CN109188130A - 一种油浸式电力变压器寿命监测及故障诊断方法 - Google Patents

一种油浸式电力变压器寿命监测及故障诊断方法 Download PDF

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盛健
银星茜
彭曼
韩燕东
廖权保
王亚东
谭冠岗
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Guangzhou Zhixin Power Technology Co., Ltd
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Guangzhou Yang Xin Technology Research Co Ltd
Guangzhou Shike High-Tech Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种油浸式电力变压器寿命监测及故障诊断方法，包括步骤：S1.传感器布置及数据采集；S2.数据处理：S2.1数据过滤，S2.2油浸式电力变压器老化率计算：S2.2.1计算油浸式电力变压器二次侧热点温度，S2.2.2计算顶层油温相对于环境温度的温升ΔθTO，S2.2.3老化率计算，根据正常运行时老化时间乘以该处相对老化率即可计算出本段时间油浸式电力变压器的寿命损失等效时间；由油浸式电力变压器设计寿命减去寿命损失等效时间即等于该变压器的剩寿命，S2.3油浸式电力变压器故障诊断计算。本发明能实时评估计算出运行中的油变的剩余寿命、状态类型，实现由以前的计划修向状态修的转变，提高了油浸式电力变压器的寿命监测和故障诊断的主动性。

Description

一种油浸式电力变压器寿命监测及故障诊断方法
技术领域
本发明涉及一种油浸式电力变压器寿命监测及故障诊断方法。
背景技术
现有油浸式电力变压器监测主要是被动监测，所能获得变压器的运行状态和自身健康程度信息较少，例如油变常用的DGA油色谱监测、重瓦斯保护、轻瓦斯保护等。这些监测手段只能在油变出现问题后才能进行保护或报警，同时无法准确评估变压器寿命、整体状态以及故障率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种油浸式电力变压器寿命监测及故障诊断方法，其能实时甄别出设备变化趋势，同时能给出油变的剩余寿命和故障状态。
解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种油浸式电力变压器寿命监测及故障诊断方法，其特征是包括以下步骤：
S1.传感器布置及数据采集
将油顶温度传感器布置于油浸式电力变压器散热片的出油口附近，测量采集油顶温度数据；
使用DGA油色谱装置、以15min为间隔进行油浸式电力变压器中油中溶解气体(氢气H2、一氧化碳CO、乙烷C2H6、乙炔C2H2、氮气N2、二氧化碳CO2、甲烷CH4、乙烯C2H4、氧气O2)浓度数据的测量采集；
使用环境温度传感器，测量采集环温的变化数据；
S2.数据处理
S2.1数据过滤：
ΔI'n＝|In-In-1| (1)；
其中：ΔI'n为时刻tn与tn-1的电流油浸式电力变压器二次侧电流传感器负荷电流残差的绝对值，In为tn时刻油浸式电力变压器二次侧电流传感器负荷电流，I'n-1为tn-1时刻过滤后的油浸式电力变压器二次侧电流传感器负荷电流，I'n为tn时刻过滤后的油浸式电力变压器二次侧电流传感器负荷电流；
S2.2油浸式电力变压器老化率计算
S2.2.1计算油浸式电力变压器二次侧热点温度：
θH＝ΔθTO+ΔθH+θA (3)；
式中，ΔθTO为顶层油温相对于环境温度的温升(℃)；ΔθH为绕组热点相对于变压器顶部油温的温升(℃)；θA为环境温度(℃)，由环境温度传感器测得；
S2.2.2计算顶层油温相对于环境温度的温升ΔθTO：
