能够分级别预警的输电变压器控制系统的制作方法

本发明涉及一种改进三比值法的输电变压器控制系统，属于输电技术领域。

背景技术：

随着电力设备容量的增大和电网规模的扩大，对电力系统的安全运行和供电可靠性提出了更高的要求，近年发生的各国大停电事故也为我国电力系统敲响了警钟。变压器在电力系统中的地位举足轻重，是电力系统中最重要和最昂贵的电气设备之一，其运行的安全可靠性直接关系到电力系统的安全与稳定。因此，提高变压器特别是大型电力变压器运行的可靠性对整个电网的安全可靠运行具有十分重要的意义。变压器油中溶解气体分析(DGA)技术一直被认为是诊断电力变压器早期故障的有效手段。它能够及时发现变压器内部存在的绝缘故障，有利于促进由定期维修方式向状态维修方式的过渡，因而受到了广泛的应用。DGA技术的原理是基于任何一种特定的烃类气体的产生速率随温度而变化，在特定温度下，往往有某一气体的产气率出现最大值，随着温度升高，产气率最大的气体依次为CH4，C2H6，C2H4，C2H2，H2，C0，CO2。

由于变压器油具有优良的散热和绝缘性能，因此油浸式电力变压器在电力系统中得到广泛的引用。在正常的运行过程中，变压器会在机械应力以及热、电等各种因素的影响下慢慢老化，并生成一些可燃性气体。如果变压器存在内部潜伏性故障，故障部位释放出的能量会加速绝缘材料的裂解，促使油中溶解气体的含量以及产气速率大大提高。通过获取变压器油样本，采用气相色谱的方法就可以获取油中溶解气体各组分的含量，从而对变压器的健康状况做出评估或者对存在异常的变压器进行故障情况的分析。

而三比值法是一种根据气体浓度的相对比值来进行变压器故障诊断的方法。它依据变压器绝缘材料在故障能量的作用下生成的气体成分含量的相对比值与故障点温度存在的密切关系，从五种特征气体组分中选取气体扩散系数以及在绝缘油中溶解度相似的两种气体做比值。按照上述的方法一共选取三组比值，分别为乙炔(C2H2)/乙烯(C2H4)，甲烷(CH4)/氢气(H2)，乙烯(C2H4)/乙烷(C2H6)，并且按照导则所推荐的编码规则(未示出)对三种比值进行编码。比如：乙炔(C2H2)/乙烯(C2H4)小于0.1的时候，编码设定为0；乙炔(C2H2)/乙烯(C2H4)大于或者等于0.1且小于3的时候，编码设定为1；乙炔(C2H2)/乙烯(C2H4)大于或者等于3的时候，编码设定为2。当获得三种比值的编码之后，按照导则所规定表所列出的故障类型判断方法就可以很容易的对故障类型以及可能的故障原因做出判断。由于这种方法在工程上简单实用，因此，采用三比值法的输电变压器控制系统对油浸式变压器故障诊断有着重要的意义。

当然，三比值法也存在比较明显的不足之处，例如当气体各组分含量以及产气速率都没有超标，变压器运行状态正常，三比值法诊断是无效的，只有当气体含量超标或者产气速率超标或者有足够的依据判定变压器存在故障的时候，三比值法诊断才会有意义。由于在对油中气体进行采样分析试验的时候存在误差，这样也会给气体的相对比值带来一定影响，可能导致诊断结果的不准确。因此，在进行变压器油色谱分析试验的时候，测试误差必须满足导则所规定的要求，应尽量避免各种可能降低精度的因素干扰。

因此，有必要对目前采用的采用三比值法的输电变压器控制系统进行改进以提高诊断电力变压器故障的精度和稳定性，避免发生误判操作产生不良影响。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提出一种改进三比值法的输电变压器控制系统，该输电变压器控制系统可以最大程度上避免因多重因素影响而产生的测量不精确或不稳定，能够在进行三比值法监测之前进行预先预警，这种预警操作过程还能够准确地分级别预警，能够在三比值法准确的监测出故障类型之前发出预警通知。

