电力变压器绝缘综合诊断检测系统的开发研究（精品论文） .pdf

1 电力变压器绝缘综合诊断检测系统的开发研究 李 豪 （国网武汉供电公司 湖北武汉 430013） 摘要：摘要：本文主要研究了电力变压器状态检测与故障诊断的现状以及存在的问题，针对目前故障分 析方法单一， 准确性不高的问题提出了结合电气量和非电气量两方面信息对变压器进行状态检测。 通过油气量在线监测，判断其故障类型和性质及可能发生故障的位置；通过电气量在线监测，对 变压器的重要部件铁芯实现故障定位。并设计了一个变压器状态检测和故障诊断模型，提出了相 应的诊断流程，在此基础上，研制开发了一套电力变压器故障在线检测系统。 关键词：关键词：电力变压器状态监测故障诊断专家系统 中图分类号：tm41文献标识码：a文章编号： 0引言 电力变压器是电力系统中重要的电气设备之一，它一旦发生事故，所需的修复时间较长，造成的影响 也比较严重。随着我国电力工业的迅速发展，电网规模不断扩大，电力变压器的单机容量和安装容量随之 不断增加，电压等级也在不断地提高。一般而言，容量越大，电压等级越高，变压器故障造成的损失也就 越大。近年来，电力变压器虽然由于材料的改进、设计方法和制造技术的提高，运行可靠率有所提高，但 仍会发生料想不到的事故。 要反映变压器的运行状况，靠单一性能指标，都只能从某一侧面反映其运行状态，我们开发的这一套 电力变压器绝缘综合在线检测与故障诊断系统，力求通过多参数多方面综合反映设备运行状况，为检修策 略的制定提供依据。对变压器进行综合在线检测，利用远程分析管理系统进行综合分析诊断，可以方便、 有效、全面地反映运行中变压器的绝缘状况及发展趋势，及时发现变压器内部绝缘故障和缺陷，从而提高 大型电力变压器安全运行水平和事故预知能力，有效预防事故，防止非计划停电和不必要的检修带来的重 大损失，并可优化检修策略，提高维护检修的技术水平，带来可观经济效益 1。 根据变压器常见故障类型，常见的变压器在线检测技术分为两种电气实验和油中溶解气体分析两种， 具体上有：采集变压器铁芯接地电流大小判断是否有接地故障；采集在线油色谱分析法方法，即对绝缘油 中气体的性质和浓度进行采集和分析，检测出变压器内部的初期故障及其发展趋势；对变压器套管带电测 量等等。鉴于电气试验及油中溶解气体分析能够从不同的角度反映绝缘介质的各种缺陷,且灵敏度各不相同 的特点,如能在故障诊断过程中综合利用油中溶解气体分析与电气试验结果中的有效信息,将有助于提高故 障诊断的质量 2。 然而现在的变压器在线检测基本上都是单独的一套设备，从变压器收集的状态信息都只是提供给自己 的设备使用，如果能制定一个统一的通讯协议，将各个独立检测设备采集到的数据集中到一起，进行综合 的分析诊断，将大大提高故障诊断的准确率。 随着基于微型计算机的变压器在线监测设备的普及，使我们能够对主变进行在线检测，获取反映变压 器绝缘状况的关键参数油中气体组分、套管介质损耗、铁芯接地电流，从多个角度实时全面反映运行 变压器的绝缘状态，并对其绝缘状况做出分析、诊断和预测。系统实现自动运行及数据上网功能，对检测 结果建立状态检测数据库，并进行数据管理、分析、统计、整合，为电力变压器状态检修提供辅助分析和 决策依据。 1变压器在线监测的组成及基本原理变 传统的变压器接地故障的诊断方法有如下两种：气相色谱分析法和电气法。 气相色谱分析法方法是目前诊断大型电力变压器铁芯多点接地的最有效方法。最常用的是 iec三比值 法，有时也采用德国的四比值法 3。 色谱在线检测系统包括 4：气源系统，自动取样系统，油气分离系统，色谱分析系统，数据采集系统， 远程监控系统和工作站软件系统。其基本原理为：变压器油经动态油色谱在线监测装置的顶空脱气技术将 绝缘油中的特征气体分离开来，被迅速地吹扫到色谱柱中，经色谱柱将组分分离，依次进入监测器，各组 分被检测，转换成与浓度成正比例的模拟信号，经模数转换，进入计算机，通过通讯系统，将数据传输到 综合在线监控工作站上，工作站软件可对色谱数据进行计算分析，自动生成浓度变化趋势图，并通过综合 智能诊断系统进行故障诊断。 