【GE】在變電所(Beta Site A)應用-變壓器套管監測系統Intellix BMT 300的資料分析

本文是要為安裝在500kV HV變電所某變壓器的套管監測系統Intellix BMT 300蒐集的套管與部份放電資料進行分析。該變電所稱為Beta Site A, 選擇該變電所的原因, 是因為須要密切監測它的變壓器套管及在變壓器主油箱的部份放電活動。

設備安裝照片

 
該變壓器現行已安裝Transfix 1.6, 而 Intellix BMT 300是整合到Transfix 1.6, 以便在透過Preception軟體連接時, 有一個單一的通訊點。

套管

套管狀態的監測, 是監測經由C1(圖1)耦合到套管分接點的電源頻率A、B、C的電流振幅及監測相對於A的套管B、C的相對相位。

 
圖1: 套管內部模型

假設套管的操作電壓有個固定頻率和振幅, 電流振幅主要是與C1相關或與經由C1耦合到接地的電力多寡相關, 因此, 任何電流振幅的變動, 將很有可能反映出在C1的變動。
在一個實際系統中,電流振幅的變動是與C1、套管的操作電壓(有許多影響操作電壓的因素如:系統的負載變動)及套管的溫度曲線相關。相對相位是與C1及套管電阻之間的比例有關(理想的C是顯示90度電流, 純粹的R一點也不延遲I)。假如C1並沒有變動, 那麼, 在相對相位上的變動, 表示是在套管絶緣上的變化。

電流振幅

高壓套管分接點電流振幅, 如圖2所示, 以這些資料產生的極化圖, 如圖3所示, 平均、最大及最小電流振幅和標準差,如表1所示。

表1: 一次側相位A、B、C套管的電流振幅平均值、最大值、最小值與標準差

表2: 一次側相位A、B、C套管的電流振幅最大值、最小值與標準差(以其占平均值的%表示)

表2的Max.(%)、Min. (%)及標準差(%)的計算分別為[Max.(mA)–Ave.(mA)] / Ave. (mA) x 100, [Ave. (mA) - Min.(mA)] / Ave. (mA) x 100及標準差(mA)/Ave.(mA) x 100。

圖2: Beta site A以BMT監測的一次側套管電流振幅(首次測量是在2011/4/26 PM:20:00)

圖3顯示Beta Site A以BMT 300測量的相位A、B、C之電流振幅的極化圖。
在極化圖上的每個資料點位置是定義為在相角0 (A)、120 (B)與240 (C)三個向量的總和, 其強度是在特定時間測得的相對於參考電流振幅的電流振幅, 該電流振幅參考是計算自標稱C1值, 因此, 極化圖將顯示出與參考值相比的任何不一致的偏差, 換言之, 假如所有3個電流振幅都增加1mA, 結果產生的向量總和, 將畫在相同的點上, 不過, 假如只有一個相位增加1mA, 向量總和將顯示一個1mA的偏移; 全部三個相位的影響沒有被理想地平衡, 並不納入考量。
圖3的資料並沒有參考值, 只除了其中一個監測套管(496 pF)的標稱數值以外, 因此, 此極化圖是在考量所有三個套管都有參考電流振幅53.98mA的情形下產生的。

圖3: 在Beta site A從BMT產生的電流振幅極化圖, 時間是2011年春-夏

分析

圖2顯示在每個電流振幅上的高度變化性, 但當繪製電流振幅總和時(圖3), 這個變化性多數被消除掉了,因此,電流振幅變動並不因為C1變動(C1的一個0.5%變動就被視為緊急了), 而是因為在任何既定時間下同等影響這三個套管的操作電壓與溫度變化; 由於所有三個套管的溫度變化類似, 因此, 可以斷定其套管溫度係數也類似(溫度係數增加, 表示套管劣化1)。

電流振幅與參考振幅不同(圖3)沒有關係, 因為a)參考振幅為未知數, 如上圖明白顯示的; b)極化圖資料顯示與電流振幅相關的當前套管狀態, 在5個月期間, 並沒有明顯變化。

此外, 我們知道, 套管上部是在不同的熱狀態, 因為, 就在套管B與C下面有2個冷床(cooling bank) 影響著套管上半部, 而可能進一步影響電流振幅(圖2)與極化資料抵補(圖3)。

