周期長、成本高、維修過剩等問題。

非停電檢測包括在線監測、帶電檢測和運行巡視，可以在變壓器不停電的狀態下獲得狀態量值，連續進行設備狀態評估。

國內外對于變壓器非停電檢測主要集中在狀態量的獲取、數據處理、在線/帶電檢測設備的研制等方面，對于將非停電檢測結果應用到狀態評價中尚未建立有效的模型［3-5］。因此通過選取合適的狀態量，建立基于非停電檢測狀態評價的數學模型具有一定的實用價值。

1 確定有效狀態量

選擇變壓器狀態量時應考慮2個核心問題:(1)設備狀態通過哪些狀態量來表現;(2)各狀態量與設備狀態之間關系的強弱如何。狀態量的選取應遵循以下原則:

(1)高度敏感性。設備狀態的微弱變化應能引起狀態量的較大變化，并根據狀態量和設備狀態之間關系的強弱劃分為主狀態量和輔助狀態量。

(2)高度可靠性。狀態量依賴設備狀態的變化而變化，如果把狀態量取作因變量，設備狀態取作自變量，則狀態量應是設備狀態的單值函數，狀態量變化就能全面反映設備狀態的變化情況。

(3)實用性。狀態量應便于檢測，如果某個狀態信息對設備狀態變化足夠靈敏，但從經濟、技術方面考慮不易獲得，那么這個狀態參量就不宜作為設備狀態評價的狀態量。

根據對2004—2010年浙江電網在運變壓器缺陷、故障與發現手段的數理統計分析［6］，結合帶電檢測、在線監測和運行巡視的經驗與研究成果，選取頂層油溫、油位、密封、短路電流、有載分接開關操作次數、接頭溫度、局部放電、油色譜、油微水、鐵心接地電流、油泵及風扇運行工況、套管泄漏電流及介損等為主要狀態量，選取冷卻器污穢、油箱溫度為輔助狀態量，其中局部放電、油色譜、油微水、鐵心接地電流等狀態量值通過在線監測的手段獲取，其余狀態量值通過巡視或帶電檢測的手段獲取。通過在線監測手段獲取到的狀態量值，由于受采樣、數據傳輸和環境條件的影響，可能產生測試結果異常波動，必須進行數據處理后才能用于變壓器的狀態評價。

2 在線監測數據處理方法

電力系統在線監測技術是掌握電氣設備運行狀態、評估電氣設備性能和保證電網安全的重要手段。但是在線監測現場測量條件復雜，容易受到各種背景噪聲和干擾的影響，監測數據不穩定，從而影響評價的準確性，因此如何采取有效的數據處理方法成為在線監測技術研究的熱點。目前基于數學形態學的非線性濾波器已在數字信號處理中得到了廣泛的應用［7-8］。

由式(1)、(2)可分別定義開、閉運算為

由開閉運算的定義可知，開和閉運算分別具有削峰和填谷的作用，能夠去除信號中毛刺、孔洞的影響。為了同時利用開閉運算的優點，可以將二者通過級聯構成廣義濾波器。采用相同的結構元素，通過不同順序的級聯運算可以構造形態學開—閉、閉—開濾波器為［9］

形態學開—閉、閉—開濾波器雖然可以同時濾除信號的正負脈沖噪聲，但由于開運算的收縮性導致開—閉濾波器的輸出幅值偏小，閉運算的擴張性導致閉—開濾波器的輸出幅值偏大，存在明顯的統計偏倚現象，將直接影響噪聲的抑制性能。為消除該缺點，可以將以上2種運算組合并構造成如下的混合濾波器:

式中ai為權系數，一般取a1=a2=0.5。

處理后的在線監測數據即可用于變壓器的狀態評價。

3 變壓器狀態評價模型

3.1 變壓器部件劃分

按功能相對獨立、部件性能改變對變壓器安全運行影響的貢獻度盡量相同的原則，將變壓器劃分為本體、套管、冷卻系統3部分。用于部件狀態評價的狀態量共18個，具體分布見表1。