第二种常用的变压器铁心接地故障诊断方法为电气法 5， 微机集中式绝缘在线检测系统包括： 系统主屏， 数据采集系统，数据储存系统，数据分析系统，站端主控系统，远程监控系统，信号传感器。其基本原理 2 为：当电力变压器在运行中,可在变压器铁芯外引接地套管的接地引下线上用钳形电流表测量引线上是否有 电流。也可在接地刀闸处接入电流表或串接地故障指示器。正常情况下路匝存在,匝内流过环流,其值决定 于故障点与正常接地点的相对位置,即短路匝中包围磁通的多少。最大电流，此电流很大，为ma级（一般小 于0.3a）,当存在接地故障后,铁芯主磁通周围相当于有短可达数百安培。所以在其铁心接地线上串接两个 不同量程的ct，一个用来精确监测正常运行情况下的弱接地电流（毫安级），另一个用于监测铁心发生多 点接地后出现的大接地电流（可达几十安培）。将检测到的电流经模数转换，进入计算机，通过通讯系统， 将数据传输到综合在线监控工作站上，工作站软件可对色谱数据进行计算分析，综合色谱在线检测的结果 进行综合诊断。 除了以上方法外，还可以辅助其他信息，如与高压管理系统连接，利用变压器参数、历年预防性实验 参数等数据来更精确的判断变压器状态。 1.11.1 电力变压器铁芯接地状态监测模块电力变压器铁芯接地状态监测模块 如图1.1所示，当铁芯多点接地时，匝内流过环流,其值决定于故障点与正常接地点的相对位置,即短路 匝中包围磁通的多少。当存在接地故障后,铁芯主磁通周围相当于有短路电流可达数百安培，与变压器所带 负荷情况有关。铁芯正常时的电流和发生多点接地时的电流都是电阻性电流，前者的数量级在几微安到几 百毫安，后者的数量级在几十毫安到几安培甚至更大，由于它们的变化范围都很宽，如果用同一个传感器 传送这样宽范围的电流信号，会带来较大的测量误差，为此，将铁芯电流分成正常与故障电流两个档，分 别用两个不同档的传感器传送，来提高测量准确度。 图 1.1测量示意图 在该变压器电流检测装置中，采用了基于 isa 总线的高速数据采集缓冲系统。该系统中，模拟信号被 高速数字化，经存储器缓冲后，进入 fifo，再通过中断请求，有统一编址的方式送给主计算机，进行数字 处理。 该装置包括两部分。一部分是工控机，主要用于数据分析、报警、打印和远方通信。另一部分包括 ta、 转换板和采集卡，主要负责数据的采集、转换和传送。具体硬件结构见下图（图 1.2）： 变 压 器 中 心 接 地 线 报 警 信 号 灯 工 控 机采 集 卡 打 印 机 开 出 板 大 电 流 传 感 小 电 流 传 感 模 入板 图 1.2 硬件结构图 该模块软件采用 c+语言 6，在 boland c+ builder 5.07平台开发完成。其由六大功能模块组成，分 别是：实时分析模块、数据查询模块、数据通信模块、系统参数整定模块和打印模块。各模块均能进行自 由切换。 实时分析模块：用图形和数据的形式实时反映本装置当前监测的各项参数，且具有越限报警功能；其 警戒值可根据具体情况在参数整定模块中设定。 数据查询模块：历史数据及故障波形存储在大容量硬盘中，可方便的查询历史某一时段的分析数据。 装置记录电流在一年中监测的各项历史数据(图形形式)，同时可以查询一年中的报警数据(报文形式)； 3 参数整定模块：进入参数整定模块，对各变电站的名称，编号以及各通道的系数和报警定值进行整定； 铁芯电流的报警定值以及通道电流的比例系数均可由用户根据实际要求整定（通道的比例系数已整定，一 般不需改动）。 打印模块：在本装置上保存的电流记录和均可打印。 数据通信模块：通过设置 ip 地址和文件地址，可以完成数据的通信，远程读出装置上保存的各项数据， 用与远方分析。 软件最主要的功能是实现电流的实时显示和分析趋势预测功能。这里，详细介绍铁芯电流实时显示主 界面和实时分析和趋势预测界面。运行该模块后，自动进入铁芯电流实时显示主界面。