模糊度算法融入新型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輸變電設(shè)備油溫監(jiān)測

金 巖，劉 晶，楊志華

（國網(wǎng)天津市電力公司 檢修公司，天津300171）

隨著電力配電系統(tǒng)的發(fā)展，其安全性、穩(wěn)定性運(yùn)行要求與日俱增， 電力輸變電設(shè)備在運(yùn)行過程中，其各種損耗逐漸轉(zhuǎn)化為熱能，在加上外界溫度過高、內(nèi)部輸出功率的增大、輸變電設(shè)備持續(xù)工作，容易造成輸變電內(nèi)部液壓油的溫度過高，輸變電設(shè)備內(nèi)部熱量無法及時(shí)迅速排出，使得輸變電設(shè)備失去穩(wěn)定性， 甚至造成機(jī)體內(nèi)部元件的損傷故障，導(dǎo)致電網(wǎng)的整體癱瘓[1-3]。現(xiàn)有的輸變電借助與液壓油的對流進(jìn)行散熱，散熱效率差，無法快速根據(jù)溫度進(jìn)行散熱，缺乏對設(shè)備體的保護(hù)。

因此，亟待實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)系統(tǒng)輸變電設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、分析、預(yù)測、評估和故障診斷等，通過對電力設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測和故障診斷，使得用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前運(yùn)行設(shè)備的前期、潛伏性故障，其不僅是輸變電設(shè)備良性運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修方式的基礎(chǔ)。而輸變站內(nèi)部液壓油的溫度直接決定了輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)[4-5]。為此對輸變電設(shè)備的在線實(shí)時(shí)檢測是十分必要的。

1 輸變電設(shè)備內(nèi)部溫度的監(jiān)測

針對輸變電設(shè)備內(nèi)部溫度的監(jiān)測，設(shè)計(jì)了輸變電設(shè)備內(nèi)部溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 具體如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括溫度探測器、濾波器、中心處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、散熱組件、報(bào)警設(shè)備、顯示設(shè)備和無線電信號[6-7]。其中，溫度探測器主要是測量輸變電設(shè)備內(nèi)部液壓油的溫度；濾波器去除輸變電設(shè)備內(nèi)部的干擾電信號；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存；散熱組件對輸變電設(shè)備進(jìn)行散熱；報(bào)警設(shè)備起到報(bào)警提示作用；顯示設(shè)備顯示機(jī)體內(nèi)部的溫度變化；無線電信號是信號傳輸?shù)妮d體。

圖1 輸變電設(shè)備內(nèi)部溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of internal temperature monitoring system of power transmission and transformation equipment

輸變電設(shè)備監(jiān)測的流程和方法與諸多因素有關(guān)，比如輸變電設(shè)備本身的機(jī)構(gòu)特征、內(nèi)部液壓油箱的構(gòu)造、內(nèi)部散熱管形狀等。通常在輸變電設(shè)備內(nèi)部的液壓油油箱內(nèi)設(shè)置溫度探測器，溫度探測器能夠?qū)崿F(xiàn)對輸變電設(shè)備一側(cè)的油箱油液溫度進(jìn)行測量。

在設(shè)計(jì)中，溫度探測器通過無線電信號與中心處理器進(jìn)行連接，無線電信號裝置與濾波器進(jìn)行連接。由于輸變電設(shè)備內(nèi)部具有一定的電磁干擾，濾波器將屏蔽一定量的電磁干擾，確保溫度探測器與中心處理器之間的電信號連接，以便數(shù)據(jù)能夠順利傳輸，中心處理器的輸出端分別與報(bào)警設(shè)備和顯示設(shè)備的輸入端進(jìn)行導(dǎo)線連接。當(dāng)輸變電設(shè)備的溫度達(dá)到散熱溫度線時(shí)，中心處理器內(nèi)部散熱信號傳輸給散熱組件，散熱組件與壓力泵進(jìn)行工作，散熱管的底部連接有壓力泵，壓力泵加快散熱管與油箱內(nèi)部油液的循環(huán)[8-9]。同時(shí)，散熱箱的一側(cè)設(shè)置有散熱機(jī)構(gòu)， 散熱機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)散熱箱內(nèi)部氣體的流動(dòng)，散熱箱頂部氣體進(jìn)入，通過散熱組件排出，構(gòu)成一個(gè)散熱循環(huán)裝置，加速內(nèi)部氣體的循環(huán)。