表1 部件與評價狀態量的對應關系Tab.1 Corresponding relationship between parts and evaluation state variables

3.2 狀態量評價模型

不同狀態量對反映變壓器健康狀態的重要性各不相同，按照重要性的大小確定最大扣分值。如頂層油溫的重要性相對較小，則最大扣分值也較小;局部放電的重要性較大，則最大扣分值也較大。

同一狀態量根據測量結果偏離標準要求值的程度，給出不同的扣分值，偏離程度越大則扣分越大，滿足標準要求值時不扣分。

3.2.1 頂層油溫

變壓器繞組溫度是決定設備絕緣壽命的重要因素。對于迫油循環導向風冷方式變壓器，頂層油溫的評價函數為

對于油浸風冷方式變壓器，頂層油溫的評價函數為

式中:x為頂層油溫，℃。

3.2.2 油位

運行中變壓器的油位必須控制在合理范圍內，變壓器油位涉及到的部分包括本體和套管，其評價模型為

式中f12(x)和f21(x)分別為本體和套管油位對應的扣分數。

3.2.3 密封

變壓器滲漏油作為變壓器運行中的一項缺陷，將導致絕緣油受潮、劣化變壓器的工作環境。本體、套管、冷卻系統3個狀態量皆涉及密封性。密封評價函數為

式中f13(x)、f22(x)和f31(x)分別為本體、套管和冷卻系統密封導致的扣分數。

3.2.4 油箱溫度

通過溫度場分布來判斷變壓器是否存在運行溫度異常隱患，其評價函數為

3.2.5 局部放電

局部放電的狀態檢測方式主要包括帶電檢測和在線監測，采用有無典型放電譜圖以及初值差的變化率來判斷，具體評價模型為

式中:g1(x)和g2(x)為帶電檢測和在線監測對應的扣分數，其中g1(x)為

當帶電檢測結果出現典型放電譜圖時，x=2;若無典型放電圖譜，但與同類設備檢測結果有明顯區別時，x=1，否則 x=0。g2(x) 為

式中初值差為

3.2.6 油色譜

變壓器出現過熱或放電故障時，都會析出一些特征氣體，通過特征氣體含量來判定變壓器是否存在故障，具體評價模型為

式中:k1為氫氣異常導致的扣分;k2為總體異常導致的扣分;k3為乙炔異常導致的扣分。

式(17)中，當氫氣初值差小于30%、變化量小于45 μL/L 時，k1=15，否則 k1=0。

當總烴初值差小于30%、變化量小于45 μL/L時，k2=15，否則 k2=0。

對于110、220 kV變壓器，當乙炔初值差小于30%、變化量小于1.5 μL/L時，k3=15，否則k3=0。

對于500 kV變壓器，當乙炔初值差小于30%、變化量小于0.3 μL/L 時，k1=15，否則 k3=0。

3.2.7 油微水

絕緣油微水含量評價模型為

當微水初值差小于30%、變化量小于7.5 μL/L時，x=1，否則 x=0。

3.2.8 鐵心接地電流

變壓器鐵心接地電流是衡量變壓器是否存在鐵心故障的重要指標，具體評價模型為

式中x為鐵心接地電流數值，mA。

3.2.9 短路電流

變壓器的短路電流會導致繞組發生變形，短路電流是評價變壓器是否變形的重要指標，具體評價模型為

式(20)中當累計承受的短路電流有1次超過95%或2次達到額定短路電流值的80% ～90%時，x=2;只有1次達到額定短路電流值的80% ～90%時，x=1;低于額定短路電流值的80% 時，x=0。

3.2.10 有載分接開關操作次數

有載分接開關作操作次數的評價模型為

3.2.11 接頭溫度

接頭作為發熱的主要部件，在運行中必須有效控制，其評價模型為

式中δ為相對溫差，有

式中:T1、T2為2個對應測點溫度，其中T1為較熱點溫度，T0為環境溫度。

3.2.12 套管泄漏電流

套管的狀態可以通過泄漏電流數據來反映，泄漏電流的具體評價模型為

式中x為泄漏電流初值差。

3.2.13 套管介質損耗因素與電容量

套管的狀態除了泄漏電流外，也可以通過套管介質損耗因素與電容量來反映，對于已經采用泄漏電流進行評價的變壓器套管無需進行介質損耗因素與電容量評價，對于未用泄漏電流評價的套管，其評價模型為

