變壓器在電網(wǎng)中長期運行，不可避免地會累積各種缺陷。這些缺陷發(fā)展為故障的進(jìn)程，可分為漸發(fā)性故障和突發(fā)性故障兩大類。對變壓器可能發(fā)生的故障及時準(zhǔn)確做出預(yù)測，不僅是電網(wǎng)運維人員關(guān)注的熱點，也是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。作為變壓器檢修的常用方式，預(yù)防性試驗和定期檢修具有較大的盲目性和強(qiáng)制性。建立一種預(yù)知性的檢修方式，“當(dāng)修則修”，而非“到期就修”，已成為狀態(tài)檢修的必然趨勢。因此建立一種在線的、時時監(jiān)控的、智能變壓器、以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的變壓器監(jiān)測模式成為中國智能電網(wǎng)發(fā)展中的必然一步。變壓器在線監(jiān)測機(jī)遇來了。
變壓器是變電站的重要設(shè)備之一，其安全運行對保障供電可靠性至關(guān)重要。變壓器在線監(jiān)測，就是依據(jù)變壓器的各種機(jī)械和電氣特性，通過對油中溶解氣體分析、局部放電、鐵心接地電流、繞組變形在線分析和振動分析，監(jiān)測變壓器的運行狀態(tài)?，F(xiàn)代傳感技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為變壓器等高電壓設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測奠定了堅實的基礎(chǔ)。智能變壓器作為變電站的重要設(shè)備，與傳統(tǒng)變壓器的核心區(qū)別，就在于它具有智能化的在線監(jiān)測功能。
1.變壓器在線監(jiān)測的優(yōu)越性
變壓器在電網(wǎng)中長期運行，不可避免地會累積各種缺陷。這些缺陷發(fā)展為故障的進(jìn)程，可分為漸發(fā)性故障和突發(fā)性故障兩大類。漸發(fā)性故障主要表現(xiàn)為變壓器在正常運行過程中，由于絕緣老化、受潮等，使絕緣性能逐漸下降，最終導(dǎo)致故障的發(fā)生。盡管此類故障的發(fā)生幾率很高，但卻具有一定的規(guī)律性，是完全可以通過在線監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)并加以避免的。對變壓器可能發(fā)生的故障及時準(zhǔn)確做出預(yù)測，不僅是電網(wǎng)運維人員關(guān)注的熱點，也是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。
作為變壓器檢修的常用方式，預(yù)防性試驗和定期檢修具有較大的盲目性和強(qiáng)制性。建立一種預(yù)知性的檢修方式，“當(dāng)修則修”，而非“到期就修”，已成為狀態(tài)檢修的必然趨勢。它以設(shè)備當(dāng)前的現(xiàn)實狀況為依據(jù)，通過智能化的監(jiān)測手段，對設(shè)備進(jìn)行縱向、橫向比較分析，識別故障的早期征兆，并對故障部位與程度以及發(fā)展做出趨勢性判斷，作為變壓器檢修的基礎(chǔ)依據(jù)。
變壓器狀態(tài)檢修與傳統(tǒng)定期檢修相比，主要具有以下幾個方面的優(yōu)勢：增強(qiáng)了輸變電設(shè)備的供電可靠性;對故障實施早期檢測，幫助制定更可靠的維修計劃;降低了檢修成本和檢修難度，減少了設(shè)備檢修風(fēng)險;節(jié)省了大量人力物力;延長了變壓器的全壽命周期。
2.變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成
變壓器電網(wǎng)狀態(tài)檢修主要由狀態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)診斷兩部分構(gòu)成。監(jiān)測方式一般為常規(guī)監(jiān)測、在線監(jiān)測、特殊監(jiān)測等。變壓器在線監(jiān)測是基于各傳感器獲取的變壓器的狀態(tài)信息，再通過計算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)對所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，對變壓的運行狀態(tài)做出科學(xué)的評估和預(yù)測，最終經(jīng)監(jiān)測診斷系統(tǒng)進(jìn)行綜合智能診斷，給出決策方案，以確定其最佳檢修時間。在線監(jiān)測的技術(shù)優(yōu)勢，就在于其監(jiān)測功能和診斷功能有機(jī)結(jié)合后具有綜合判斷決策能力。
變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)可分為集中式與分散式兩種。其中，集中式是對所有被測設(shè)備進(jìn)行定時或巡回監(jiān)測;分散式是采用專門的測試儀器所測取的信號進(jìn)行就地測量。