中心處理器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行連接。中心處理器采集輸變電設(shè)備的不同時(shí)間段、不同輸出功率的溫度變化， 所采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)，中心處理器對其接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。輸變電設(shè)備的另一側(cè)與散熱組件進(jìn)行連接，散熱組件與中心處理器之間同樣采用無線電信號進(jìn)行信號連接，中心處理器控制散熱組件的工作[10-11]。當(dāng)液壓油的溫度達(dá)到既定設(shè)置的散熱溫度，散熱組件進(jìn)行工作，若散熱效率低于內(nèi)部元件的產(chǎn)熱效率時(shí)，輸變電設(shè)備內(nèi)部溫度持續(xù)上升；當(dāng)液壓油的溫度達(dá)到既定的警戒溫度線時(shí)，溫度探測器將電線號傳輸至中心處理器，中心處理器將報(bào)警電信號傳輸給報(bào)警設(shè)備，報(bào)警設(shè)備提示維修人員，告知輸變電設(shè)備油箱內(nèi)部溫度情況。與此同時(shí)，中心處理器將溫度數(shù)據(jù)通過顯示設(shè)備進(jìn)行顯示，使得用戶能夠直接進(jìn)行溫度的觀察。

2 故障檢測

2.1 油液降溫的硬件設(shè)計(jì)

輸變電設(shè)備的正視圖如圖2所示。輸變電設(shè)備主要應(yīng)用電磁感應(yīng)原理來工作，具體如下：當(dāng)輸變電設(shè)備一次側(cè)施加交流電壓U1， 流過一次繞組的電流為I1，該電流在鐵芯中會(huì)產(chǎn)生交變磁通，使一次繞組和二次繞組發(fā)生電磁聯(lián)系。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，交變磁通穿過這2 個(gè)繞組就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢，其大小與繞組匝數(shù)以及主磁通的最大值成正比，繞組匝數(shù)多的一側(cè)電壓高，繞組匝數(shù)少的一側(cè)電壓低。當(dāng)變壓器二次側(cè)開路，即變壓器空載時(shí)，一、二次端電壓對應(yīng)地與一、二次繞組匝數(shù)成正比[12-13]，即U1/U2=N1/N2，但初級頻率與次級保持一致，從而實(shí)現(xiàn)電壓的變化。

圖2 輸變電設(shè)備正視圖Fig.2 Front view of power transmission and transformation equipment

輸變電設(shè)備的后視圖如圖3所示。由圖所示，輸變電設(shè)備的底部以水平板進(jìn)行支撐，水平板的底部兩側(cè)縱向設(shè)置有鋼軌，為整個(gè)輸變電設(shè)備的安裝提供了便利。在輸變電設(shè)備頂部設(shè)置有連接板，連接板的寬度略窄于輸變電設(shè)備的寬度， 一定程度上緩解設(shè)備的雨水洗蝕；在輸變電設(shè)備頂部兩側(cè)分別焊接固定有2 個(gè)掛耳，便于對輸變電設(shè)備的起吊安裝，這2 個(gè)掛耳分別關(guān)于輸變電設(shè)備豎直中軸線對稱分布，可以保證起吊時(shí)的平穩(wěn)，避免側(cè)傾；在掛耳之間設(shè)置有高壓套管，便于對連接線進(jìn)行纏繞固定，以免輸電線受力拉扯內(nèi)部元器件，造成內(nèi)部電線受損，起到對輸電線進(jìn)行保護(hù)。在輸變電設(shè)備背面并排連接有散熱組件，散熱組件的數(shù)量為8 個(gè)，且呈兩排設(shè)置。

圖3 輸變電設(shè)備后視圖Fig.3 Rear view of power transmission and transformation equipment