为实现上述目的，本发明的技术构思为，为了避免测量产生的误操作，最大程度地保证三比值法的故障类型判断准确度，除三比值法编码判断系统之外，引入了预警系统，本发明的输电变压器控制系统的预警系统采取了初级浓度预警操作和预警分级操作两级判断过程，采用的技术手段为：

方案1、一种改进三比值法的输电变压器控制系统，其包括输电变压器ECU单元，储存器单元，三个检测模块，三比值法编码判断模块以及预警及显示单元，所述三个检测模块包括组分浓度检测模块，烃含量检测模块，产气速率检测模块；其中组分浓度检测模块，烃含量检测模块，产气速率检测模块，三比值法编码判断模块与ECU单元连接，接受ECU单元的控制指令以及向ECU单元反馈各种信号，储存器单元分别与ECU单元和三比值法编码判断模块连接，预警及显示单元负责将ECU单元输出的预警信号进行外部显示处理；

其中所述组分浓度检测模块能够循环检测每个气体各组分的浓度，并将每个浓度值Di与该气体组分所对应的极限值Di0进行依次比较，一旦得到该气体组分检测的浓度超出极限值，则进行计数器N的计数操作，一旦计数器N等于或超过K时，则表示有K组气体组分超出了极限值，则进行启动预警分级操作；

所述烃含量检测模块和产气速率检测模块分别检测出变压器总烃含量C以及总烃绝对产气速率V，C0、C1分别代表变压器总烃含量第一阈值和第二阈值，V0、V1分别代表总烃绝对产气速率第一阈值和第二阈值，通过对比变压器总烃含量C以及总烃绝对产气速率V与上述阈值之间的数值关系判断出不同等级的预警结果；

所述输电变压器ECU单元基于上述预警结果进行人工地或自动地判定是否需要进行三比值法编码判断，当需要进行三比值法运算来具体判断故障类型时，启动三比值法编码判断模块，提取所需的特征气体组分数值进行相应的故障类型判断。

方案2、根据方案1的改进三比值法的输电变压器控制系统，其特征在于，每个气体各组分包括H2，CH4，C2H4，C2H6，C2H2，总烃。

方案3、根据方案1的改进三比值法的输电变压器控制系统，其特征在于，通常情况下，K可设置为K≤6，优选为3。

方案4、根据方案1的改进三比值法的输电变压器控制系统，其特征在于，所述预警结果分为正常状态，轻微故障，中等故障及严重故障，其中C0和V0选择为经验值，C1＝2～3C0，V1＝2～3V0。。

经研究发明，采用了上述技术手段，改变了现有输电变压器控制系统的单层次判断模式，提高利用三比值法判断变压器故障类型的准确性；优化了变压器控制系统的预警故障工作模式，减少了由于各种原因导致的误判误操作的几率，保证了输出预警状态的准确性，同时也通过二次检测判断的方法实现了对各级故障预警的进一步验证检测，增强了预警系统的应用性和可靠性。

附图说明

图1为本发明改进三比值法的输电变压器控制系统简图；

图2为本发明改进三比值法的输电变压器控制系统的工作流程简图；

图3为本发明的输电变压器结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的改进三比值法的输电变压器控制系统包括输电变压器ECU单元，储存器单元，三个检测模块，三比值法编码判断模块以及预警及显示单元，所述三个检测模块包括组分浓度检测模块，烃含量检测模块，产气速率检测模块。其中组分浓度检测模块，烃含量检测模块，产气速率检测模块，三比值法编码判断模块与ECU单元连接，接受ECU单元的控制指令以及向ECU单元反馈各种信号，储存器单元分别与ECU单元和三比值法编码判断模块连接，预警及显示单元负责将ECU单元输出的预警信号进行外部显示处理。

所述组分浓度检测模块，烃含量检测模块，产气速率检测模块负责在启动三比值法编码判断模块启动检测之前，检测、判断并输出故障的预警结果，该预警结果可以分为正常状态、轻微故障、中等故障及严重故障，一般情况下，正常状态和轻微故障不需要进行紧急的处理，仅需持续观察即可，而出现中等故障和严重故障时才进行进一步地判断具体的故障类型。也就是说，三比值法编码判断模块一般情况下并不进行工作，只有在前述的预警结果出现之后，才基于预警结果被人工地或自动地进行触发启动，这样的设置大大简化了三比值法的应用，同时丰富了输电变压器控制系统的功能，当需要进行故障类型的诊断时才进行诊断，不需要时仅起到一般的故障预警即可。同时为了提高故障预警的可靠性，通过二次检测判断的方法实现了对各级故障预警的进一步验证检测，增强了预警系统的应用性和可靠性。下面对改进三比值法的输电变压器控制系统进行详细介绍：

