變電站及其變壓器在線狀態監測系統

鄭月陽

(攀枝花學院 電氣信息工程學院,四川 攀枝花 617000)

0 引言

變電站及其變壓器在線狀態監測系統是一種基于現代信息技術和通信技術的綜合應用系統。它通過安裝傳感器和監測設備對變電站及變壓器進行實時監測,實現對變電站及變壓器的運行狀態、溫度、振動、絕緣狀態等參數的在線監測與分析,以幫助運維人員對電力設備的狀態進行及時評估和故障預測,最大程度地提高變電站及變壓器的安全性和可靠性。變電站及其變壓器作為電力系統的重要組成部分,雖然承擔著輸變電任務和電能轉換等重要功能,但是存在運行環境復雜、負荷變化大、工作時間長等特點,很容易出現故障或性能下降的情況。而傳統的巡檢方式往往無法對變電站及變壓器做到全面、實時的監測,需要長時間停電和煩瑣檢修才能發現問題[1-2]。

本文介紹了一種用于確定變電站及其變壓器健康指數(Health Index, HI)的OCMS。OCMS對配電網中連接的所有類型的變壓器都適用,工作人員可以在偏遠地區操作無人值守變電站。變壓器工況數據以短消息業務的形式接收,并存儲在計算機服務器上,維護成本大大降低。實時監測和預測能夠最大程度地提高變電站及變壓器的安全性和可靠性,保障電力系統的穩定運行。

1 在線監測參數

1.1 電壓不平衡及諧波產生的熱量

電壓不平衡的原因包括三相輸配電線路的阻抗不相等,單相負載、相間負載和不平衡三相負載的分布不均勻。系統中出現的不平衡電壓水平可以通過使用標準定義來指定,如式(1)所示。

Uv=λmax(Uab,Ubc,Uca)/ε(Uab,Ubc,Uca)

(1)

其中,λmax為最大偏差;ε為線電壓Uab、Ubc和Uca的平均值。電壓中的不平衡及諧波會導致電流的不平衡與失真,造成鐵心、銅心和渦流損耗增加。此類損耗是以熱量的形式產生,使變壓器的絕緣性能惡化。因此,電壓不平衡被認為是評估變壓器健康狀況的參數之一,它表示為:

HI=f(Uv)

(2)

行業標準對變壓器中發生的損耗進行了分類,此類損失的表達式如式(3)所示。

(3)

(4)

其中,h為諧波的階數;Ih為由第h次諧波引起的電流。Y表示由非正弦負載和電源不平衡引起的異常情況。連接負載的功率因數也與功率損耗有關。低功率因數會導致電壓調節過度,如式(5)所示。

ΔU=I1(Rcosφ+Xsinφ)

(5)

其中,R和X分別為變壓器每相的電阻和電抗;cosφ為功率因數。因此,較低的功率因數增加了損耗并降低了效率。損耗的增加導致產生的熱量增加,從而導致繞組和油溫變化。非線性負載引起諧波及功率損耗,因此,在非正弦負載和不平衡電壓供應條件下的總損耗(PY)被視為異常損耗,并表示為公式(6)。

(6)

從式(4)—(6)可以看出,流經變壓器的電流、功率因數和諧波含量是造成功率損耗的重要原因。這種功率損耗增加了變壓器中的熱量,影響了變壓器的正常使用。因此,這些具有諧波含量和對應于特定負載cosφ的負載電流可用于評估變壓器健康狀況,表示為公式(7)。

HI=f2(Ih,cosφ)

(7)

1.2 效率偏差及健康指數

電子式電能表(Electronic Energy Meter,EEM)是一種多功能電能表,連接到變電站變壓器的高壓側和低壓側,可以監測電氣參數,如電壓、電流、功率、功率因數、每相的諧波含量和累計諧波含量。因此,變電站變壓器的效率由EEM測量的低壓側功率PLV與高壓側功率PHV的比值來確定,功率表達式如下。

(8)

特定負載條件下的效率偏差,即k0=k1-k2,表明損耗變化可被視為變壓器HI評估的參數,表示為公式(9)。

HI=f3(k0)

(9)

繞組溫度指示器廣泛應用于電力企業,旨在模擬繞組最熱部分的熱行為。電力變壓器的負載能力主要受繞組溫度的限制,繞組溫度傳感器固定在變電站變壓器上,提供有關變壓器負載和絕緣退化動態評估的信息。因此,繞組溫度(tw)被認為是評估變壓器壽命的參數之一,表示為公式(10)。

HI=f4(tw)

(10)