式中：Ki为第i时刻的负载率，实际电路与额定电流比值；Ki-1第i-1时刻的电流负载率，实际电路与额定电流比值；为温度变化的时间效应；τTO为油的时间常数；R为额定负荷损耗与空载损耗之间的比值，依据变压器出厂值选取；ΔθTO,R为额定负载下顶层油的温升，根据变压器出厂值选取；ΔθTO,0可认定变压器热点与环境温度一致时刻的起点温度；ΔθTO,R为额定负载下顶层油的温升。x为油指数，根据油浸式电力变压器内置油顶温度传感器结果修正x；
S2.2.3由公式3和公式4求得热点温度θH后，基于Arrhenius反应原理，进行老化率计算，计算出当前时刻相对老化率，根据正常运行时老化时间乘以该处相对老化率即可计算出本段时间油浸式电力变压器的寿命损失等效时间；由油浸式电力变压器设计寿命减去寿命损失等效时间即等于该变压器的剩寿命：
式中θHi为ti时间段的热点温度，T为变压器设计寿命，Tleft为当前时刻变压器剩余寿命；
S2.3油浸式电力变压器故障诊断计算
故障诊断算法基于外置式DGA(油色谱)装置定期采集油浸式电力变压器油中溶解气体浓度，按采样周期计算H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO溶解浓度及增长率，根据这两个指标判断并输出该变压器故障类型；
当油中气体小于以下数字时H2＜100、CH4＜120、C2H6＜65、C2H4＜50、C2H2＜1、CO＜350，则认为不存在问题，否则可能存在问题，采用以下算法进行诊断：
S2.3.1油中气体的增长率：
其中γa为绝对产气速率(mL/d)；Ci2为第一次测得油中某气体浓度(μL/L)；Ci1为第二次测得油中某气体浓度(μL/L)；Δt为两次监测时间间隔中的实际运行时间(d日)；G为设备总油量(t)；ρ为油的密度(t/m3)；
在12小时内，各气体增加量：总烃＜12、C2H4＜0.2、H2＜10、CO＜100、CO2＜200范围内认为正常；
否则需要计算各种气体相互比例，因为在不同故障情况下，部分气体之间的增长存在一定比例关系；
S2.3.2不同气体的增长比率：
式中γCO分别为C2H2、C2H4、CH4、H2、C2H6、CO2、CO的气体的绝对产气速率；r1、r2、r3、r4为不同气体的绝对产气速率的比值；
S2.3.3油浸式电力变压器故障诊断结果
通过对r1、r2、r3的计算结果进行区间分段，给r1、r2、r3赋值不同编码，对r1、r2、r3不同编码的组合即可诊断出油浸式电力变压器的故障诊断与分类，具体如下：
当r1、r2、r3计算值小于0.1时，r1赋值为0，r2赋值为1、r3赋值为0；
当r1、r2、r3计算值区间为[0.1,1)时，r1赋值为1，r2赋值为0、r3赋值为0；
当r1、r2、r3计算值区间为[1,3)时，r1赋值为1，r2赋值为2、r3赋值为1；
当r1、r2、r3计算值区≥3时，r1赋值为2，r2赋值为2、r3赋值为2。
基于r1、r2、r3赋值结果，各故障类型如下所示：
当r1为0、r2为0、r3为1时，判断为低温过热(低于150℃)故障；
当r1为0、r2为2、r3为0时，判断为低温过热(150℃～300℃)故障；
当r1为0、r2为2、r3为1时，判断为中温过热(300℃～700℃)故障；
当r1为0、r2为0、r3为1时，判断为低温过热(低于150℃)故障；
当r1为0、r2为0到2任意数、r3为2时，判断为高温过热(高于700℃)故障；
当r1为0、r2为1、r3为0时，判断为局部放电故障；
当r1为1、r2为0或1、r3为0到2任意数时，判断为低能放电故障；
当r1为1、r2为2、r3为0到2任意数时，判断为过热兼低能放电故障；
当r1为2、r2为0或1、r3为0到2任意数时，判断为电弧放电故障；
当r1为2、r2为2、r3为0到2任意数时，判断为过热兼电弧放电故障。
对于r4，当其值大于7时，认为为绝缘过热老化故障。
有益效果：本发明开发的油浸式电力变压器寿命监测及故障诊断方法，能实时评估计算出运行中的油变的剩余寿命、状态类型，实现由以前的计划修向状态修的转变，提高了油浸式电力变压器的寿命监测和故障诊断的主动性。
本发明不仅可以独立对油浸式电力变压器进行寿命监测及故障诊断，还有效解决了现有故障滞后处理和计划修的缺点，能实时掌握设备的剩余寿命、故障类型及故障变化趋势，简化了运维工作量，同时改变以往资产折旧方式，让资产管理更为合理。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的油浸式电力变压器剩余寿命计算方法的流程框图；