变压器在运行过程中会受到机械应力、温度、强电场以及水分、氧气等各种因素的影响，绝缘油会在这些因素的作用下发生碳化、裂解以及氧化等各种化学反应，生成氢气、低分子烃类化合物、油泥、某些氧化物以及碳氢聚合物(X蜡)，这就是变压器绝缘油劣化与老化现象。在正常情况下，绝缘油只生成很少量的一些气体，这些气体的含量也通常会保持在国标规定值以内。一旦变压器发生内部潜伏性故障，故障点释放的能量会加速绝缘油分解产气，可能导致气体浓度超过临界值。而变压器油中溶解气体的来源非常复杂，变压器在正常运行条件下也会在电、热应力的作用下生成少量气体，当变压器发生内部潜伏性故障时，故障点释放的能量会加速绝缘材料的分解产气，可能导致气体浓度超过极限值，因此可以通过气体的浓度来大致判断变压器状态是否正常。规定变压器油中溶解气体浓度极限值如表所示。

表变压器油中气体组分浓度极限值(uL/L)

前述的预警过程可以分为初级浓度预警操作和预警分级操作两部分：

在初级浓度预警操作中，所述组分浓度检测模块能够循环检测每个气体各组分(H2，CH4，C2H4，C2H6，C2H2，总烃)的浓度，并将每个浓度值Di与该气体组分所对应的极限值Di0(D10，D20，D30，D40，D50，D60)进行依次比较，一旦得到该气体组分检测的浓度超出极限值，则进行计数器N的计数操作，一旦计数器N等于或超过K(通常情况下，N，K均为整数可设置，K≤6，优选为3)时，则表示有K组气体组分超出了极限值，则进行启动预警分级操作，假如测量完成六组浓度后计数器未达到K值，则计数器可处于等待模式或清零等待下次检测指令发出。如此一来，通过多组分多次检测判断，保证了输出预警结果的准确性，避免了由于某一气体组分检测失误而导致的误预警。

经过长期的运行经验发现，变压器故障通常是以潜伏性低能量故障开始，若任由故障自由发展，最终可能导致变压器严重事故的发生，由于气体浓度只能从一个侧面反映变压器当前的运行状态，而产气速率也从一定程度上反映出故障的严重程度，在本发明的预警分级操作过程中，正是结合气体浓度以及产气速率对变压器状态进行全面客观的检测评估。

所述烃含量检测模块和产气速率检测模块分别检测出变压器总烃含量C以及总烃绝对产气速率V，C0，C1分别代表变压器总烃含量第一阈值和第二阈值，V0，V1分别代表总烃绝对产气速率第一阈值和第二阈值，通过对比变压器总烃含量C以及总烃绝对产气速率V与上述阈值之间的数值关系判断出不同的预警等级，这些预警等级分为正常状态，轻微故障，中等故障及严重故障，同时在研究过程中发现，各级故障的预警也比较容易出现检测上的误判断和准确度的降低，因此，本发明的预警系统通过二次检测判断的方法实现了对各级故障预警准确性的提高。

具体而言，如图2所示显示出本发明的改进三比值法的输电变压器控制系统工作流程简图，

首先启动预警操作步骤，设置i值、K值以及计数器N清零，其中i＝1，i，K为整数，K≤6，优选为3，在组分浓度检测模块中检测每个气体各组分(H2，CH4，C2H4，C2H6，C2H2，总烃)的浓度得到各个浓度值Di(D1，D2，D3，D4，D5，D6)，依次判断各个气体组分的浓度值是否超出了各自的极限值Di0(D10，D20，D30，D40，D50，D60)，一旦对应的气体组分超出极限值，则进行计数器N的加1操作，当计数器N大于等于K时，即超出极限值的气体组分数量超过K时，表明预警系统的初级浓度预警操作已经完成，则启动进入预警分级操作；