1.3 HI計算

據研究,35%的變壓器故障是由老化和過載引起的。老化效應被認為是變壓器使用年限和變壓器負載歷史的綜合效應,稱為脫機參數。李軍浩等[3-5]研究了關于25%故障的類似觀察結果,老化和其他因素對故障的影響率小于28%。本文運用脫機參數來計算變壓器的整體HI。此外,試驗現場數據表明,29.45%的變壓器故障是由脫機參數引起的,它通常代表OCMS連接到變壓器之前的變壓器歷史狀態。將脫機參數與在線參數相結合分析有助于計算可靠的HI。每個參數的權重分配基于現場觀測。不同的站點可能有不同的維護間隔和政策,導致有不同的HI。由于脫機參數的貢獻為25%～35%,本文設定脫機參數30%的權重,為在線參數設定了70%的權重。因此,變壓器的整體HI表示為公式(11)。

HI=0.3HIOFP+0.7HIONP

(11)

上式HI值從“良好”到“非常差”進行分組,通過這種方式的HI用于判斷變電站或廠用變壓器的狀況。由設計缺陷導致的變壓器故障也是變壓器故障的一個原因。本研究考慮的在線參數包括所有情況,這些參數反映了由變壓器設計問題而對異常故障產生的影響。本研究提出的算法考慮了此種情況。

2 實驗結果與分析

2.1 正常情況

本文在實驗室中通過創建正常和異常條件,測試了所提出的OCMS,用于HI計算的方法。變壓器上的負載在單位功率因數下保持在50%。電壓由三相自耦變壓器調節為220 V,即電壓不平衡為0。儲油柜中的油位約為42%。當環境溫度為30.1 ℃時,頂部油溫為40.1 ℃,且規定負載循環的效率偏差小于0.21%。圖1顯示了不同時間段的實驗結果,圖1(a)表示輸出功率波形(瞬時);圖1(b)表示功率輸入和輸出(平均值);圖1(c)表示效率;圖1(d)表示不同負載下的頂部油溫。OCMS每隔5 min對每個參數的數據進行采樣。此后30 min即對6個樣本進行采樣,取這些樣本的平均值,為平均樣本選擇分數和權重。對這些數據進行處理并計算變壓器的HI。對于這種正常情況,OCMS計算的HI為100%。

2.2 異常情況

本文實驗創建了異常條件,測試了所提出的用于HI計算的OCMS。產生的異常情況有:電源電壓不平衡、變壓器負載百分比上升到額定值以上、功率因數低以及油位下降。在其中一種情況下,電壓不平衡為6.7%,負載和油位保持正常,在此過電壓條件下,電流增加到10.93 A。頂部油溫略有上升,達到42.4 ℃。此外,規定負載循環的效率偏差小于0.006 p.u.,參數的得分和權重發生了變化,OCMS計算的變壓器HI為94.4%。

變壓器不過載實驗中,認為如果變壓器超過90%的負載條件,則將其視為過載條件。電源電壓不平衡保持在其公差范圍內,油位保持與正常條件下相同,即50%。逐漸地,負載從0增加到110%,因此在過載條件下,油溫上升到55.7 ℃。對于這個定義的負載循環,效率的偏差為0.98%。HI也隨著負載的變化而變化,對于過載條件,計算HI為86.11%。

儲油柜中的油位以10%的步長從50%逐漸降低到0。在此期間,變壓器的供電電壓保持在220 V,負載為40%,可以觀察到,隨著冷卻劑的逐漸減少,頂部油溫已升高至40.9 ℃,如圖2所示,圖2(a)表示頂部油溫和油位,圖2(b)表示油位和效率。當儲油柜中有2%的油時,效率偏差為0.37%,在此情況下獲得的HI為87.5%。實驗是在這些異常條件的組合下進行的。HI隨著異常的增加而逐漸降低。對于在線參數的連續監測可提供有關干擾和故障的信息,如油位降低、過載、電壓差、功率因數差、斷路狀況等。

圖2 異常條件實驗結果

3 結語

本文基于脫機參數和在線參數的組合應用研究了變壓器HI檢測系統的開發與實現。利用該技術,可以分析變壓器的油位、油溫、電壓不平衡損耗、功率因數、諧波電流等情況,計算變壓器的在線HI。在出現異常情況時,系統將信息傳達給現場人員。當與其他現有的保護和控制技術相結合使用時,可以實現有效的優先狀態監測、控制和保護。為了分析性能,本文使用三相變壓器進行驗證,測試結果證明了所提出系統的有效性。系統利用現有的儀表傳感器和通信網絡,OCMS的開發成本約為變壓器成本的2%。因此,本文開發的系統有助于變壓器的預測性維護。實施變電站及其變壓器在線狀態監測系統可能需要投入一定的成本,包括設備采購、系統集成和數據分析等。然而,通過減少維修成本和提高設備可靠性,這種投資可以獲得長期收益。變電站及其變壓器在線狀態監測系統可以提供預警功能,預測可能出現的故障并提前采取措施,有助于提高設備的可靠性和安全性。