變壓器測(cè)溫裝置的故障分析及可靠性研究

胡光偉 李東南

（國(guó)網(wǎng)遂寧供電公司，四川遂寧629000）

0 引言

變壓器的使用壽命和運(yùn)行時(shí)的溫度有極大的關(guān)系。為了監(jiān)視變壓器的溫度，并保證變壓器運(yùn)行時(shí)的溫度處于安全區(qū)域內(nèi)，就需要使用各類測(cè)溫裝置來監(jiān)視變壓器的運(yùn)行溫度，控制變壓器冷卻系統(tǒng)，并發(fā)出報(bào)警、跳閘信號(hào)，以及遠(yuǎn)傳信號(hào)到監(jiān)控后臺(tái)。

由此我們可以看出，變壓器測(cè)溫系統(tǒng)的可靠性對(duì)電力變壓器的安全運(yùn)行、使用壽命有著重要的影響。同時(shí)，變壓器測(cè)溫裝置損壞后，往往需要等待變壓器停電后才能更換或維修，在實(shí)際工作中非常不方便。因此如果能將變壓器測(cè)溫系統(tǒng)的故障降低到最少、將故障范圍控制到最小、盡量使故障可以帶電處理，必然可對(duì)變壓器的安全運(yùn)行產(chǎn)生有利影響。

本文對(duì)不同類型的變壓器測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了故障統(tǒng)計(jì)，對(duì)其可靠性進(jìn)行了分析，并提出了合理的變壓器測(cè)溫系統(tǒng)配置方式。

1 變壓器測(cè)溫系統(tǒng)的常見構(gòu)成

根據(jù)測(cè)溫系統(tǒng)的構(gòu)成區(qū)別，可以將其分為兩種類型。

1.1 集中式測(cè)溫系統(tǒng)

集中式測(cè)溫系統(tǒng)，以機(jī)電一體化溫控器為核心。該溫控器內(nèi)部集成了溫度顯示、微動(dòng)開關(guān)、遠(yuǎn)傳信號(hào)、繞組溫升回路甚至多抽頭電流互感器、直流電源模塊等。利用一臺(tái)溫控器即可完成測(cè)溫功能。市場(chǎng)上常見的美國(guó)AKM、德國(guó)Betech、國(guó)產(chǎn)BWY（BWR）系列溫控器以及Messko公司生產(chǎn)的Compact系列溫控器，均為機(jī)電一體化溫控器。集中式測(cè)溫系統(tǒng)安裝、接線較為簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集中式測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 模塊式測(cè)溫系統(tǒng)

模塊式測(cè)溫系統(tǒng)，是指整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)由表頭、傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、直流電源等多個(gè)部分構(gòu)成。溫度表表頭的功能包括就地顯示、冷卻器控制、告警跳閘信號(hào)；遠(yuǎn)傳信號(hào)、繞組溫升回路等由安裝在變壓器頂部的傳感器實(shí)現(xiàn)。

主流的模塊化溫控器包括Messko生產(chǎn)的Trsay2系列、國(guó)產(chǎn)BWY2（BWR2）系列。

模塊化溫控器安裝、接線、調(diào)試相對(duì)較復(fù)雜，但它的優(yōu)點(diǎn)在于其中一個(gè)元件損壞，不會(huì)影響另一個(gè)元件的使用，整套設(shè)備的維護(hù)成本較低。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模塊式測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

此外，這兩類測(cè)溫系統(tǒng)中還包括有直流電源模塊、數(shù)顯表等各類輔助裝置，此處就不一一贅述了。

2 常見變壓器測(cè)溫系統(tǒng)故障類型

變壓器溫控器長(zhǎng)期工作在高低溫、潮濕、雨雪、腐蝕性氣候等惡劣環(huán)境下，在使用過程中難免因年久失修而發(fā)生損壞。其主要故障包括如下類型：

（1）機(jī)械故障。變壓器溫控器的溫度計(jì)機(jī)械回路故障，會(huì)造成就地指示不準(zhǔn)確。一般來說，如果溫度計(jì)發(fā)生機(jī)械故障（如測(cè)溫元件損壞、毛細(xì)管破裂等），會(huì)造成溫度計(jì)不可修復(fù)性的損壞。從實(shí)際運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)看，無論是國(guó)產(chǎn)溫度計(jì)還是進(jìn)口溫度計(jì)，即使在惡劣環(huán)境中運(yùn)行了5～10年時(shí)間，都基本能夠保證就地指示的準(zhǔn)確性。這種故障一般發(fā)生在拆裝過程中，實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生這種故障的概率是比較小的（統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)請(qǐng)參考表1）。

