城市軌道交通35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)方法

蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)二分公司 石光翔 代寶山 李永清 上海欣影電力科技股份有限公司 高如枝

變壓器主要作用是控制和調(diào)控電網(wǎng)電壓，其絕緣情況與電力系統(tǒng)運(yùn)行是否穩(wěn)定具有直接作用關(guān)系，由于一些客觀因素的存在，其絕緣介質(zhì)并不總是處于致密狀態(tài)，如氣泡、氣孔、懸浮顆粒物等因素，這些因素會(huì)降低變壓器的絕緣性能，從而在運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)局部放電，變壓器長(zhǎng)時(shí)間處于局部放電狀態(tài)，不對(duì)其進(jìn)行有效處理和解決會(huì)導(dǎo)致變壓器放電面積逐漸擴(kuò)大，降低變壓器的電氣性能，最終造成電力事故，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。

一些發(fā)達(dá)國家供電一次設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備已趨于成熟，目前地鐵公司運(yùn)行的一次設(shè)備大部分沒有安裝在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，特別是監(jiān)測(cè)一次設(shè)備運(yùn)行缺陷的局放在線監(jiān)測(cè)裝置。隨著國家提出建設(shè)智慧軌道交通的建設(shè)思路，國內(nèi)已有部分地鐵、部分設(shè)備廠家率先試點(diǎn)采用在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，部分地鐵公司也在探索和搭建適用于軌道的交通的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。雖已取得一定成果，但現(xiàn)有方法在35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)應(yīng)用中對(duì)于放電監(jiān)測(cè)不夠精準(zhǔn)，存在較大的監(jiān)測(cè)誤差，已無法滿足實(shí)際需求，為此提出35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)方法。

1 變壓器局部放電監(jiān)測(cè)

1.1 變壓器局部放電信號(hào)獲取

變壓器局部放電主要發(fā)生在變壓器進(jìn)線電纜處和變壓器內(nèi)部，根據(jù)實(shí)際需求，此次利用高頻電流傳感器和特高頻傳感器來獲取變壓器兩處放電信號(hào)（表1）。

表1 變壓器局部放電信號(hào)采集裝置參數(shù)表

變壓器高頻電流傳感器主要用于高壓電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)傳感器的具體用途和空間位置，選擇相應(yīng)的支架或固定架[1]。在變壓器高頻電流傳感器穿芯式卡裝在變壓器進(jìn)線電纜本體上，采集該部位放電信號(hào)。

現(xiàn)場(chǎng)選1臺(tái)動(dòng)力變壓器進(jìn)線電纜，各安裝3只高頻電流傳感器（每相安裝1只）進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，共計(jì)需要安裝3個(gè)高頻電流傳感器[2]。35kV干式變壓器內(nèi)置特高頻局放傳感器，該傳感器是磁石吸附固定于箱體內(nèi)壁，可檢測(cè)開關(guān)柜內(nèi)部局部放電信號(hào)[3]。將特高頻傳感器用強(qiáng)磁吸附或安裝在變壓器箱體內(nèi)壁，每臺(tái)變壓器裝三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，高壓側(cè)2只、低壓側(cè)1只，對(duì)角安裝。將高頻電流傳感器與特高頻傳感器采集到的放電信號(hào)上傳到計(jì)算機(jī)上，供后續(xù)放電信號(hào)特征提取和識(shí)別監(jiān)測(cè)計(jì)算使用。

1.2 局部放電信號(hào)特征提取

35kV干式變壓器局部放電時(shí)，局部相位會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，通過對(duì)獲取的局部放電信號(hào)濾波、降頻處理，以信號(hào)時(shí)間域作為橫軸變量、以變壓器電量相位作為縱軸變量，繪制變壓器電量相位分布二維圖譜，局部放電時(shí)與正態(tài)情況下變壓器電量相位分布是不同的，其主要區(qū)別可用陡峭度、偏斜度、相互關(guān)系數(shù)、局部放電量因數(shù)、相位不對(duì)稱度反映出來，因此將該五個(gè)統(tǒng)計(jì)算子作為局部放電信號(hào)特征。