輸變電設(shè)備剖視圖如圖4所示。在該結(jié)構(gòu)特征中，輸變電設(shè)備內(nèi)部的繞阻線圈一側(cè)與液壓油箱相鄰，且液壓油箱靠近繞阻線圈的一側(cè)豎直并排設(shè)置有吸熱片，通過吸熱片增大與輸變電設(shè)備內(nèi)部的接觸面積，使得熱量迅速轉(zhuǎn)移至液壓油箱內(nèi)部。

輸變電設(shè)備的背面設(shè)置有散熱箱，散熱箱與輸變電設(shè)備之間存在一定間隙。散熱箱頂部開設(shè)有散熱孔、底部設(shè)置有濾網(wǎng)，濾網(wǎng)防止箱體外界的灰塵進(jìn)入，造成散熱管表面散熱效率降低。散熱箱內(nèi)設(shè)置有散熱管，散熱管之間呈并排設(shè)置，且相鄰散熱管之間中部通過連接管連通，散熱管的兩端與油箱內(nèi)部進(jìn)行連通。并排設(shè)置的散熱管之間相互連通，使得油液的溫度與散熱機(jī)構(gòu)接觸面積更大，油箱的一側(cè)與繞組之間設(shè)置有若干個(gè)散熱板，增大接觸面積，使得輸變電設(shè)備內(nèi)部的熱量穩(wěn)定充分地被液壓油所吸收，溫度快速地轉(zhuǎn)移。在散熱管的底部連接有壓力泵， 由此加快散熱管與油箱內(nèi)部油液的循環(huán)，同時(shí)，散熱箱的一側(cè)設(shè)置有散熱機(jī)構(gòu)，散熱機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)散熱箱內(nèi)部氣體流動(dòng)，氣體由散熱箱頂部進(jìn)入，通過散熱組件排出，構(gòu)成一個(gè)散熱循環(huán)裝置，從而快速降低設(shè)備內(nèi)部的溫度。

圖4 輸變電設(shè)備剖視圖Fig.4 Section view of power transmission and transformation equipment

散熱管結(jié)構(gòu)如圖5所示， 散熱管直徑5 cm，壁厚0.5 cm， 這樣的結(jié)構(gòu)使得內(nèi)部液壓油在散熱管內(nèi)部進(jìn)行橫向與縱向擴(kuò)散，使得液壓油在管道內(nèi)部熱對流效率更高。

圖5 散熱管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of heat pipe structure

基于上述結(jié)構(gòu)分析，實(shí)現(xiàn)輸變電設(shè)備內(nèi)部液壓油降溫時(shí)，在輸變電整體運(yùn)行過程中，內(nèi)部元器件工作會(huì)產(chǎn)生一定熱量，由于輸變電設(shè)備內(nèi)部采用密封絕緣設(shè)計(jì)，熱量集中于輸變電設(shè)備內(nèi)部，液壓油箱靠近繞阻線圈一側(cè)的吸熱片增大了與輸變電設(shè)備內(nèi)部的接觸面積，使得熱量迅速轉(zhuǎn)移至液壓油箱內(nèi)部，與液壓油箱相連通的散熱管底部連接有壓力泵，它可以加快散熱管內(nèi)部液壓油的流動(dòng)。此外，散熱箱一側(cè)的風(fēng)扇可以抽取散熱箱內(nèi)部的熱氣，加快散熱箱內(nèi)部氣體的流動(dòng)，在氣體流動(dòng)的同時(shí)帶走散熱管道表面的熱量，從而達(dá)到降溫的效果。

2.2 油溫故障診斷方法

進(jìn)行故障診斷時(shí)，應(yīng)首先在錯(cuò)綜復(fù)雜的輸變電設(shè)備信息中提取油溫診斷的信息量。在此，采用模糊度D（μ）來衡量有效的故障特征參量[14-15]，公式為

式中：u（xi）為在線狀態(tài)的電力設(shè)備信息對狀態(tài)模糊集的隸屬度。Df（μ）和Dn（μ）為2 種不同信號狀態(tài)的交疊程度，Df（μ）為故障模糊度，Dn（μ）為正常模糊度。計(jì)算二者的平均值Dm（μ），公式為

在進(jìn)行故障特征計(jì)算時(shí)，Dm（μ）值越小越好，其越小，表示所分析的故障特征信息狀態(tài)和正常狀態(tài)的作用越強(qiáng)。診斷分析流程如圖6所示。

