變壓器內部過熱缺陷故障自適應診斷系統設計

韓中杰，李傳才，周剛，戚中譯

（國網浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江嘉興 314000）

變壓器是一種相對靜止的電氣應用設備，可將某一固定數值的交流輸入電壓轉換成頻率相同的一種或幾種直流輸出電壓。當交流電壓通過繞組設備時，所產生的物理磁通量即為交變磁通；而當直流電壓通過繞組設備時，所產生的物理磁通量即為直行磁通[1-2]。隨著外界輸電壓力的改變，變壓器交變磁通、直行磁通接連出現，不僅能夠實現對應用電能的穩定傳輸，也可將設備結構體自身的電阻容量水平固定在平穩的特征參數區間之內。

由于外部環境、工作時長、處理材料等外界因素的改變，變壓器內部結構會產生明顯的發熱情況，從而導致電力資源的嚴重浪費。傳統示數監控型診斷系統通過實時采集的方式，對變壓器內部的溫度示數信息進行提取，再借助遠方終端，實現對缺陷故障行為的診斷與排查。然而此系統對于變壓器設備內部過熱問題的解決能力有限，并不能完全滿足實際應用需求。為避免上述情況的發生，設計新型變壓器內部過熱缺陷故障自適應診斷系統，在信號源裝置、故障指示器等多個硬件設備結構的支持下，對設備過熱原因進行準確分析，再聯合變壓器負荷量數值，實現診斷信息存儲數據庫軟件的實時連接。

1 自適應診斷系統硬件設計

自適應診斷系統的硬件執行環境由信號源裝置、故障指示器、診斷服務器三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 信號源裝置

信號源裝置連接在變壓器結構的高壓電量輸出端，可在一組接地電阻元件的作用下，實現對溫度控制設備的全面協調，從而使自適應診斷系統的實際應用需求得到較好滿足。在單位傳輸時間內，兩個不同的接地電阻元件分別與控制開關和信號源波段相連，前者可在感知變壓器內部溫度變化情況的同時，對剩余自適應電流進行集中性消耗，后者則主要負責對輸出的電量信號源進行精準調試，從而使系統內部的電子傳輸環境時刻保持相對穩定的應用狀態[3-4]。信號源裝置右側集中分布著多個輸出波段結構體，且隨著變壓器設備所承擔電壓值水平的提升，這些物理波段的振蕩行為也會逐漸趨于明顯，直至變壓器設備的內部溫度實值達到額定量標準數值。信號源裝置示意圖如圖1 所示。

圖1 信號源裝置示意圖

1.2 故障指示器

自適應診斷系統的故障指示器由直流型、交流型、交感變化型3 種形式共同組成。其中，直流型故障指示器的連接適應性相對較弱，僅能負載直流型的變壓器應用設備，當元件內的物理表現穩定值不斷提升時，該類型設備極易出現熔斷變化狀態，從而加劇熱缺陷行為的表現強度[5-6]。交流型故障指示器的連接適應性具備一定的可更改能力，但僅能負載交流型的變壓器應用設備，當元件內的物理表現穩定值不斷提升時，該類型設備則能夠長期保持相對穩定的連接狀態，因此可對熱缺陷行為的表現強度進行一定的抑制性影響，從而為自適應診斷系統提供更多的可參考信息條件。故障指示器分類標準如表1 所示。

表1 故障指示器分類標準

1.3 診斷服務器

在變壓器內部過熱缺陷故障自適應診斷系統中診斷服務器始終以主機集群的形式存在，可聯合故障指示器，對變壓器設備的內表面溫度值進行精準確定，再借助信號源裝置，實現對診斷執行指令的判別與處理[7]。一般情況下，客戶端主機作為診斷服務器模式的頂層執行結構，可根據已記錄的變壓器內部溫度值水平，對自適應診斷權值進行設置，再借助輸入網絡信道，維護整個網絡內的信息診斷環境，從而使得系統內的待處理數據信息能夠具有較強的實用性價值[8-9]。底層服務器的連接則必須完全遵照自適應診斷網絡的實際規劃需求，一方面記錄客戶端內的數據傳輸需求，另一方面將未完全消耗的溫度值信息反饋至其他系統診斷元件之中。診斷服務器結構圖如圖2 所示。

圖2 診斷服務器結構圖

2 自適應診斷系統軟件設計

在相關硬件執行結構的支持下，按照變壓器內部過熱原因分析、變壓器負荷量計算、診斷信息存儲數據庫連接的處理流程，完成系統的軟件執行環境搭建，兩相結合，實現變壓器內部過熱缺陷故障自適應診斷系統的順利應用。