其中陡峭度是指變壓器局部相位分布形狀，相比于正常情況下變壓器相位局部形狀的凸起變化程度，其計(jì)算公式為式中：F表示35kV干式變壓器局部相位分布形狀的陡峭度；i表示35kV干式變壓器相位窗數(shù)量；xi表示第i個(gè)35kV干式變壓器電量相位分布二維圖譜相位窗的相位；u表示相位分布二維圖譜第i個(gè)相位窗內(nèi)放電事件出現(xiàn)的頻次；g表示相位分布二維圖譜第i個(gè)相位窗內(nèi)放電均值；Δx表示35kV干式變壓器電量相位分布二維圖譜相位窗的寬度；σ表示35kV干式變壓器電量相位分布二維圖譜第 個(gè)相位窗內(nèi)放電事件的平均值[4]。

偏斜度是指35kV干式變壓器局部相位分布形狀，相比于正常情況下變壓器相位局部分布的左右方向偏離程度，其計(jì)算公式為式中：T表示35kV干式變壓器局部相位分布形狀的偏斜度；W表示工頻半周內(nèi)的相位窗數(shù)量[5]。

相位關(guān)系數(shù)是反映正負(fù)半周內(nèi)35kV干式變壓器局部相位分布形狀的相似程度，其計(jì)算公式為：Q=式中：Q表示變壓器局部相位關(guān)系數(shù)；ni表示電量相位分布二維圖譜正半周第i個(gè)相位窗內(nèi)的放電重復(fù)率；qi表示電量相位分布二維圖譜負(fù)半周第i個(gè)相位窗內(nèi)的放電重復(fù)率。

局部放電因數(shù)是反映正負(fù)半周內(nèi)35kV干式變壓器放電差異，其計(jì)算公式為式中：C表示35kV干式變壓器局部放電因數(shù)；a1表示電量相位分布二維圖譜正半周相位窗內(nèi)的平均放電量；di表示電量相位分布二維圖譜負(fù)半周相位窗內(nèi)的平均放電量。

相位不對(duì)稱度可以反映出局部放電的起始相位差別，其計(jì)算公式為：K=Ψ-/Ψ+，式中：K表示35kV干式變壓器局部相位不對(duì)稱度；Ψ-表示35kV干式變壓器局部相位分布圖譜負(fù)半周放電起始相位角；Ψ+表示35kV干式變壓器局部相位分布圖譜正半周放電起始相位角。將獲取的局部放電信號(hào)帶入到上述公式中，對(duì)五個(gè)統(tǒng)計(jì)算子進(jìn)行計(jì)算，提取到五個(gè)變壓器局部放電特征。

1.3 局部放電識(shí)別及監(jiān)測(cè)

利用識(shí)別算法對(duì)提取到的局部放電特征進(jìn)行綜合分析，計(jì)算出變壓器局部放電系數(shù)值，其計(jì)算公式為式中：γ表示35kV干式變壓器局部放電系數(shù)值；m表示提取的特征因子數(shù)量；k表示歸一化指數(shù)；w表示特征因子權(quán)重值。

利用上述公式計(jì)算出變壓器局部放電系數(shù)，根據(jù)變壓器實(shí)際情況設(shè)定一個(gè)局部放電閾值，如計(jì)算到的局部放電系數(shù)小于該閾值，則表示監(jiān)測(cè)區(qū)域當(dāng)前不存在局部放電；如計(jì)算到的局部放電系數(shù)大于該閾值，則表示監(jiān)測(cè)區(qū)域當(dāng)前存在局部放電。對(duì)于識(shí)別到的局部放電故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)變壓器局部放電監(jiān)測(cè)需求設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)算法，該算法是以聲-聲雙曲面數(shù)學(xué)理論作為理論依據(jù)，根據(jù)傳感器與放電源的相對(duì)位置，以其中一個(gè)傳感器作為基準(zhǔn)傳感器，根據(jù)每個(gè)傳感器接收到超聲波信號(hào)時(shí)間確定放電源位置。

如圖1所示，假設(shè)安裝在變壓器上的傳感器分別為 1、 2、 3、 4，已知四個(gè)傳感器位置，放電源為R，根據(jù)超聲波信號(hào)傳播速度和時(shí)間計(jì)算出傳感器與放電源之間的距離：h=vt，式中：h表示傳感器與放電源之間的距離；v表示信號(hào)傳播速度；t表示信號(hào)傳播時(shí)間。

以A1為基準(zhǔn)傳感器，已知超聲波信號(hào)接收時(shí)刻，計(jì)算出不同傳感器之間信號(hào)傳播時(shí)間差：s=t1-t2，式中：s表示不同傳感器之間信號(hào)傳播時(shí)間差；t1表示基準(zhǔn)傳感器信號(hào)接收時(shí)刻；t2表示其他傳感器信號(hào)接收時(shí)刻。根據(jù)雙曲線監(jiān)測(cè)原理，則可以求出變壓器局部放電位置，其計(jì)算公式為：