所述烃含量检测模块和产气速率检测模块分别检测出变压器总烃含量C以及总烃绝对产气速率V，将总烃含量C和绝对产气速率V分别与总烃含量第一阈值C0和第二阈值C1，总烃绝对产气速率第一阈值V0和第二阈值V1进行比较，分别判断总烃含量C和绝对产气速率V所处的上述阈值区间范围，判断得出相应的故障等级预警。

其中需要说明的是，C0，C1，V0，V1的具体选择可以由经验值获得，也可以将C0和V0选择为经验值，C1＝2～3C0，V1＝2～3V0。上述检测组分类型可以依情况选择，可以为三种、四种或五种等。

具体预警分级操作的判断过程如下，

1).当满足C＜C0且V＜V0时，表示变压器正常，则预警等级为正常状态，不进行三比值法运算判断；

2).当满足C0＜C＜C1且V＜V0时，表示变压器可能存在潜伏性故障，此时需要进行二次检测总烃含量C’和绝对产气速率V’进行进一步判断，而二次检测之前需要延迟t时间，延迟一定t时间再进行二次检测是为了增大检测的时间跨度，保证检测时不会受到其他因素的影响以提高精度，假如仍然满足C0＜C’＜C1且V0＜V’＜V1，此时表明存在发展缓慢的故障，影响较为轻微，则预警等级为轻微故障，可选择地不进行三比值法运算判断；

3).当满足C0＜C＜C1且V0＜V＜V1时，表示变压器有可能存在明显故障，此时需要进行二次检测总烃含量C’和绝对产气速率V’进行进一步判断，而二次检测之前需要延迟t时间，假如仍然满足C0＜C’＜C1且V0＜V’＜V1，此时表明存在中等故障，则预警等级为中等故障，此时需要进行人工地或自动地判断是否进行三比值法运算来具体判断故障类型；

4).当满足C1＜C且V1＜V时，表示变压器有可能存在明显故障，此时需要进行二次检测总烃含量C’和绝对产气速率V’进行进一步判断，而二次检测之前需要延迟t时间，假如仍然满足C1＜C’且V1＜V’，此时表明存在较为迅速恶化的严重故障，则预警等级为严重故障，此时需要进行人工地或自动地判断是否进行三比值法运算来具体判断故障类型。

最后，在上述预警过程完成之后，基于预警结果进行人工地或自动地判定是否需要进行三比值法编码判断，当预警结果为中等故障或严重故障时才进行上述判断，当不需要进行三比值法操作时，仅得出预警结果即可，则返回结束持续进行循环检测；当需要进行三比值法运算来具体判断故障类型时，启动三比值法编码判断模块，提取所需的五个特征气体组分数值进行相应的故障类型判断。此处不赘述三比值法的具体实现过程。

如上所述，本发明的改进三比值法的输电变压器控制系统实现了对三比值法的改良，通过包括初级浓度预警操作和预警分级操作的预报警检测模块，优化了变压器控制系统的预警故障工作模式，减少了由于各种原因导致的误判误操作的几率，保证了输出预警状态的准确性，同时也通过二次检测判断的方法实现了对各级故障预警的进一步验证检测，增强了预警的应用性和可靠性。

此外，本发明还给出了将上述控制装置进行具体应用的油浸式输电变压器，该油浸式输电变压器结构示意图如图3所示，该变压器包括覆盖整个变压器的变压器壳体1，连接到变压器壳体1上的绝缘油箱2，变压器衬垫3，以及输电变压器的主要功能件绕组线圈4和铁芯5，检测装置6和测温计7位于变压器壳体1上方边缘处，用于进行相关控制数据的检测，位于绝缘油箱2内的绝缘油10以及空气层11。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，同时，本发明所列举的公式、符号(例如序标i，阈值K，计数器N等)等含义均为本领域内的惯用含义，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。同时说明书中给出的附图仅作为说明书理解的方便，并未对权利要求进行任何限定，流程图也仅是作为理解的方便而作出的简化处理，并未造成公开不充分的缺陷等。