圖6 診斷分析流程Fig.6 Flow chart of diagnosis analysis

可采用模糊理論中的最大隸屬度原理進(jìn)行診斷，這樣能夠?qū)㈦娏υO(shè)備的狀態(tài)信號與模糊數(shù)學(xué)的方法結(jié)合起來。

假設(shè)，模糊方程

其中

式中：Y 為影響設(shè)備油溫的原因，將原因情況用數(shù)據(jù)集表示；X 為油溫異常征兆信息；R 為與油溫有關(guān)系的模糊關(guān)系矩陣。rij為征兆參數(shù)xi對油溫異常的故障原因yi的隸屬度（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m）。每個(gè)影響故障原因yi選取Dm（μ）的有效特征參量，則剩余的特征參量的隸屬度公式為

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

采用所設(shè)計(jì)的油液降溫硬件結(jié)構(gòu)，經(jīng)過試驗(yàn)得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1， 由此得到的溫度幅度曲線如圖7所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄Tab.1 Test data record

圖7 溫度幅度曲線Fig.7 Temperature amplitude curve

經(jīng)過試驗(yàn)，中心處理器的內(nèi)部設(shè)定了2 個(gè)溫度線，報(bào)警溫度線的溫度為75 ℃，散熱溫度線的溫度為45 ℃。當(dāng)油液內(nèi)部的溫度低于散熱溫度時(shí)，油箱內(nèi)部的油液借助于溫度對流進(jìn)行流動(dòng)，經(jīng)過散熱管進(jìn)行自然散熱，節(jié)約能源；當(dāng)溫度達(dá)到散熱溫度，中心處理器發(fā)出電信號給壓力泵和散熱機(jī)構(gòu)，壓力泵進(jìn)行工作加快油液的流動(dòng)。若散熱效果不佳，溫度持續(xù)上升至報(bào)警溫度，則報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號。

在此，對本文技術(shù)方案和不采用本文技術(shù)的方案進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果見表2。其中，方案Ⅰ為未采用本文技術(shù)的方案在10 h 內(nèi)輸變電設(shè)備發(fā)生故障情況；方案Ⅱ?yàn)椴捎帽疚募夹g(shù)方案在10 h 內(nèi)輸變電設(shè)備發(fā)生故障情況。

表2 兩種技術(shù)方案試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比Tab.2 Comparison of test data of two technical schemes

由表可知，本文方案能夠大大降低輸變電設(shè)備故障發(fā)生率。通過試驗(yàn)，整體輸變電設(shè)備內(nèi)部的散熱效果顯著提升，實(shí)時(shí)對輸變電設(shè)備內(nèi)部的溫度監(jiān)控。同時(shí)，配合散熱機(jī)構(gòu)工作，使得設(shè)備內(nèi)部溫度始終位于45 ℃散熱溫度線以下，保證設(shè)備整體的正常穩(wěn)定工作，延長內(nèi)部元件的使用壽命，降低設(shè)備本體的故障率，節(jié)約人工檢修成本。

4 結(jié)語

基于輸變電設(shè)備內(nèi)部的研究，相對于傳統(tǒng)的熱對流形式的散熱，效果更加明顯。采用不同溫度梯度的散熱方式， 實(shí)時(shí)監(jiān)測輸變電設(shè)備內(nèi)部的溫度，若干并排相對設(shè)置的散熱管，配合壓力泵的壓力循環(huán)，加快內(nèi)部油液的循環(huán)，同時(shí)輸變電設(shè)備與溫度檢測系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)的對輸變電設(shè)備內(nèi)部油液溫度的監(jiān)測與反饋， 將其輸變電設(shè)備不同時(shí)間段、不同輸出功率時(shí)溫度進(jìn)行收集處理，降低了該裝置因溫度造成的內(nèi)部元件的損傷，確保輸變電設(shè)備的正常運(yùn)行，同時(shí)散熱的效率大大提高。針對不同的溫度，散熱速率有所調(diào)整，同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集處理，有助于用戶進(jìn)一步研究、分析電網(wǎng)故障。