（2）遠(yuǎn)方模塊/裝置故障。測(cè)溫系統(tǒng)中的遠(yuǎn)傳模塊/裝置（比如機(jī)電一體化溫度計(jì)內(nèi)置的模擬量輸出模塊、信號(hào)傳感器、溫度信號(hào)變送器等）基本上都是由電子元件構(gòu)成的，因此故障的概率較大。主要故障包括以下類型：

1）遠(yuǎn)傳模塊/裝置準(zhǔn)確度下降。由于電子元件的老化、輸入電壓波動(dòng)、溫度變化等原因，遠(yuǎn)傳模塊/裝置會(huì)產(chǎn)生溫漂和時(shí)漂。其故障現(xiàn)象就是輸出信號(hào)偏差大，造成遠(yuǎn)方、就地信號(hào)不一致的現(xiàn)象。

2）遠(yuǎn)傳模塊/裝置損壞。由于過壓、雷擊、進(jìn)水、外力破壞或壽命原因，遠(yuǎn)傳模塊/裝置會(huì)發(fā)生損壞。其故障現(xiàn)象就是輸出值嚴(yán)重偏離正常值（比如輸出為0或巨大的數(shù)值）。

以上兩種故障類型屬于溫控器的故障，此外還有下面三種類型的其他故障：

（3）輔助裝置故障。測(cè)溫系統(tǒng)中常用到的24 V直流電源模塊、數(shù)顯表等輔助裝置，也有較高的故障概率（統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)請(qǐng)參考表1），這些輔助裝置出現(xiàn)問題，也會(huì)造成遠(yuǎn)傳信號(hào)不準(zhǔn)、遠(yuǎn)傳信號(hào)消失等故障。

（4）遠(yuǎn)傳回路接線問題。遠(yuǎn)傳回路接線錯(cuò)誤（比如4～20 mA信號(hào)回路錯(cuò)誤、PT100信號(hào)接線錯(cuò)誤），也會(huì)造成測(cè)溫系統(tǒng)無法正常工作。當(dāng)然，新投運(yùn)的系統(tǒng)的二次回路在投運(yùn)前是經(jīng)過多次核實(shí)的，一般來說不存在此類問題，此類問題多出現(xiàn)在后期維護(hù)更換設(shè)備時(shí)。

（5）監(jiān)控后臺(tái)配置問題。監(jiān)控后臺(tái)的采集單元故障或者后臺(tái)中的參數(shù)設(shè)定（如量程設(shè)置）錯(cuò)誤，也會(huì)造成測(cè)溫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。這類問題也多出現(xiàn)在后期更換設(shè)備時(shí)，為未能慎重核實(shí)新舊儀器的量程是否一致所導(dǎo)致。

3 各類故障的統(tǒng)計(jì)與分析

3.1 測(cè)溫系統(tǒng)各類故障統(tǒng)計(jì)

筆者統(tǒng)計(jì)了300余臺(tái)變壓器溫控器的運(yùn)行情況，有記錄的關(guān)于變壓器溫控器的缺陷共計(jì)51次，其分布如表1、表2所示。

表1 變壓器測(cè)溫系統(tǒng)各類故障統(tǒng)計(jì)

表2 各類故障的比例

3.2 故障類型及原因分析

由表1可以看出，集中式測(cè)溫系統(tǒng)和模塊式測(cè)溫系統(tǒng)的故障率比較接近，均為15%左右。集中式測(cè)溫系統(tǒng)中溫控器的故障率較高。溫度計(jì)機(jī)械系統(tǒng)故障概率很低，為2%左右。溫度計(jì)的遠(yuǎn)傳模塊故障概率較高，尤其是集中式系統(tǒng)中的溫度信號(hào)變送器模塊。我們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生故障的幾乎都是4～20 mA輸出的遠(yuǎn)傳模塊。采用PT100輸出的遠(yuǎn)傳模塊故障概率很低。電源模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換器等輔助設(shè)備的故障率較高。二次回路問題、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置錯(cuò)誤引起的測(cè)溫系統(tǒng)故障概率很低。

由表2可以進(jìn)一步看出，測(cè)溫系統(tǒng)遠(yuǎn)傳部分（一體化溫度計(jì)中的4～20 mA遠(yuǎn)傳模塊和模塊化測(cè)溫系統(tǒng)中的信號(hào)傳感器）的故障和輔助設(shè)備（電源模塊，信號(hào)轉(zhuǎn)換器等）的故障，占到了所有故障的80%左右。