图2是本发明的油浸式电力变压器剩余寿命与故障诊断整体流程图；
图3是油浸式电力变压器寿命监测显示界面图。
具体实施方式
本发明主要应用与110kV及以上的油浸式电力变压器。
本发明主要保护对象为采用该种方法实现油浸式电力变压器寿命监测及故障诊断装置，以及该装置中采用的算法、传感器集成及实现形式。
参见图1至图3，本发明的油浸式电力变压器寿命监测及故障诊断方法实施例包括以下步骤：
1、传感器布置及数据采集
一般变压器二次线圈布置于靠近铁心处，同时油浸式电力变压器二次侧负载电流较大，发热严重，且该处易出现热点，热点温度越高，线圈处绝缘老化速度越快，因此将油顶温度传感器布置于油浸式电力变压器散热片的出油口附近；
由于直接测量热点温度，难度较大因此本发明方法采用了油浸式电力变压器内置油顶温度传感器，用于测量油变的油顶温度；
由于油浸式电力变压器的状态变化、故障等都会体现到油中气体的变化，因此本发明使用DGA油色谱装置采集油中气体含量的检测，以15min为间隔采集油浸式电力变压器中油中溶解气体浓度的测量；
本发明方法还使用环境温度传感器，用于测量环温的变化。
2、数据处理
2.1数据过滤：
由于油浸式电力变压器的负荷数据波动较大，需要进行过滤，以剔除瞬时波动干扰：
ΔI'n＝|In-In-1| (1)；
其中：ΔI'n为时刻tn与tn-1的电流油浸式电力变压器二次侧电流传感器负荷电流残差的绝对值，In为tn时刻油浸式电力变压器二次侧电流传感器负荷电流，I'n-1为tn-1时刻过滤后的油浸式电力变压器二次侧电流传感器负荷电流，I'n为tn时刻过滤后的油浸式电力变压器二次侧电流传感器负荷电流；
2.2油浸式电力变压器老化率计算
由于油浸式电力变压器中二次绕组的总存在热点，热点处绝缘纸老化速度相对其余部位较快，因此该处绝缘寿命相对较低，本发明基于短板理论，计算出二次绕组热点温度，同时基于材料老化公式，计算出该处绝缘实施老化率，进而计算出该处绝缘纸的剩余寿命，该处剩余寿命等同于油浸式电力变压器剩余寿命，油浸式电力变压器剩余寿命计算流程图如图1所示，具体实现如下：
油浸式电力变压器二次侧热点计算：
热点温度：
θH＝ΔθTO+ΔθH+θA (3)
式中，ΔθTO为顶层油温相对于环境温度的温升(℃)；ΔθH为绕组热点相对于变压器顶部油温的温升(℃)；θA为环境温度(℃)，由环境温度传感器测得；
计算顶层油温相对于环境温度的温升ΔθTO：
式中：Ki为第i时刻的负载率，实际电路与额定电流比值；Ki-1第i-1时刻的电流负载率，实际电路与额定电流比值；为温度变化的时间效应；τTO为油的时间常数；R为额定负荷损耗与空载损耗之间的比值，依据变压器出厂值选取；ΔθTO,R为额定负载下顶层油的温升，根据变压器出厂值选取；ΔθTO,0可认定变压器热点与环境温度一致时刻的起点温度；ΔθTO,R为额定负载下顶层油的温升。x为油指数，根据油浸式电力变压器内置油顶温度传感器结果修正x；
由公式3、4求得热点温度θH后，基于Arrhenius反应原理，可以进行老化率计算。计算出当前时刻相对老化率，根据正常运行时老化时间乘以该处相对老化率即可计算出本段时间油浸式电力变压器的寿命损失等效时间；由油浸式电力变压器设计寿命减去寿命损失等效时间即等于该变压器的剩寿命：
式中θHi为ti时间段的热点温度，T为变压器设计寿命，Tleft为当前时刻变压器剩余寿命；
2.3油浸式电力变压器故障诊断算法
故障诊断算法基于外置式DGA(油色谱)装置定期采集油浸式电力变压器油中溶解气体浓度，按采样周期计算H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO溶解浓度及增长率，根据这两个指标判断并输出该变压器故障类型；
当油中气体小于以下数字时H2＜100、CH4＜120、C2H6＜65、C2H4＜50、C2H2＜1、CO＜350，则认为不存在问题，否则可能存在问题，采用以下算法进行诊断：
2.3.1油中气体的增长率：