如下图（图 1.3） 所 示： 图 1.3 主界面 铁芯电流实时显示主界面上，用不同颜色显示了其监测的三条变压器铁芯接地线的电流有效值的变化 趋势，并且醒目的显示了各主变的电流有效值，便于现场工作人员观察。 从“文件”菜单中进入故障记录分析界面。如下图 1.4 所示： 图 1.4 电流分析界面 在实时分析和预测界面上，提供了放大，缩小趋势图的功能，以便于观察分析电流的变化趋势。在该 界面上双击鼠标，可以观察到对应点的铁芯电流的最大值、最小值、有效值和瞬时值。同时，该界面还提 供了打印的功能。 在菜单中选择“文件”“趋势图分析”，则打开如下图(图 1.5)所示： 图 1.5 趋势图 在该界面上，不但可以打印出波形图，单击“数据输出”按钮，还可以打印出所有电流有效值的数据 （图 1.6）。 4 图 1.6 数据打印 1.21.2 电力变压器油中溶解气体色谱在线监测模块电力变压器油中溶解气体色谱在线监测模块 该方法是非电量诊断法的一种常用方法。在本文设计开发的电力变压器综合分析系统中，油气分析信 息也是非常重要的数据来源，但由于是非电量检测法，所以我们直接从现场安装的上海思源电气开发的油 气分析系统数据库中读取油气数据，然后通过通讯模块将这些数据发送给综合分析系统，大型电力变压器 油色谱在线监测系统包括油气分离、色谱仪、数据采集板、工作站在线监测信息系统四个模块，其结构框 图见图 1.7。 变 压 器 油 气 分 离 单 元 在 线 监 测 信 息 系 统 数 字 采 集 板 色 谱 仪 变 压 器 油故 障 气 体模 拟 量数 字 量 图 1.7 大型变压器油色谱在线监测系统结构 系统的基本工作原理是：油气分离单元安装在变压器放油阀上，油中的故障气体通过透气膜进入气室； 载气把气室中的故障气体吹入色谱仪中进行检测，气体检测器输出模拟信号；数据采集板把模拟信号变成 数字信号，进行处理后，把数字量传送给工作站中的在线监测信息系统：在线监测信息系统对数据作进一 步的运算，并根据处理结果进行故障诊断。 2变压器综合状态监测系统的实现 本文研究的是电力变压器故障综合分析系统，集成了包括铁芯接地、油中气体色谱分析在内的在线实 时信息和历年预防性试验的离线信息，在利用这些信息诊断变压器故障时，必须考虑各种数据的准确性、 可信性等因素综合的判断故障产生的原因，系统采用了多个知识模块用于诊断，每种诊断模块所得诊断结 果不尽相同，而如何融合多个诊断结果显得尤为重要，而解决这一问题也是具有相当大难度的。文献 8在黑 板模型结构的基础上，引入了多结果合作诊断的结构，其多结果综合诊断的实现是通过控制策略来实现的， 还处于探索阶段。 多结果诊断融合是根据一组专家提供的诊断结果，给出一个综合的诊断结果，使之能够在最坏情况下 尽量接近“最佳”的诊断。对于这一问题，在计算机科学领域实现过程为：对各个诊断结果进行分解，分 别计算加权(准确率)后过热故障与放电故障的分值，按四舍五入原则计分，然后根据分值大小判断所处的 等级，最终得出故障类型。如果某诊断模块诊断失败(无诊断结果)或诊断出没有故障，则该诊断模块将自 动退出综合诊断，即弃权。比如当变压器过热或者有放电时，容易出现三个模块认为有放电(或过热)，只 有一个模块认为兼有过热(或放电)的情况，而综合诊断结果将是放电兼过热故障。学术界已经提出了一些 比较有效的算法，比较典型的有 littlestone 和 warmuth 提出的加权多数算法 (weightedmajority algorithm，简称 wm 算法) 9,vovk 提出的聚集算法10, cesa-bianchi 等人提出了 p 算法11等。 本文采用 wm 算法来处理多结果诊断融合问题。具体算法为： 1 1 ,1,2,3,., n ii i n i i w y rin w = = = 式中； i y 为第 1 个专家的诊断结果； i w 为 第 i 个专家诊断结果的权重；r 为最终诊断结果。对于基于油中溶解气体分析的变压器故障诊断来说，各个 诊断模块的权重确定问题是十分有难度的。