干式變壓器在線監測在海洋石油平臺中的應用

劉巖(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

0 引言

干式變壓器是海洋石油平臺的主變壓器，在應用時，其自身的故障可能會造成更大的安全事故，絕緣局部放電與過熱故障是干式變壓器產生故障的重要因素。針對海洋石油平臺主變壓器在線監測和故障診斷分析系統的不足，通過將突變理論、自適應濾波以及檢測閾值自整定技術進行有效結合，開展故障綜合定位與預警，研究出具有針對性的海洋石油平臺干式變壓器在線綜合故障監測系統。該系統在智能數據收集方面能夠實現多單元分布式同步采集，適應海洋石油平臺的特殊狀況，便于安裝，能夠完成對海洋石油平臺主變壓器的在線監控、故障預警和分析，大大提升了海洋石油平臺電力系統的安全性與可靠性。

1 干式變壓器概述

對于海洋石油平臺電力系統而言，干式變壓器是非常重要的裝置，是電力系統運作的核心。為了滿足海洋運輸以及石油開發的需求，干式變壓器逐漸在海船與海洋石油鉆井平臺進行廣泛應用。其額定容量為30～10000kVA，電壓等級為0.38～35kV。海洋石油開發項目設備中的發電機組電壓通常大于3.3kV。然而，平臺上只有少數大容量電機應用3.3kV 以上的電壓，大部分技術與公共系統電氣設備都采用380V 電壓。電力變壓器在海洋石油開發工程設施中的主要作用是將主發電機的輸出電壓轉化為電力設備能夠應用的電壓。此外，為了降低電能長距離輸送到各井口平臺所形成的線路壓降損害，必須利用升壓變壓器對主發電機的電壓互感器實施改造。在以往的石油平臺中，干式變壓器包含了很多平臺的電壓、電流、繞組溫度監測，同時還對定期檢查的方法實行維護，這一方式往往會引發不完全維護和過度維護的狀況，造成一定損失。面對上述情況，研制具有針對性的海洋石油平臺干式變壓器在線綜合故障監測系統勢在必行。

2 干式變壓器特質

干式變壓器的安全應用與壽命在極大程度上取決于變壓器繞組絕緣的安全性和可靠性。繞組溫度大于絕緣容限溫度而引起的絕緣破壞，是引起變壓器失去穩定工作能力的重要原因之一，為此，監測變壓器的工作溫度以及警報控制是非常重要的。以下通過介紹Ttc-300 系列溫度控制系統進行闡述。

(1)風機自動控制。將Pt100 熱敏電阻嵌入低壓繞組最發熱的部位，測量溫度信號。當變壓器負荷不斷加大，運行溫度升高，繞組溫度超過110℃時，系統自動開啟風機冷卻；溫度達到90℃的時候，系統自動停止。

(2)超溫報警、跳閘。將PTC 非線性熱敏電阻嵌入低壓繞組中，收集繞組以及鐵芯的溫度信號。當變壓器繞組溫度持續上漲到155℃時，將會引起系統超溫報警。在溫度持續增加到170℃時，變壓器將會停止運作，過溫跳閘信號傳送到二次保護電路，變壓器即迅速跳閘。

(3)溫度顯示系統。溫度變化值由嵌入低壓繞組的Pt100 熱敏電阻進行測量，并直接對各相繞組的溫度(三相檢查與最大值，并可記錄最高溫度)進行展示。最高溫度可輸出4～20mA模擬量，如果需要傳輸到遠處的計算機(距離可以達到1200m)，可以增加計算機接口，一個變送器可以同時監控多達31 個變壓器。Pt100 熱敏電阻信號還可以激活系統的超溫報警和跳閘，有效提升溫度控制保護系統的安全與可靠性。

3 干式變壓器在線監測系統組成

當前，干式變壓器局部放電監測往往會選擇脈沖電流、超高頻、超聲波這幾種方式進行使用。例如在渤海某一石油平臺干式變壓器局部放電監測就選擇了超聲波的方式進行應用，并根據干式變壓器內局部放電引起的超聲波規模、方位來測定局部信號源的位置。該系統主要由超聲波局部放電傳感器、振動傳感器、溫濕度傳感器、下位機與上位機柜共同組成，其系統構建如圖1 所示。