2.1 變壓器內部過熱原因分析

變壓器內部過熱是一個極為復雜的反應過程，而引發其溫度值上升的原因主要包括電耗能量過高、潛油泵發熱量過大、信號色譜數據變化三類。其中，電耗能量過高是引發變壓器內部過熱的最主要原因，由于變壓器元件常與高壓電網線路相連，傳輸電子可在壓降行為下，在傳輸導線中大量堆積，故隨著后續消耗指令的產生，這些電子量會直接進入變壓器設備內部，并在其中形成高水平的電子運行流場[10-11]。潛油泵發熱量過大則屬于較難觸發的變壓器內部過熱原因，由于變壓器結構體的主體受熱相對較為均勻，所以若不存在多點接地或鐵芯接地電流過大的情況，則不會導致該項事件的產生。信號色譜數據變化則是由于CO 與CO2增幅過大所引起的變壓器內部過熱問題，由于其反應能力極強，因此由該項條件所引發的變壓器內部過熱問題最為嚴重[12-13]。設E1、E2、E3分別代表3 個不同的變壓器發熱原因系數，i代表發熱量引發條件，聯立上述物理量，可將變壓器內部過熱缺陷故障情況下的發熱量極值表示為：

其中，M代表電子量傳輸系數，β代表熱量能耗指標，Kmin、Kmax代表變壓器設備所具備的最小和最大熱量承載力系數值。

2.2 變壓器負荷量

變壓器負荷量是指變壓器設備元件在單位時間內所能承載的最大發熱量數值，一般情況下，該項物理指標的數值水平越高，其外部所負載的傳輸電壓值也就越大，反之則越小。變壓器作為一種恒定型電子量消耗設備，其內部阻值水平基本能夠長時間保持相對平衡的存在狀態，且隨著外部傳輸電壓與傳輸電流值的增大，該項物理量的數值水平也并不會出現明顯改變[14-15]。規定在一個電量傳輸周期內，r0代表最小的變電器發熱量診斷系數，rn代表最大的變電器發熱量診斷系數，n代表自適應評估權限值。聯立式（1），可將變壓器負荷量計算結果表示為：

上式中，代表變壓器設備在單位時間內的發熱量均值。

2.3 診斷信息存儲數據庫

診斷信息存儲數據庫負責存儲與變壓器發熱量相關的自適應數據信息，并可借助輸出信道，將這些信息指令反饋至相關電子量應用元件之中[16]。在常規運行情況下，客戶端1、客戶端2 始終保持同步開啟的連接狀態，且在存儲服務器設備的作用下，所有已執行的電量信息文件都可在服務器主機中進行短暫存儲，且最終一定會生成較為完整的熱量信息文件，以用于系統相關設備主機的調取與應用。至此，實現各項軟硬件執行環境的搭建，在不出現其他干擾條件的情況下，完成變壓器內部過熱缺陷故障自適應診斷系統設計。診斷信息存儲數據庫示意圖如圖3 所示。

圖3 診斷信息存儲數據庫示意圖

3 實驗分析與研究

以三相五柱式變壓器（如圖4 所示）作為實驗設備，分別將其接入自適應診斷系統與示數監控型診斷系統應用環境中，其中前者作為實驗組、后者作為對照組。

圖4 變壓器設備元件

已知變壓器直阻均值、電流攀升量數值均能反映系統主機所能承載的變壓器內部溫度值情況，一般情況下，直阻均值量與電流攀升量數值水平越高，變壓器內部溫度值的上升趨勢也就越明顯（在配電網環境中，變壓器內部過熱現象越明顯，其引發的電力資源浪費問題也就越嚴重）[17-18]。

表2 記錄了實驗組、對照組變壓器直阻均值量在不同電壓值水平下的具體變化情況。

表2 變壓器直阻均值量對比

以表2 中所示數值作為分析條件可知，隨著變壓器所負載電壓量水平的增大，實驗組、對照組的直阻均值基本保持相同的數值變化趨勢，但實驗組的整體數值水平始終低于對照組。從極限數值的角度來看，實驗組的階段性最大值77.875 03 Ω遠低于對照組的階段性最大值89.946 71 Ω。

基于此可認為，自適應診斷系統的應用能夠較好控制變壓器直阻均值量的上升變化趨勢，對穩定變壓器內部的溫升變化，具有較強的可行性作用能力。

表3 記錄了實驗組、對照組電流攀升量數值在不同電壓值水平下的具體變化情況。

表3 電流攀升量數值對比

以表3 中所示數值作為分析條件可知，隨著變壓器所負載電壓量水平的增大，實驗組電流攀升量數值在實驗前期的大幅上升狀態后，開始逐漸趨于相對穩定的存在形式；而對照組電流攀升量數值則始終保持連續上升的變化狀態。從極限值角度來看，實驗組最大值43.2 A 低于對照組54.9 A，且能夠存在一段時間的數值穩定狀態。

基于此可認為，自適應診斷系統的應用，實現了對電流攀升量數值上升趨勢的較好抑制，能夠較好維持變壓器設備內部的平衡性溫度變化狀態。

4 結束語

變壓器內部過熱缺陷故障自適應診斷系統可在信號源裝置、故障指示器、診斷服務器三類硬件設備結構的作用下，針對變壓器內部的過熱原因進行準確分析，再通過變壓器負荷量計算的方式，實現對診斷信息存儲數據庫的平衡與穩定。實驗結果顯示，變壓器直阻均值量與電流攀升量數值的下降，能夠較好抑制變壓器設備內部的溫升變化行為，實現對電力消耗資源的合理保護。