本文拟采用各诊断模块的诊断正确率作为各模块的权重。实现 过程为：对各个诊断结果进行分解，分别计算加权(准确率)后过热故障与放电故障的分值，按四舍五入原 5 则计分，然后根据分值大小判断所处的等级，最终得出故障类型。如果某诊断模块诊断失败(无诊断结果) 或诊断出没有故障，则该诊断模块将自动退出综合诊断，即弃权。这样一来就容易出现三个模块认为有放 电(或过热)，只有一个模块认为兼有过热(或放电)的情况，而综合诊断结果将是放电兼过热故障。另外， 在本专家系统中把铁芯接地和油气分析二者分开作为两个子模块来看待。当诊断到铁芯接地时，可借助油 气分析系统进一步确认故障原因和位置。还可以将历年预防性试验数据作为诊断依据，当这些数据异常时， 可适当增大综合诊断的等级分。 3变压器综合状态监测系统的软件设计 “变压器检测诊断系统”采用 visual c+作为开发平台，利用 mfc（microsoft foundation classes） 构建软件的整体架构。由于“变压器检测诊断系统”处理的数据总体上包括在线实时运行数据和离线实验 参数数据，对数据库的实时性、安全可靠性、通信能力和易维护性都有很高的要求。数据库保存本系统公 共的应用系统数据（如各种设定的参数、设备参数属性和用户管理、通信采集等），以 sql 方式提供各种 前台应用，并保存历史数据和历史事件供查询和统计分析结果。软件总体上划分为系统管理、查询记录、 在线显示、数据诊断四个大的模块，分别实现相应的功能，同时在软件研发时也按照这一分类进行设计， 综合各模块所需要实现的功能得到软件结构图如下图 3.1 所示。 软 件 结 构 图 系 统 管 理查 询 记 录在 线 显 示数 据 诊 断 用 户 管 理 通 信 管 理 在 线 运 行 离 线 参 数 铁 芯 接 地 电 流 色 谱 分 析 数 据 套 管 检 测 铁 芯 接 地 电 流 诊 断 油 色 谱 诊 断 预 防 性 试 验 铁 芯 接 地 电 流 色 谱 信 息 套 管 检 测 用 户 及 设 备 信 息 历 年 预 防 性 试 验 参 数 近 年 来 主 变 近 区 短 路 情 况 历 史 缺 陷 记 录 图 3.1 软件结构图 “变压器检测诊断系统”安装于变电站监控室上位机中，主界面如下图 3.2 所示。 图 3.2 主界面 4结论 本文对变压器在线监测的研究现状进行了分析，结合当前电气设备状态检修机制，认为油气量在线监 测固然可以实时监测变压器的工况，但是，当故障发展到一定程度时，无法很好地实现故障定位，而常规 采用的变压器监测手段是对变压器绝缘油进行定期的取样和分析如电力设备预防性试验。由于取样周期长， 工作环节繁琐，工作量大，外界干扰因素多，故不可能做到实时精确了解变压器的内部情况，很难尽早发 现设备内部存在的潜伏性故障，更无法随时掌握故障的发展情况，无法避免突发性事故的发生。所以提出 了变压器在线监测并结合各种信息对变压器状况进行综合分析的方法，它可以克服传统方法的不足，实现 真正的在线检测、分析和诊断，为管理者提供及时、准确、连续的决策依据。变压器在线监测己经越来越 为人们所重视，在线监测的手段也有了长足的发展。而且变压器的故障诊断也是一项涉及到多方面知识的 非常复杂的工作，目前的在线故障诊断系统在故障时的整体故障定位功能还不完善，本文的工作只是一个 初步的尝试。要想提高诊断的准确度，取得更为详尽的故障信息，还要许多方面的工作需要完善。 参考文献参考文献: : 6 1 日本电气书院电气设备故障检测手册北京：水利水电出版社，1991，5 2 史保壮，杨莉，王红斌网络型变电站绝缘在线监测及诊断系统高电压技术，2001，8(27)：4 3 闫永明变压器铁芯多点接地故障的检测与处理山西电力技术，2001(1)：47 4 何宏群变压器铁芯多点接地故障的诊断变压器，1997，34(8)：31 5 司增彦变压器铁芯接地故障的诊断与处理high voltage appa