式中：x、y、z分別表示35kV干式變壓器局部放電源的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和斜坐標(biāo)；x1、y1、z1分別表示基準(zhǔn)傳感器的坐標(biāo)值；x＊、y＊、y＊表示其與傳感器的坐標(biāo)和。利用以上設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)算法對(duì)變壓器局部放電位置進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)，以此完成了變壓器局部放電監(jiān)測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為驗(yàn)證此次提出的35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)思路的可行性與可靠性，選取某城市軌道交通35kV干式變壓器為監(jiān)測(cè)對(duì)象，該變壓器規(guī)格為3000mm×1500mm×1550mm，由于該變壓器使用時(shí)間較長(zhǎng)，部分區(qū)域已出現(xiàn)老化現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，故利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該35kV干式變壓器進(jìn)行局部放電監(jiān)測(cè)。

根據(jù)該35kV干式變壓器實(shí)際情況，準(zhǔn)備了特高頻局放傳感器與高頻電流傳感器各兩個(gè)，其安裝坐標(biāo)分別為（0，265，458）、（1560，0，765）、（869，1426，0）、（2000，693，248），其中以第一個(gè)特高頻傳感器為基準(zhǔn)傳感器位置，將特高頻局放傳感器的傳感頻率設(shè)定為1.26Hz、采樣周期設(shè)定為0.12s、靈敏度設(shè)定為4.5，將高頻電流傳感器傳感頻率設(shè)定為1.26Hz、采樣周期設(shè)定為1.2s、靈敏度設(shè)定為5，按照說明書將高頻電流傳感器和特高頻傳感器進(jìn)行安裝和調(diào)試，實(shí)驗(yàn)中高頻電流傳感器采集到0.26GB信號(hào)，特高頻傳感器采集到2.16GB超聲波信號(hào)，得到的35kV干式變壓器局部放電信號(hào)圖如圖2。

信號(hào)的采樣頻率為4.56MHz，采樣點(diǎn)數(shù)為1600點(diǎn)，幅值為10~30mV，將采集到的信號(hào)將其作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，通過對(duì)數(shù)據(jù)處理、分析，共監(jiān)測(cè)到48個(gè)局部放電，其中包括懸浮放電、針板放電、沿面放電及氣隙放電，隨機(jī)選取8個(gè)局部放電監(jiān)測(cè)結(jié)果，將其與實(shí)際局部放電情況進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出兩種方法局部放電監(jiān)測(cè)誤差，將其作為兩種方法精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用電子表格對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄（表2）。

通過對(duì)表2中數(shù)據(jù)分析可得出：設(shè)計(jì)方法對(duì)35kV干式變壓器局部放電源監(jiān)測(cè)誤差較小，最大誤差僅為1.36mm、最小監(jiān)測(cè)誤差僅為0.89mm，平均監(jiān)測(cè)誤差為1.03mm，數(shù)值較小、基本可忽略不計(jì)，設(shè)計(jì)方法可將監(jiān)測(cè)誤差控制在1.5mm以內(nèi)，表示設(shè)計(jì)方法具有較高的變壓器局部放電監(jiān)測(cè)精度，監(jiān)測(cè)結(jié)果基本與實(shí)際情況相符。而傳統(tǒng)方法對(duì)于35kV干式變壓器局部放電源監(jiān)測(cè)誤差相對(duì)較大，最大誤差為29.34mm、最小監(jiān)測(cè)誤差為20.26mm、平均監(jiān)測(cè)誤差為25.48mm，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)方法，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了在精度方面設(shè)計(jì)方法優(yōu)于傳統(tǒng)方法，相比傳統(tǒng)方法更適用于35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)。

表2 兩種方法變壓器局部放電監(jiān)測(cè)誤差對(duì)比（mm）

3 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的弊端和不足提出一條新的35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)思路，有效降低了變壓器局部放電源監(jiān)測(cè)誤差，提高了35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)精度，以及提高35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，此次研究具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。但由于此次研究時(shí)間有限，提出的監(jiān)測(cè)方法尚未在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行大量操作，在某些方面可能存在一些不足之處，今后會(huì)對(duì)35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)方法優(yōu)化進(jìn)行探究，為35kV干式變壓器局部放電監(jiān)測(cè)提供有力的理論支撐。