干式变压器在线监测在海洋石油平台中的应用

刘岩(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

0 引言

干式变压器是海洋石油平台的主变压器，在应用时，其自身的故障可能会造成更大的安全事故，绝缘局部放电与过热故障是干式变压器产生故障的重要因素。针对海洋石油平台主变压器在线监测和故障诊断分析系统的不足，通过将突变理论、自适应滤波以及检测阈值自整定技术进行有效结合，开展故障综合定位与预警，研究出具有针对性的海洋石油平台干式变压器在线综合故障监测系统。该系统在智能数据收集方面能够实现多单元分布式同步采集，适应海洋石油平台的特殊状况，便于安装，能够完成对海洋石油平台主变压器的在线监控、故障预警和分析，大大提升了海洋石油平台电力系统的安全性与可靠性。

1 干式变压器概述

对于海洋石油平台电力系统而言，干式变压器是非常重要的装置，是电力系统运作的核心。为了满足海洋运输以及石油开发的需求，干式变压器逐渐在海船与海洋石油钻井平台进行广泛应用。其额定容量为30～10000kVA，电压等级为0.38～35kV。海洋石油开发项目设备中的发电机组电压通常大于3.3kV。然而，平台上只有少数大容量电机应用3.3kV 以上的电压，大部分技术与公共系统电气设备都采用380V 电压。电力变压器在海洋石油开发工程设施中的主要作用是将主发电机的输出电压转化为电力设备能够应用的电压。此外，为了降低电能长距离输送到各井口平台所形成的线路压降损害，必须利用升压变压器对主发电机的电压互感器实施改造。在以往的石油平台中，干式变压器包含了很多平台的电压、电流、绕组温度监测，同时还对定期检查的方法实行维护，这一方式往往会引发不完全维护和过度维护的状况，造成一定损失。面对上述情况，研制具有针对性的海洋石油平台干式变压器在线综合故障监测系统势在必行。

2 干式变压器特质

干式变压器的安全应用与寿命在极大程度上取决于变压器绕组绝缘的安全性和可靠性。绕组温度大于绝缘容限温度而引起的绝缘破坏，是引起变压器失去稳定工作能力的重要原因之一，为此，监测变压器的工作温度以及警报控制是非常重要的。以下通过介绍Ttc-300 系列温度控制系统进行阐述。

(1)风机自动控制。将Pt100 热敏电阻嵌入低压绕组最发热的部位，测量温度信号。当变压器负荷不断加大，运行温度升高，绕组温度超过110℃时，系统自动开启风机冷却；温度达到90℃的时候，系统自动停止。

(2)超温报警、跳闸。将PTC 非线性热敏电阻嵌入低压绕组中，收集绕组以及铁芯的温度信号。当变压器绕组温度持续上涨到155℃时，将会引起系统超温报警。在温度持续增加到170℃时，变压器将会停止运作，过温跳闸信号传送到二次保护电路，变压器即迅速跳闸。

(3)温度显示系统。温度变化值由嵌入低压绕组的Pt100 热敏电阻进行测量，并直接对各相绕组的温度(三相检查与最大值，并可记录最高温度)进行展示。最高温度可输出4～20mA模拟量，如果需要传输到远处的计算机(距离可以达到1200m)，可以增加计算机接口，一个变送器可以同时监控多达31 个变压器。Pt100 热敏电阻信号还可以激活系统的超温报警和跳闸，有效提升温度控制保护系统的安全与可靠性。

3 干式变压器在线监测系统组成

当前，干式变压器局部放电监测往往会选择脉冲电流、超高频、超声波这几种方式进行使用。例如在渤海某一石油平台干式变压器局部放电监测就选择了超声波的方式进行应用，并根据干式变压器内局部放电引起的超声波规模、方位来测定局部信号源的位置。该系统主要由超声波局部放电传感器、振动传感器、温湿度传感器、下位机与上位机柜共同组成，其系统构建如图1 所示。

图1 干式变压器在线监测系统构架图

(1)超声波局部放电传感器、振动传感器、温湿度传感器的作用。超声波局部放电传感器、振动传感器、温湿度传感器在对变压器的各种状态数据完成实时监测和信号调理以后，再传送到下位机。

(2)下位机。下位机的主要作用是对传感器信号进行采集和存储，然后把数据传送到后台监控的上位机。

(3)上位机。其主要功能是和下位机通信，进行数据的收集和存储，并对数据查询进行展示，属于在线监控系统的核心部分。

4 干式变压器在线监测系统功能

有效处理软件界面，易于操作，具有很大的数据分析与处理、历史趋势分析和显示的能力，而实际作用则主要包含：(1)对运行变压器的振动、温度、湿度进行实时监控。(2)对变压器局部放电进行实时监控，通过变压器内部放电的具体情况来展示变压器本身的绝缘功能，当变压器内部的绝缘减少时，可以及时发现，以此在故障早期提供预警作用。(3)对变压器中出现的故障点进行定位。通过系统对变压器中形成的局部放电进行检测，使用定位系统来定位故障的具体方位，以此来提升故障处理的工作效率，节约经济资源。(4)以上监控数据每5 分钟(默认)保存一次，然后在历史数据库里进行储存。(5)在数据超出限定值时将自动报警并存储故障数据。(6)对以前的数据发展图进行查阅。(7)研究相关故障数据。(8)可以让用户进行登录。(9)参数配置可以修改报警阈值、各监测量的传感器坐标等各种参变量。

5 干式变压器在线监测系统安装

5.1 结合传感器方位安装

(1)装备振动传感器与温湿度传感器的安装方位。结合实际情况，通常在变压器下方安装振动传感器，信号线连接振动信号放大器调理模块，而在另一端输出的信号线则与下位机的复用器的对应接口进行连接。温湿度传感器通常在变压器机柜的侧壁上进行安装，该位置不会对变压器的稳定工作和传感器本身的安全产生影响。此外，应规避阳光直射、远离窗户、空调和暖气设备，并且应该远离大功率干扰设备，避免测量误差。将温湿度传感器信号线连接好后，分别对下位机信号调理模块的温度与湿度的接口进行连接。

(2)干式变压器在线监测系统局部放电传感器安装位置。在开展传感器安装的时候，我们查找了有关干式变压器故障的资料，可以知道干式变压器局部放电的现象一般是发生在其上面。为此，在主变压器中安装了8 个局部放电传感器，如图2 所示。

图2 局部放电传感器安装位示意图

在图2 中，四向传感单元(1、2、3、4)能够涵盖整个图中的1、2、3、4 的四个区域，通过对干式变压器局部放电的位置通常集聚在上部进行考虑，因此，上述四路传感器单元的布置满足有关需求。对于绕组A 的外部(区域5 和6)和绕组C 的外部(区域7 和8)，还应在变压器外壳上布置其他四通传感单元，如图2(5、6、7、8)所示。这样就能对主变压器的整个部门进行覆盖，没有盲点，能对变压器进行完整的监控。

5.2 干式变压器在线监测系统下、上位机的安装

(1)下位机安装位置。安装下位机时，为能够有利于各传感器信号的便利采集和存储，规避在传输工作中发生问题，下位机柜设置在主变压器中。

(2)上位机放置位置。安装上位机时，应考虑工作者的操作便捷度，上位机安置于办公室所在房间的主开关室内。

6 结语

文章对海洋石油平台干式变压器在线监测系统进行了分析，对组成、功能、安装、供电几方面进行了介绍，并且利用在线监测系统对干式变压器局部放电、振动、温湿度等各种参数进行了测试，完成了对变压器的实时在线安全监测，进而确保了海上石油平台电气系统进行正常运作。