圖1 干式變壓器在線監測系統構架圖

(1)超聲波局部放電傳感器、振動傳感器、溫濕度傳感器的作用。超聲波局部放電傳感器、振動傳感器、溫濕度傳感器在對變壓器的各種狀態數據完成實時監測和信號調理以后，再傳送到下位機。

(2)下位機。下位機的主要作用是對傳感器信號進行采集和存儲，然后把數據傳送到后臺監控的上位機。

(3)上位機。其主要功能是和下位機通信，進行數據的收集和存儲，并對數據查詢進行展示，屬于在線監控系統的核心部分。

4 干式變壓器在線監測系統功能

有效處理軟件界面，易于操作，具有很大的數據分析與處理、歷史趨勢分析和顯示的能力，而實際作用則主要包含：(1)對運行變壓器的振動、溫度、濕度進行實時監控。(2)對變壓器局部放電進行實時監控，通過變壓器內部放電的具體情況來展示變壓器本身的絕緣功能，當變壓器內部的絕緣減少時，可以及時發現，以此在故障早期提供預警作用。(3)對變壓器中出現的故障點進行定位。通過系統對變壓器中形成的局部放電進行檢測，使用定位系統來定位故障的具體方位，以此來提升故障處理的工作效率，節約經濟資源。(4)以上監控數據每5 分鐘(默認)保存一次，然后在歷史數據庫里進行儲存。(5)在數據超出限定值時將自動報警并存儲故障數據。(6)對以前的數據發展圖進行查閱。(7)研究相關故障數據。(8)可以讓用戶進行登錄。(9)參數配置可以修改報警閾值、各監測量的傳感器坐標等各種參變量。

5 干式變壓器在線監測系統安裝

5.1 結合傳感器方位安裝

(1)裝備振動傳感器與溫濕度傳感器的安裝方位。結合實際情況，通常在變壓器下方安裝振動傳感器，信號線連接振動信號放大器調理模塊，而在另一端輸出的信號線則與下位機的復用器的對應接口進行連接。溫濕度傳感器通常在變壓器機柜的側壁上進行安裝，該位置不會對變壓器的穩定工作和傳感器本身的安全產生影響。此外，應規避陽光直射、遠離窗戶、空調和暖氣設備，并且應該遠離大功率干擾設備，避免測量誤差。將溫濕度傳感器信號線連接好后，分別對下位機信號調理模塊的溫度與濕度的接口進行連接。

(2)干式變壓器在線監測系統局部放電傳感器安裝位置。在開展傳感器安裝的時候，我們查找了有關干式變壓器故障的資料，可以知道干式變壓器局部放電的現象一般是發生在其上面。為此，在主變壓器中安裝了8 個局部放電傳感器，如圖2 所示。

圖2 局部放電傳感器安裝位示意圖

在圖2 中，四向傳感單元(1、2、3、4)能夠涵蓋整個圖中的1、2、3、4 的四個區域，通過對干式變壓器局部放電的位置通常集聚在上部進行考慮，因此，上述四路傳感器單元的布置滿足有關需求。對于繞組A 的外部(區域5 和6)和繞組C 的外部(區域7 和8)，還應在變壓器外殼上布置其他四通傳感單元，如圖2(5、6、7、8)所示。這樣就能對主變壓器的整個部門進行覆蓋，沒有盲點，能對變壓器進行完整的監控。

5.2 干式變壓器在線監測系統下、上位機的安裝

(1)下位機安裝位置。安裝下位機時，為能夠有利于各傳感器信號的便利采集和存儲，規避在傳輸工作中發生問題，下位機柜設置在主變壓器中。

(2)上位機放置位置。安裝上位機時，應考慮工作者的操作便捷度，上位機安置于辦公室所在房間的主開關室內。

6 結語

文章對海洋石油平臺干式變壓器在線監測系統進行了分析，對組成、功能、安裝、供電幾方面進行了介紹，并且利用在線監測系統對干式變壓器局部放電、振動、溫濕度等各種參數進行了測試，完成了對變壓器的實時在線安全監測，進而確保了海上石油平臺電氣系統進行正常運作。