其中γa为绝对产气速率(mL/d)；Ci2为第一次测得油中某气体浓度(μL/L)；Ci1为第二次测得油中某气体浓度(μL/L)；Δt为两次监测时间间隔中的实际运行时间(d日)；G为设备总油量(t)；ρ为油的密度(t/m3)；
当12小时内，各气体增加量：总烃＜12、C2H4＜0.2、H2＜10、CO＜100、CO2＜200范围内也认为正常，否则需要计算各种气体相互比例，因为在不同故障情况下，部分气体之间的增长存在一定比例关系；
2.3.2不同气体的增长比率：
式中γCO分别为C2H2、C2H4、CH4、H2、C2H6、CO2、CO的气体的绝对产气速率。r1、r2、r3、r4为不同气体的绝对产气速率的比值。
2.3.3油浸式电力变压器故障诊断结果
r1、r2、r3的计算最终取值如下：
通过对r1、r2、r3的计算结果进行区间分段，给r1、r2、r3赋值不同编码，对r1、r2、r3不同编码的组合即可诊断出油浸式电力变压器的故障诊断与分类，具体如下：
当r1、r2、r3计算值小于0.1时，r1赋值为0，r2赋值为1、r3赋值为0；
当r1、r2、r3计算值区间为[0.1,1)时，r1赋值为1，r2赋值为0、r3赋值为0；
当r1、r2、r3计算值区间为[1,3)时，r1赋值为1，r2赋值为2、r3赋值为1；
当r1、r2、r3计算值区≥3时，r1赋值为2，r2赋值为2、r3赋值为2。
基于r1、r2、r3赋值结果，各故障类型如下所示：
当r1为0、r2为0、r3为1时，可判断为低温过热(低于150℃)故障；
当r1为0、r2为2、r3为0时，可判断为低温过热(150℃～300℃)故障；
当r1为0、r2为2、r3为1时，可判断为中温过热(300℃～700℃)故障；
当r1为0、r2为0、r3为1时，可判断为低温过热(低于150℃)故障；
当r1为0、r2为0到2任意数、r3为2时，可判断为高温过热(高于700℃)故障；
当r1为0、r2为1、r3为0时，可判断为局部放电故障；
当r1为1、r2为0或1、r3为0到2任意数时，可判断为低能放电故障；
当r1为1、r2为2、r3为0到2任意数时，可判断为过热兼低能放电故障；
当r1为2、r2为0或1、r3为0到2任意数时，可判断为电弧放电故障；
当r1为2、r2为2、r3为0到2任意数时，可判断为过热兼电弧放电故障。
对于r4，当其值大于7时，认为为绝缘过热老化故障。

Claims (3)

1.一种油浸式电力变压器寿命监测及故障诊断方法，其特征是包括以下步骤：
S1.传感器布置及数据采集
将油顶温度传感器布置于油浸式电力变压器散热片的出油口附近，测量采集油顶温度数据；
使用DGA油色谱装置、以15min为间隔进行油浸式电力变压器中油中溶解气体浓度数据的测量采集，具体气体包括：氢气H2、一氧化碳CO、乙烷C2H6、乙炔C2H2、氮气N2、二氧化碳CO2、甲烷CH4、乙烯C2H4和氧气O2；
使用环境温度传感器，测量采集环温变化数据；
S2.数据处理
S2.1数据过滤：
ΔI'n＝|In-In-1| (1)；
其中：ΔI'n为时刻tn与tn-1的电流油浸式电力变压器二次侧电流传感器负荷电流残差的绝对值，In为tn时刻油浸式电力变压器二次侧电流传感器负荷电流，I'n-1为tn-1时刻过滤后的油浸式电力变压器二次侧电流传感器负荷电流，I'n为tn时刻过滤后的油浸式电力变压器二次侧电流传感器负荷电流；
S2.2油浸式电力变压器老化率计算
S2.2.1计算油浸式电力变压器二次侧热点温度：
θH＝ΔθTO+ΔθH+θA (3)；
式中，ΔθTO为顶层油温相对于环境温度的温升(℃)；ΔθH为绕组热点相对于变压器顶部油温的温升(℃)；θA为环境温度(℃)，由环境温度传感器测得；
S2.2.2计算顶层油温相对于环境温度的温升ΔθTO：
式中：Ki为第i时刻的负载率，实际电路与额定电流比值；Ki-1第i-1时刻的电流负载率，实际电路与额定电流比值；为温度变化的时间效应；τTO为油的时间常数；R为额定负荷损耗与空载损耗之间的比值，依据变压器出厂值选取；ΔθTO,R为额定负载下顶层油的温升，根据变压器出厂值选取；ΔθTO,0认定变压器热点与环境温度一致时刻的起点温度；ΔθTO,R为额定负载下顶层油的温升；x为油指数，根据油浸式电力变压器内置油顶温度传感器结果修正x；