變壓器在線監(jiān)測是以微處理技術(shù)為核心，它集傳感器、數(shù)據(jù)收集、通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析功能于一體，通過連續(xù)監(jiān)測在一段時間內(nèi)狀態(tài)參數(shù)，及時捕捉變壓器早期故障的先兆信息，根據(jù)變壓器參數(shù)的變化趨勢來判定變壓器運行狀態(tài)。不僅能夠有效防范變壓器各種故障的發(fā)生和發(fā)展，還降低了意外停電所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。對運行中的變壓器進(jìn)行實時監(jiān)測，彌補(bǔ)了常規(guī)試驗與檢測手段的不足。盡管依據(jù)捕捉到的變壓器動態(tài)信息對其進(jìn)行內(nèi)部突發(fā)性故障預(yù)測還存在一定的局限性，但它仍是目前制訂變壓器檢修計劃最有效的技術(shù)依據(jù)，具有十分重要的指導(dǎo)意義。
在線監(jiān)測對所采用的傳感器與監(jiān)測儀，具有高度可靠性、免維護(hù)性和自檢功能。一旦監(jiān)測儀自身存在問題，可自動發(fā)出聲光呼叫報警信號。因此，它消除了常規(guī)檢測方法中檢測裝置異常所導(dǎo)致的誤判問題。
變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的投資費用，主要包括傳感器和智能監(jiān)測軟件兩部分。據(jù)國內(nèi)外有關(guān)部門統(tǒng)計，一套完整的變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的成本一般約為變壓器價格的 1%。但由于能夠及時準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)變壓器的早期故障，使其運行維護(hù)成本降低75%，每年所節(jié)約的費用相當(dāng)于變壓器價格的2%，而且可以延長使用壽命10年左右，其經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。
3.變壓器在線監(jiān)測方法
變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)對變壓器的故障判定，一般不是根據(jù)所測參數(shù)絕對值進(jìn)行，而是根據(jù)其參數(shù)的變化趨勢判定。監(jiān)測系統(tǒng)在相應(yīng)數(shù)據(jù)傳感采集的基礎(chǔ)上，進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析處理，最終得出變壓器的趨勢性故障預(yù)測。其基本監(jiān)測程序是：傳感器—數(shù)據(jù)收集—數(shù)據(jù)存儲—狀態(tài)分析—故障分類—判定故障—提出方案。
實時監(jiān)測數(shù)據(jù)取自于變壓器的本體和附屬組件，數(shù)據(jù)庫存儲變壓器的全面信息，包括原始參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)、運行狀況、監(jiān)測數(shù)據(jù)、知識經(jīng)驗和診斷結(jié)果等。
狀態(tài)分析以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析為基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)處理和故障分類一般采用快速傅里葉變換或先進(jìn)的小波變換法。對于鐵芯、繞組、油溫、負(fù)荷等眾多繁雜的數(shù)據(jù)，經(jīng)過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元的特征分析，將預(yù)分析結(jié)果變換成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適宜處理的形式，提高了其運算推理速度。
故障分類主要是區(qū)分變壓器的故障性質(zhì)，如繞組過熱、鐵芯過熱、油中氣體、絕緣缺陷、鐵芯接地電流、局部放電故障等。
監(jiān)測診斷系統(tǒng)最終將分析結(jié)果與數(shù)據(jù)庫存儲的知識和經(jīng)驗作為判據(jù)，做出故障判定并提出變壓器的維護(hù)解決方案。監(jiān)測診斷系統(tǒng)的所有信息均可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行上傳與查詢，給電網(wǎng)運行與維護(hù)帶來極大方便，滿足智能電網(wǎng)的要求。
變壓器在線監(jiān)測的范圍極其廣泛，它幾乎囊括了可能出現(xiàn)故障的所有問題。如熱點監(jiān)測、油中氣體總量、局部放電、套管的介質(zhì)損耗和電容、冷卻裝置功能、油中濕度酸度、負(fù)載電流、紙絕緣的濕度和遷移情況、繞組頂部和底部油溫、電介質(zhì)和動力系統(tǒng)的缺陷、構(gòu)件的夾緊力、有載調(diào)壓系統(tǒng)的性能和缺陷、鐵芯接地故障和繞組缺陷、儲油柜的油位等。
4.變壓器在線監(jiān)測的發(fā)展趨勢
從變壓器在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用情況看，雖然還存在著抗電磁干擾能力不強(qiáng)、使用壽命偏短、價格偏高等缺陷，但由于其具有常規(guī)檢測手段所無可比擬的優(yōu)越性，所有問題都將在發(fā)展中逐步得以解決。
