基于漏油實驗的配電變壓器可靠性評估方法

郭國偉，劉獻，林棣偉

（廣東電網有限責任公司佛山供電局，佛山 528000）

引言

配電變壓器作為配電網中的重要電氣設備，在電能傳輸、電能分配、電能轉化等方面發揮著關鍵作用。由于配變應用場景眾多，一旦出現故障將影響配電網的可靠運行，為降低故障檢修成本，配電變壓器的故障評估具有重要意義[1-5]。

目前在投配電變壓器的主要類型為油浸式變壓器，油浸式變壓器漏油故障是其常見故障，變壓器漏油會導致絕緣下降、變壓器發熱、甚至損壞，危害配電網安全可靠性，準確評估配電變壓器漏油狀態，及時運維避免設備故障，是供電企業重要的工作之一[6-8]。

對于配電變壓器是否出現漏油故障，現有采用的工程手段是通過人工定期巡檢，以目測的方式進行檢測，但效率低下且無法提前發現和防范漏油故障。而在理論研究上，文獻[9]選用了三角形和梯形結合的方式對變壓器故障進行診斷，并建立電力變壓器狀態評價模型同時生成評價表，應用模糊數學的分析方法，實現電力變壓器故障的解決方案，但對漏油故障評估針對性不強。文獻[10]兩起變壓器呼吸器異常情況，介紹了呼吸器漏油現象,并對變壓器呼吸器漏油的原因進行了詳細分析，但未提及變壓器漏油故障評估方法。

針對上述問題，本文基于自主設計的配電變壓器漏油檢測實驗，在充分分析和擬合實驗數據的基礎上構建變壓器油位變化、油箱內部壓強與溫度的關系，通過該映射關系，結合現場采樣數據建立配電變壓器的可靠性評估模型。現場的驗證實驗數據表明，評估模型能有效反映實驗數據間的內在規律，對以后配變漏油故障的可靠性評估具有一定參考意義。

1 配變可靠性評估模型

配電變壓器的可靠性評估直接關系到設備的運行安全性、經濟性和可維護性。常見的可靠性評估指標有運行時間、故障時間、故障次數、故障率、維修時間、維修次數、維修率等，大多與設備的故障問題有關，因此配變的可靠性評估與其故障評估緊密相連，若能降低設備其故障發生率也將顯著提高配電變壓器的運行可靠性。漏油故障作為最常見的故障，本文即以漏油故障的評估來表征配電變壓器的可靠性大小。

1.1 漏油實驗設計

造成配電變壓器漏油的主要原因是絕緣老化、電氣擊穿、環境惡劣等因素，這些因素電網長期運行下來難以避免。漏油故障的發生將導致變壓器絕緣性能下降，增加電擊風險，同時漏油會干擾運維人員對變壓器儲油柜內密封狀況和油位計指示的監視和判斷。為檢測變壓器是否發生漏油，本文自主設計了漏油檢測實驗，設計思路如圖1 所示，先記錄配變正常運行的油壓、油位、油位在線監測數據，然后研究油壓與油溫、油壓與油位的內在映射關系，再通過人為放油來模擬漏油的情況，以此來分析配電變壓器漏油后的油壓與油溫、油壓與油位關系是否符合規律。

圖1 漏油實驗設計思路

根據上述實驗設計思路，本文自主設計漏油實驗方案來實現配變漏油的監測和評估，如圖2 所示。

圖2 漏油實驗方案示意圖

具體實驗流程為：

1）變壓器運行后，記錄油壓、油溫、油壓的在線監測數據；

2）根據數學擬合方法對油壓和油溫及油壓和油位的數據進行擬合；

3）在油壓過大時，壓力釋放閥泄壓后，由于氣體含量減少，重新對油壓和油溫及油壓和油位的數據進行擬合，需要注意的是每次壓力釋放閥泄壓后都需要重新記錄數據、擬合數據。

4）放油模擬漏油場景，記錄油壓、油溫、油壓的在線監測數據，將油壓、油溫、油壓數據代入到2）中的油壓和油溫及油壓和油位的擬合關系中，判斷數據是否符合擬合的數學關系。

1.2 漏油評估模型構建

基于上述實驗數據和結論，本文采用使用溫度，壓力，油位狀態三者數據建立模型，利用溫度，壓力，油位狀態三者之間的映射關系，建立得到評估漏油情況的模型。

根據測試數據，獲取合格配電變壓器合理參數范圍。通過測試可知，合格變壓器的絕緣油位置和油箱內部壓力關系很大，而壓力值則在變壓器使用過程中，隨著變壓器的絕緣油溫度變化而變化，并且能形成規律。經過數據擬合成壓力和溫度的關系公式。