式中x為初值差。

3.2.14 冷卻器污穢

變壓器冷卻器嚴重污穢時會影響冷卻器的正常工作，造成變壓器運行隱患，其評價模型為

3.2.15 油泵及風扇工況

變壓器冷卻系統油泵及風扇的工況是反應冷卻器工作的重要狀態量，其評價模型為

式中x為油泵、風機電流初值差。

3.3 部件狀態評價

變壓器部件的狀態評價分2個步驟進行:

(1)根據狀態量的評價結果計算部件得分;

(2)建立部件得分與狀態的關系，依據部件得分給出部件狀態。

部件評價起評分為100分，雖然不同的主狀態量(或輔助狀態量)對部件評價結果的影響不同，但是不同主狀態量(或輔助狀態量)的權重體現在狀態量的最大扣分值中，因此不再另列權重系數。同一部件主狀態量(或輔助狀態量)的扣分值按等權重相加的方式進行，其中主要狀態量的扣分不超過80分，輔助狀態量的扣分不超過20分。根據各狀態量的扣除分值，可以得到部件tr的評價得分為

式中:tr為部件代號，tr=1、2、3分別對應本體、套管和冷卻系統;m為與部件tr對應的主狀態量數量;n為與部件tr對應的輔助狀態量數量;p為缺陷因子，若該部件存在家族性缺陷，則p=0.95，否則p=1。部件的狀態分為“正常狀態”、“注意狀態”和“不良狀態”共3個狀態。根據式(28)可以計算得到部件的評價得分，部件狀態見表2。

3.4 變壓器整體狀態評價

在變壓器的本體、套管、冷卻系統3個部件中，任一部件的狀態不良，必將直接影響到變壓器安全、經濟運行。變壓器整體狀態評價按“短板理論”進行，變壓器整體得分為

表2 部件不同得分時的狀態Tab.2 Relationship between parts’score and states

式(29)說明變壓器整體得分與部件的最低得分相同，變壓器整體狀態與最差部件的狀態一致。

4 結語

本文分析了變壓器的故障統計數據，提出了反映變壓器運行性能的非停電檢測狀態量。利用數學形態學理論，構造了開—閉、閉—開和混合濾波器，提高了在線監測數據的穩定性。建立了基于狀態量、部件和整體的3級評價方法。本文的研究結論、評價方法，已在現場得到了應用，完成對輸變電設備的動態評價和狀態預警。

［1］DL/T 393—2010輸變電設備狀態檢修試驗規程［S］.

［2］Q/GDW 169—2008油浸式變壓器(電抗器)狀態評價導則［S］.

［3］張懷宇，朱松林，張揚，等.輸變電設備狀態檢修技術體系研究與實施［J］.電網技術，2009，33(13):70-73.

［4］Ghasemi A，Yacout S，Ouali M S.Parameter estimation methods for condition-based maintenance w ith indirect observations［J］.IEEE Trans Reliability，2010，59(2):426-439.

［5］Almeida C A L，Braga A P，Nascimento S，et al.Intelligent thermographic diagnostic applied to surge arresters:a new approach［J］.IEEE Trans Power Delivery，2009，24(2):751-757.

［6］孫翔，何文林.變壓器狀態量優化分析［J］.浙江電力，2012(1):58-62.

［7］王楠，律方成.數學形態學濾波預處理tanδ在線監測數據［J］.高電壓技術，2003，29(7):32-33.

［8］譚向宇，許學琴，孫福，等.新型自適應廣義形態濾波器在MOA在線監測數據處理中的應用［J］.中國電機工程學報，2008，28(19):25-29.

［9］唐常青，呂宏伯，黃錚，等.數學形態方法及其應用［M］.北京:科學出版社，1990.