在技術(shù)層面，硬件設(shè)備將向更加智能化方向發(fā)展，免維護(hù)性將更高。智能型傳感器的采用，使將電磁干擾得到有效抑制;隨著新型材料的廣泛采用，色譜分析的透氣膜等設(shè)備的使用壽命也將延長。故障分析軟件系統(tǒng)也將與離線試驗、設(shè)備狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)等信息有機(jī)融合，開展綜合化的在線診斷，不同系統(tǒng)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)將通過網(wǎng)絡(luò)共享。
在政策層面，由于智能電網(wǎng)建設(shè)的需求推動，以及各科研院所、在線監(jiān)測公司研發(fā)力度的不斷加大，在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用工作正在穩(wěn)步推進(jìn)，不僅促使變壓器檢修規(guī)程、管理方法要隨之變革，而且必將導(dǎo)致規(guī)范的狀態(tài)檢修管理體系的確立，以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的最終統(tǒng)一。
在經(jīng)濟(jì)層面，隨著國內(nèi)在線監(jiān)測設(shè)備生產(chǎn)與軟件開發(fā)廠商研發(fā)力度的加強(qiáng)和國外同類產(chǎn)品的競爭，以及電網(wǎng)需求旺盛等因素的影響，不僅其軟硬件產(chǎn)品的價格將大幅下降，而且性價比也將大幅提高。
綜上所述，只有建立在變壓器智能化在線監(jiān)測基礎(chǔ)上的狀態(tài)檢修，才具有真正的現(xiàn)實意義。它不僅避免了預(yù)防性試驗和定期檢修所帶來的盲目性和強(qiáng)制性，節(jié)省了大量的人力、物力和財力，而且增強(qiáng)了輸變電設(shè)備的供電可靠性，延長了變壓器的使用壽命，具有廣闊的發(fā)展前景。
智能變壓器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及其子系統(tǒng)
智能變壓器作為智能變電站的核心組成部分，其建設(shè)獲得了越來越多的關(guān)注。根據(jù)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)，智能變電站是指采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能，實現(xiàn)與相鄰變電站互動的變電站。智能變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)是保證變壓器正常工作并預(yù)估設(shè)備的損耗以建立合理的檢修計劃，智能變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)是實現(xiàn)智能變電站的基礎(chǔ)設(shè)備之一。
變壓器是電力系統(tǒng)中重要的也是昂貴的關(guān)鍵設(shè)備，它承擔(dān)著電壓變換，電能分配和轉(zhuǎn)移的重任，變壓器的正常運行是電力系統(tǒng)安全、可靠地經(jīng)濟(jì)運行和供用電的重要保證，因此，必須最大限度地防止和減少變壓囂故障或事故的發(fā)生。但由于變壓器在長期運行中，故障和事故是不可能完全避免的。引發(fā)變壓器故障和事故的原因繁多，如外部的破壞和影響，不可抗拒的自然災(zāi)害，安裝、檢修、維護(hù)中存在的問題和制造過程中留下的設(shè)備缺陷等事故隱患，特別是電力變壓器長期運行后造成的絕緣老化、材質(zhì)劣化等等，已成為故障發(fā)生的主要因素。同時，客觀上存在的部分工作人員素質(zhì)不高、技術(shù)水平不夠或違章作業(yè)等，也會造成變壓器損壞而造成事故或?qū)е率鹿实臄U(kuò)大，從而危及電力系統(tǒng)的安全運行。
正因為變壓器故障的不可完全避免，對故障的正確診斷和及早預(yù)測，就具有更迫切的實用性和重要性。但是，變壓器的故障診斷是個非常復(fù)雜的問題，許多因素如變壓器容量、電壓等級、絕緣性能、工作環(huán)境、運行歷史甚至不同廠家的產(chǎn)品等等均會對診斷結(jié)果產(chǎn)生影響。
智能變壓器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架如圖1-1所示：
圖1-1智能變壓器監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)
其中包括的子系統(tǒng)包括：
1、變壓器油中溶解氣體檢測技術(shù)
圖：主變油色譜安裝位置示意圖
2、鐵芯接地電流
3、變壓器局放監(jiān)測
圖：油閥式傳感器
4、變壓器套管在線監(jiān)測
圖：本地采集單元安裝示意圖
圖：套管監(jiān)測本地電流采集單元
5、變壓器繞組溫度監(jiān)測
圖：變壓器油溫監(jiān)測示意圖
6、變壓器冷卻系統(tǒng)監(jiān)測
7、變壓器有載調(diào)壓
圖：有載分接開關(guān)控制示意圖
8、變壓器非電量保護(hù)系統(tǒng)
9、變壓器壽命預(yù)測
10、變壓器負(fù)載分析
11、智能變壓器組件柜