在測試的過程中，變壓器絕緣油位緩慢下降，通過數據觀察可知，在發生變壓器漏油故障時，由于變壓器存在密封性的缺陷，導致漏油的發生，而無論溫度怎么變化，變壓器內部和外部氣壓最終都會趨向于相等，甚至偏低，由此也可以判斷變壓器的密閉性能。智能油位計連續測量距離為30 mm，當絕緣油下降25 mm 后，絕緣測試模塊發生報警，結合溫度和壓力的數據變化，可以確定變壓器發生漏油故障。

結合實際理論分析，定義101 kPa 為標準大氣壓，結合實測數據以及理論分析，變壓器每次變化10 ℃，壓力需變化1 個大氣壓為合理范圍。

2 配變可靠性評估方法

通過設計的漏油實驗所測數據以及后續構建的漏油評估模型，通過測量變壓器的絕緣油溫度、變壓器的箱體內部壓強數據，以及當前絕緣油油面下降距離（精度1 mm），將數據存儲至后臺計算機內。存儲測得變壓器的絕緣油溫度、變壓器的箱體內部壓強歷史數據，每10 min 存儲一次，累計存儲100 條。油壓和油溫、油壓和油位的數學關系需進行擬合處理，將數據散點擬合為各參數數據的變化曲線。絕緣油液面的油位可通過智能油位計實時監測，若無下降則定義為0，其余數據則定義為下降距離；如果絕緣油無下降狀態，則繼續監測數據，并重新存儲數據。若監測到絕緣油油面有出現下降，那么將當前測得變壓器的箱體內部壓強、絕緣油溫度數據代入到油壓和油溫的數學擬合公式中，判斷數據是否符合擬合規律，如果不符合，說明存在漏油故障，并啟動漏油告警；如果符合，說明存在假漏油現象，為壓強變化導致出現油位下降情況，需要進一步評估是否真實漏油，則將當前測得變壓器的箱體內部壓強、油液位數據代入到油壓和油位的數學擬合公式中，則對擬合規律進行判定。如果不符合，則再進行判斷油位是否下降20 mm，如果下降則確認為漏油故障，同時啟動漏油告警；如果符合，則判定為假漏油現象，并繼續監測數據。

經上述漏油故障的判斷之后，系統同時需要對絕緣油模塊報警啟動進行監測，如果啟動，則當絕緣油油位下降距離不滿足實驗測試數據規律、油位已經下降20 mm 以上并且絕緣性能監測模塊發生報警，三個狀態同時發生，那么判定變壓器漏油嚴重，啟動保護。如果沒有啟動，則重新繼續監測數據，具體的評估方法流程圖如圖3 所示。

圖3 漏油評估方法流程圖

3 應用算例

基于上述漏油故障模型，本文以實例進行數據分析采集，在實驗環境以及現場環境下進行配電變電器的可靠性評估。實驗設備如圖4~6 所示，將絕緣油老化傳感器安裝于油位計下部分，并將傳感器的接線通過油位計本體引出，連接到控制器進行數據分析。

圖4 普通油位計示意圖

圖5 l 漏油實驗設備示意圖

圖6 漏油實驗設備接線示意圖

通過上述實驗儀器，進行漏油實驗的數據采樣與檢測，具體環境如圖7 所示。

圖7 實驗環境

在廣西百合地區選取一臺用戶的在油浸式配電變壓器，該配變可在線監測油溫、油壓、油位等油狀態數據，所選配變如圖8 所示。

圖8 廣西百合地區油浸式配變現場圖

為驗證上文所提的漏油評估方法中油壓與油溫、油壓與油位的數學擬合模型的有效性，對上表數據分析油壓與油溫的分布規律、油壓與油位的分布規律是否服從數學擬合模型的分布規律，為直觀展示驗證結果，將上表數據分析油壓與油溫、油壓與油位的數據繪制散點圖，數學擬合模型繪制成擬合曲線，觀察散點圖與擬合曲線的分布，如圖9 所示。

圖9 監測數據散點與擬合曲線的分布

從圖9 可見，配變正常運行時油壓與油溫、油壓與油位的數據基本符合上文實驗得到的兩個數學擬合模型，從該實例分析可知，從實驗數據推導的油壓與油溫、油壓與油位的數學擬合模型有效，可適用配變的漏油分析。

4 結語

隨著配電網規模的不斷擴大，變壓器漏油故障的準確評估對配電網安全運行具有重要意義。本文依托自主設計的配電變壓器漏油實驗，在充分分析和擬合實驗數據的基礎上構建了變壓器油位變化、油箱內部壓強與溫度的關系，提出了配電變壓器漏油故障評估流程，通過現場實測數據驗證了可靠性評估方法的有效性，有助于及時發現配電變壓器漏油故障，提高設備運行可靠性。