一种基于运行数据评估电力变压器绝缘剩余寿命的方法

摘要

本发明公开了一种基于运行数据评估电力变压器绝缘剩余寿命的方法，该方法基于变压器运行数据计算绕组最热点温度，按照阿累尼乌斯公式计算变压器绝缘老化系数，同时考虑水分和局部放电对绝缘老化的影响，修正绝缘老化系数，进而得到变压器寿命损失和剩余寿命。同时计算绝缘累积老化系数，判断是否需要采取绝缘保护措施，若需要，则发出告警信号，提示变压器维护人员采取必要措施进行绝缘保护。

说明书

技术领域

本发明属于评估电力变压器老化状态和剩余寿命方法，特别涉及一种基于运行数据评估电力变压器绝缘剩余寿命的方法。

背景技术

电力变压器是电力系统中非常重要的设备，它体积庞大，造价昂贵，而且对电力系统的安全稳定运行起着至关重要的作用。变压器本身承受着高压和大电流的作用，在高压侧电压水平高，而且还必须耐受住系统过电压和大气过电压的作用；低压侧电流大，绕组发热严重。变压器绝缘就是靠绕包在导体周围的绝缘纸、纸制品(垫块和纸筒)和变压器油来保证。

影响变压器主绝缘老化的因素包括电场、温度、湿度等。由于变压器负荷变动、外部环境条件变化等诸多因素的影响，变压器的老化状态与其运行时间并不一致，这就要求对变压器的老化状态进行评估，以避免重大事故的发生。目前国内外专家提出了一些绝缘诊断方法，但是这些方法的准确度有限，仍未能很好地解决电力变压器的绝缘诊断和寿命评估问题。

发明内容

本发明提出了一种基于运行数据评估电力变压器剩余寿命的方法。本方法通过监测电力变压器负荷和环境温度变化来计算电力变压器的温升，进而计算得到电力变压器的寿命损耗和剩余寿命；同时计算绝缘累积老化系数，判断是否需要进行绝缘保护，若需要，则发出告警信号，提示用户采取必要措施进行绝缘保护。

本发明的技术方案是这样实现的：包括以下步骤：

步骤一：在变压器二次侧套管上安装电流互感器，测量变压器负载电流值；利用相关公式计算变压器顶层油对环境温升Δθ_TO，绕组最热点温度对顶层油温升Δθ_H；

步骤二：在变压器油箱附近安装温度传感器，测量环境温度值θ_A；

步骤三：在变压器油箱上安装油中水分在线监测系统，在线测量油中水分含量w；

步骤四：在变压器上安装局部放电在线监测系统，在线测量设备局部放电信号；

步骤五：读取变压器负载电流值、环境温度值、油中水分含量和局部放电信息；利用公式θ_H＝θ_A+Δθ_TO+Δθ_H计算绕组最热点温度θ_H，根据F_A＝F_AA*C(w，pd)进一步计算变压器绝缘的老化系数F_A，其中，C(w，pd)表示水分和局部放电对绝缘老化速率的影响因子，F_AA表示变压器热老化系数；

步骤六：按照公式计算变压器在Δt时间内的寿命损耗，Normal insulation life为变压器正常寿命，F_EQA为Δt时间段内的等效老化系数，进一步按照公式Transformer residual lifetime＝Normal Insulation Life-∑F_EQA×Δt计算得到变压器剩余寿命，当最热点温度超过110摄氏度时，按照公式计算绝缘累积老化参数L，其中为变压器在Δt_n时间内的老化系数，当绝缘累积老化参数大于设定值时，或绕组最热点温度超过了设定值时，表明变压器绝缘有损坏危险，需要绝缘保护，告警信号系统发出告警信号，提示变压器维护人员采取措施进行绝缘保护；当变压器绕组最热点温度降到110℃以下时，绝缘累积老化参数清零，以便下次绕组温度超过110℃时重新计算绝缘累积老化参数。