S2.2.3由公式3和公式4求得热点温度θH后，基于Arrhenius反应原理，进行老化率计算，计算出当前时刻相对老化率，根据正常运行时老化时间乘以该处相对老化率即可计算出本段时间油浸式电力变压器的寿命损失等效时间；由油浸式电力变压器设计寿命减去寿命损失等效时间即等于该变压器的剩余寿命：
式中θHi为ti时间段的热点温度，T为变压器设计寿命，Tleft为当前时刻变压器剩余寿命；
S2.3油浸式电力变压器故障诊断计算
故障诊断算法基于外置式DGA装置定期采集油浸式电力变压器油中溶解气体浓度，按采样周期计算H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO溶解浓度及增长率，根据这两个指标判断并输出该变压器故障类型；
当油中气体小于以下数字时H2＜100、CH4＜120、C2H6＜65、C2H4＜50、C2H2＜1、CO＜350，则认为不存在问题。
2.根据权利要求1所述的油浸式电力变压器寿命监测及故障诊断方法，其特征是：所述的步骤S2.3油浸式电力变压器故障诊断计算中，当油中气体不是小于以下数字时H2＜100、CH4＜120、C2H6＜65、C2H4＜50、C2H2＜1、CO＜350时，可能存在问题，采用以下算法进行诊断：
S2.3.1油中气体的增长率：
其中γa为绝对产气速率(mL/d)；Ci2为第一次测得油中某气体浓度(μL/L)；Ci1为第二次测得油中某气体浓度(μL/L)；Δt为两次监测时间间隔中的实际运行时间(d日)；G为设备总油量(t)；ρ为油的密度(t/m3)；
在12小时内，各气体增加量：总烃＜12、C2H4＜0.2、H2＜10、CO＜100、CO2＜200范围内认为正常。
3.根据权利要求2所述的油浸式电力变压器寿命监测及故障诊断方法，其特征是：当在12小时内，各气体增加量不属于总烃＜12、C2H4＜0.2、H2＜10、CO＜100、CO2＜200范围内时，需要计算各种气体相互比例，因为在不同故障情况下，部分气体之间的增长存在一定比例关系；
S2.3.2不同气体的增长比率：
式中γCO分别为C2H2、C2H4、CH4、H2、C2H6、CO2、CO的气体的绝对产气速率；r1、r2、r3、r4为不同气体的绝对产气速率的比值；
S2.3.3油浸式电力变压器故障诊断结果
通过对r1、r2、r3的计算结果进行区间分段，给r1、r2、r3赋值不同编码，对r1、r2、r3不同编码的组合即可诊断出油浸式电力变压器的故障诊断与分类，具体如下：
当r1、r2、r3计算值小于0.1时，r1赋值为0，r2赋值为1、r3赋值为0；
当r1、r2、r3计算值区间为[0.1,1)时，r1赋值为1，r2赋值为0、r3赋值为0；
当r1、r2、r3计算值区间为[1,3)时，r1赋值为1，r2赋值为2、r3赋值为1；
当r1、r2、r3计算值区≥3时，r1赋值为2，r2赋值为2、r3赋值为2；
基于r1、r2、r3赋值结果，各故障类型如下所示：
当r1为0、r2为0、r3为1时，判断为低温过热(低于150℃)故障；
当r1为0、r2为2、r3为0时，判断为低温过热(150℃～300℃)故障；
当r1为0、r2为2、r3为1时，判断为中温过热(300℃～700℃)故障；
当r1为0、r2为0、r3为1时，判断为低温过热(低于150℃)故障；
当r1为0、r2为0到2任意数、r3为2时，判断为高温过热(高于700℃)故障；
当r1为0、r2为1、r3为0时，判断为局部放电故障；
当r1为1、r2为0或1、r3为0到2任意数时，判断为低能放电故障；
当r1为1、r2为2、r3为0到2任意数时，判断为过热兼低能放电故障；
当r1为2、r2为0或1、r3为0到2任意数时，判断为电弧放电故障；
当r1为2、r2为2、r3为0到2任意数时，判断为过热兼电弧放电故障；
对于r4，当其值大于7时，认为为绝缘过热老化故障。
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