究其原因，是因?yàn)橄到y(tǒng)中的遠(yuǎn)傳模塊和輔助設(shè)備均為電子設(shè)備，高溫、低溫、潮濕、雷擊、過壓等惡劣的運(yùn)行環(huán)境會(huì)嚴(yán)重影響到這類設(shè)備的可靠性，同時(shí)電子元件自身的壽命因素也造成這類設(shè)備無法像機(jī)械元件一樣長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

根據(jù)以上分析，我們可以得出如下結(jié)論：

（1）溫度計(jì)機(jī)械部分的可靠性和壽命都很高；

（2）PT100遠(yuǎn)傳模塊可靠性和壽命都很高；

（3）測(cè)溫系統(tǒng)的故障大部分發(fā)生在遠(yuǎn)傳模塊或者和遠(yuǎn)傳模塊相關(guān)的外部回路及其配件上；

（4）模塊化測(cè)溫系統(tǒng)的故障，大多數(shù)可以在變壓器帶電的情況下得到處理，且可只更換損壞部分，可維護(hù)性高，維護(hù)成本較低；

（5）集中式測(cè)溫系統(tǒng)中的溫度計(jì)發(fā)生故障時(shí)，大多數(shù)情況需要停電維修，且需要整體更換，可維護(hù)性低，維護(hù)成本高。

4 建議的變壓器測(cè)溫系統(tǒng)配置方式

4.1 建議的測(cè)溫配置方案

經(jīng)以上分析，我們提出了下面的測(cè)溫系統(tǒng)配置方案，以增加變壓器測(cè)溫系統(tǒng)的可用率、可維護(hù)性，并有利于降低維護(hù)成本。方案如圖3所示。

圖3 建議的變壓器測(cè)溫系統(tǒng)方案

（1）采用模塊化測(cè)溫系統(tǒng)作為變壓器測(cè)溫方案，系統(tǒng)分為溫度計(jì)、復(fù)合溫度傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器三部分；

（2）采用高品質(zhì)溫度計(jì)，用于就地顯示變壓器溫度以及控制冷卻器、提供告警/跳閘信號(hào)等；

（3）復(fù)合溫度傳感器為一個(gè)內(nèi)有盲孔的溫度傳感器，安裝在變壓器頂部，可以作為溫度計(jì)座插入溫度計(jì)探頭，同時(shí)也可以輸出PT100信號(hào)；

（4）信號(hào)轉(zhuǎn)換器安裝在主變本體端子箱內(nèi)，用于將PT100信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA信號(hào)，供監(jiān)控后臺(tái)使用。

4.2 本方案的優(yōu)點(diǎn)

這種模塊化的測(cè)溫系統(tǒng)中溫度計(jì)和PT100傳感器可靠性很高，遠(yuǎn)傳二次回路一旦整改完成，故障概率也很低。系統(tǒng)中較脆弱的部分在于PT100/4～20 mA信號(hào)轉(zhuǎn)換器，這個(gè)元件安裝在本體端子箱中，價(jià)格便宜且無需停電更換。

通過這個(gè)改造，我們?cè)诒ＷC了信號(hào)傳輸準(zhǔn)確性的同時(shí)，還將系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)降到了最低，能夠?qū)崿F(xiàn)帶電維修，并且減少了維修的工作量和成本。

總的來說，這個(gè)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可靠性高；

（2）大多數(shù)情況下可實(shí)現(xiàn)帶電維修；（3）維修工作量小；（4）維修成本低；

（5）備件易于采購(gòu)，且節(jié)省備品備件的采購(gòu)成本（多準(zhǔn)備一些信號(hào)轉(zhuǎn)換器就可以，溫度計(jì)、溫度傳感器可適量采購(gòu)）。

4.3 其他建議

（1）為保證系統(tǒng)的可靠性，降低日后的維護(hù)成本，建議均采用進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行此改造工作。

（2）建議更換運(yùn)行10年以上的一體化溫度計(jì)，避免由于遠(yuǎn)傳模塊的故障造成整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)故障。

（3）具體的實(shí)施過程，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況靈活采用不同的方案，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能和施工難度、施工質(zhì)量的平衡。

5 結(jié)語

變壓器測(cè)溫設(shè)備是變壓器的重要監(jiān)控附件，對(duì)保障變壓器的可靠運(yùn)行有著重要的意義。本文提出的配置方案，可提高變壓器測(cè)溫系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，同時(shí)有效降低變壓器測(cè)溫系統(tǒng)的維護(hù)成本，為變電站的運(yùn)維人員對(duì)于此類設(shè)備的維護(hù)、改造提供了一種參考方案。