本发明可以较为准确的预测电力变压器剩余寿命，提高电力变压器运行可靠性。同时提出了绝缘保护的策略，可防止电力变压器绝缘非正常老化，延长变压器使用寿命。

附图说明

图1是本方法的框架图；

图2是本方法所用程序的程序流程图；

图3为变压器顶层油温升热路物理模型。

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1所示，该框图包括变压器载荷监测模块、环境温度监测模块、油中水分在线监测模块、局部放电在线监测模块、计算机分析处理模块和告警信号系统。载荷变化监测模块通过在变压器副边安装电流互感器监测变压器负载变化；环境温度监测模块通过温度传感器测量变压器油箱周围的环境温度变化；油中水分含量通过油中水分在线监测仪测定；变压器局部放电在线监测系统测量设备局部放电信号；计算机分析处理部分读取变压器负载变化数据、环境温度、油中水分含量和设备局部放电数据进行相关处理，计算绕组最热点温度及绝缘老化系数；当绕组最热点温度超过110℃时，计算绝缘累积老化参数，判断是否需要绝缘保护，如果需要绝缘保护，则向告警信号系统发出告警信号，提示变压器维护管理人员采取必要措施进行绝缘保护，当绕组最热点温度低于110摄氏度时，绝缘累积老化参数清零，以便下次绕组温度超过110℃时重新计算累积老化参数；同时计算机程序可计算出一段时间内(如24小时)变压器的寿命损耗。

参照图2所示，本程序的输入变量为环境温度值和变压器载荷值。利用变压器载荷值计算出顶层油对环境温升和绕组最热点温度对顶层油温升，环境温度、顶层油温升加绕组最热点温升三项相加得到绕组最热点温度。以绕组最热点温度为基础，分别进行寿命损耗计算和绝缘保护计算。

参照图3所示，其中q_Fe为变压器铁耗，q_Cu为变压器铜耗，q_Fe+q_Cu在图中用电流源表示；C_oil为变压器油热容，R_oilR为变压器油在额定负载下的热阻，θ_oil为变压器顶层油温升；θ_amb为环境温度，在图中用电压源表示；n为表示非线性传热过程的经验指数；图中C_oil与R_oilR和θ_amb组成的串联支路并联，然后连接到q_Fe+q_Cu电流源上。

变压器最热点温度由公式

θ_H＝θ_A+Δθ_TO+Δθ_H                        (1)

决定，其中θ_A为环境温度，Δθ_TO为变压器顶层油对环境温升，Δθ_H为绕组最热点温度对顶层油温升。首先利用变压器载荷数据计算顶层油温升和绕组最热点温升，按(1)式得到绕组最热点温度值。然后按照阿累尼乌斯公式计算变压器老化系数；当绕组热点温度超过110℃时，计算绝缘累积老化参数，判断是否需要绝缘保护；同时计算一段时间内(如24小时)变压器的寿命损耗。

1)变压器顶层油的温升计算

变压器顶层油温升计算的热路物理模型如图3所示。按照传热学原理可得如下方程：

$q_{\mathrm{Fe}}+q_{\mathrm{Cu}}=C_{\mathrm{oil}}·\frac{d{\theta }_{\mathrm{oil}}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{R_{\mathrm{oilR}}}{[{\theta }_{\mathrm{oil}}-{\theta }_{\mathrm{amb}}]}^{1/n}---\left(2\right)$

其中q_Fe：变压器铁耗，

q_Cu：变压器铜耗，

C_oil：变压器油热容，

R_oilR：变压器油在额定负载下的热阻，

θ_oil：变压器顶层油温升，

θ_amb：环境温度，

n：非线性指数.

若定义

β：变压器在额定负载条件(I_pu＝1.00)下铜耗与铁耗之比，

τ_oil＝R_oilRC_oil，

Δθ_oil＝θ_oil-θ_amb，

R：表示额定负载的下标(稳态且环境温度为30摄氏度时)，那么，式(2)可转化为：

$\frac{I_{\mathrm{pu}}^2\beta +1}{\beta +1}·{\left[\Delta {\theta }_{\mathrm{oilR}}\right]}^{1/n}={\tau }_{\mathrm{oil}}\frac{d{\theta }_{\mathrm{oil}}}{\mathrm{dt}}+{[{\theta }_{\mathrm{oil}}-{\theta }_{\mathrm{amb}}]}^{1/n}---\left(3\right)$

其中I_pu为该时刻载荷值与额定载荷值之比。与上式对应的微分方程为：

$D{\theta }_{\mathrm{oil}}=\frac{\mathrm{Dt}}{{\tau }_{\mathrm{oil}}}[\frac{I_{\mathrm{pu}}^2\beta +1}{\beta +1}·{\left[\Delta {\theta }_{\mathrm{oilR}}\right]}^{1/n}-{[{\theta }_{\mathrm{oil}}-{\theta }_{\mathrm{amb}}]}^{1/n}]---\left(4\right)$

利用该式计算出某一时刻顶层油温度的变化量之后，将其值累加到原来值之上，就得到该时刻的顶层油温度值。但是使用该模型之前必须确定模型中的参数β、τ_oil、Δθ_oilR、n。

2)变压器绕组最热点温升计算：

绕组最热点对顶层油温升计算方法参照IEEE Guide for LoadingMineral-Oil-Immersed Transformers(IEEE Std C57.91-1995)中的Clause 7方法执行。该方法认为变压器绕组最热点温升可由下式来表示：

$\Delta {\theta }_H=(\Delta {\theta }_{H,U}-\Delta {\theta }_{H,i})(1-{\exp }^{\frac{t}{{\tau }_W}})+\Delta {\theta }_{H,i}---\left(5\right)$

其中：

τ_W：绕组时间常数

Δθ_H，U：过程终点绕组最热点对顶层油温升，且

$\Delta {\theta }_{H,U}=\Delta {\theta }_{H,R}{K}_U^{2m}---\left(6\right)$

Δθ_H，i：过程起点绕组最热点对顶层油温升，且

$\Delta {\theta }_{H,i}=\Delta {\theta }_{H,R}{K}_i^{2m}---\left(7\right)$

K：负载系数

m：经验指数

Δθ_H，R：额定负载下变压器绕组最热点对顶层油温升。

3)变压器寿命损耗计算

由上述方法得到变压器绕组最热点温度在一天之内的变化曲线图。然后按照阿累尼乌斯公式来估算变压器寿命损耗和剩余寿命。阿累尼乌斯公式为：

其中θ_H表示绕组最热点温度，A、B为常数。按照IEEE标准的推荐，选取A为9.80×10^-18，B为15000.则(8)式可转为：

根据上式，定义变压器老化系数如(10)式。

$F_{\mathrm{AA}}={\mathrm{EXP}}^{[\frac{15000}{383}-\frac{15000}{{\theta }_H+273}]}---\left(10\right)$

同时，考虑变压器绝缘中水分和局部放电对绝缘老化的影响，变压器老化系数可修正为

F_A＝F_AA*C(w，pd)

其中C(w，pd)：水分和局部放电对绝缘老化速率的影响因子；

可通过加速老化实验来分析水分和局部放电对油纸绝缘电热老化速率的影响，进而获得函数C(w，pd)的表达式。

变压器在一段时间内的等效老化系数可用该段时间中每个小分段时间内的老化系数来表示，如式(11).

$F_{\mathrm{EQA}}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{F}_{A_n}\Delta t_n}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}\Delta t_n}---\left(11\right)$

其中F_EQA：一段时间内变压器的等效老化系数；

Δt_n：小分段时间长度；

N：时间总分段数；

Δt_n时间内变压器的老化系数。

当求出一段时间内的等效老化系数之后，用该老化系数乘时间长度，然后除以变压器寿命就可以得到该段内变压器的寿命损失，如式(12)。

Normal insulation life：变压器正常寿命；

Δt：时间段长度，当计算一日内变压器寿命损耗时时间长度为24小时。

正常绝缘寿命使用变压器正常设计寿命或者由变压器使用者进行估算。同时可以计算得到变压器剩余寿命如式(13)：

Transformer residual lifetime＝Normal Insulation Life-∑F_EQA×Δt  (13)

4)变压器绝缘保护算法

监测变压器绕组最热点温度，当绕组最热点温度超过110摄氏度的额定值后，就对变压器绝缘起加速老化作用，因而变压器应当避免长期处于过负荷状态。

当变压器绕组最高点温度超过110摄氏度时，开始计算变压器累计老化参数L：

$L=\underset{t_1}{\overset{t_2}{\int }}{F}_A·\mathrm{dt}\approx \underset{n=1}{\overset{m}{\Sigma }}{F}_{A_n}·\Delta t_n---\left(14\right)$

其中为Δt_n时间内变压器的老化系数。如果假定当累积老化量大于L₀时会对绝缘构成危险，则当L≥L₀时，应当发出告警信号，以提示变压器管理维护人员采取必要措施进行绝缘保护，如减负荷、启动附加冷却设备等。L₀可由变压器维护人员按照经验或者根据实验数据来自行设定。

当变压器最热点温度值降落到110摄氏度之下时，L清零，以便下一次绕组最热点温度超过110摄氏度时重新计算累积老化系数。

此外，当监测到变压器最热点温度值达到或者超过某一高于110摄氏度的临界值(该值可由变压器维护人员依经验或实验数据设定，如140摄氏度，一般认为当变压器温度超过140摄氏度时，变压器油会分解出气体，造成CO、CO₂等气体含量增高，同时纸绝缘也会裂化产生糠醛，会降低绝缘性能)后，应当发出信号，表示变压器绝缘处于危险状态，变压器管理人员则应当对变压器减负荷或者增加冷却设备，以避免变压器绝缘的严重老化甚至破坏。