當環境條件改變時(例如:負載變動將造成套管溫度變化而影響其電容), 將改變所有3個C1數值, 假如這三個套管類似, 您可能會預期在C1的改變也相同。來自相位B的C1, 顯示著與時間相關的最大變化性(資料沿B軸方向排列), 但有較小的標準差。另外, 也必須考慮, 相位B就位在主油箱中間的一個冷床上面,因此,它的熱狀態很可能與A和B不同(套管的熱狀態,可藉著觀察它們的紅外線輻射而輕易判斷)。  

與參考值多達一個5%的持續差異(在本例中是平均值), 並不令人憂心2, 所有三個套管的電流振幅的標準差都小於0.5%, 在C1的一個0.5%的差異雖被視為緊急, 不過, 在表2的電流振幅變動, 多半是因為操作電流變動及可能的熱變化使然, 所有三個套管都顯示出類似的溫度係數, 因此, 不必因為C1而採取任何動作。

相對相位

高壓套管分接點來自120°與 240°的電流相對相位差, 如圖4所示, 從這些資料, 可以計算出相位A、B、C相對與任意參考架構的一個絶對相位差, 這些相位如圖5所示, 其平均、最大與最小相位及標準差,如表3所示。

表3: 平均、最大、最小相位及標準差

圖4: 高壓相對相位差B-A及C-A

圖5: 從相對相位B-A與C-A計算的相位差

分析

一個新裝套管可有tan δ 0.003 (δ = 0.17°), 隨著它的老化, tanδ可能達到數值0.010 (δ = 0.57°)左右, 此外, 溫度對tanδ也有明顯的影響, 當tanδ在20°C時, 最小值大約是60-70°C乘以1.4係數, 在擷取上述資料時的頂部油溫是51.2°C, 最小值32.7°C及最大值70.7°C, 標準差6.6°C(圖2)。
表3的資料顯示出, 套管C明顯延遲電容性電流, 但明顯小於其它套管, 此延遲差異是在平均0.12°, 最大值0.45°; BMT 300預設的注意與警告警報位準是分別設在0.5與1°, 因此, 以上數值須要密切監測, 而且, 因為溫度的關係, 假如套用一個係數1.3(0.16與0.58°)到相角(而不是套用到tan δ)的話, 預期結果將使相角超出最大值的注意臨界值。 
提供給套管的標稱tan δ是0.0024 (0.14°), 假設其它套管沒有老化, 套管C的tanδ將是0.005 (使用平均相角偏差), 由於其它套管多半可能也已老化, 那麼, 套管C是tanδ> 0.005(或功率因數0.5%), 在最大的相角差0.58°是tanδ> 0.013(或功率因數1.3%), 如圖5的相角極化圖所示。

圖6: 相角極化圖, 請注意δ<<1δ(rad.)≈tanδ

部份放電活動

Intellix BMT 300是將部份放電活動測量為部份放電指數(PDI), 是指測量一個預設時段的部份放電總功率的測量值(圖7與8), BMT 300也記錄部份放電數及平均的PD功率(分別為圖9及圖10)。

圖7: PDI時間趨勢

圖8: PDI極化圖

圖9: PD數極化圖

圖10: PD數值極化圖

分析

PD活動是分佈在3個相位, 不過, 與相位A的PD事件有關的功率, 是超乎其它相位以上一個數量級, 儘管不是所有外部PD事件都會被濾除掉, 但是假如認為這個差異是基於內部PD, 也是合理的; 這些PD可能起因於繞組或套管, 雖然前面對套管的分析顯示套管A似乎是沒有問題, 但有可能有空氣進入到套管底部而可能引起多量的電暈事件。   

前面的DGA分析

前面的資料組顯示在主油箱中的氫濃度的成長, 這是在牽涉套管與變壓器的某些組合操作後產生, 因此, 考量所有資料, 發現相位A的PD來源, 可能跟以下幾點有關:

• 套管A(及其元件如分接頭、屏蔽)的較低外部電位部份的絶緣結構變化(相對位移)及/或
• 變壓器油, 及/或
• 變壓器的接地部(套管轉台、油箱…等)

總結與建議

以下的分析, 只是簡單地陳述變壓器及套管的狀態。
可以運用的資料期間只有150天, 在這段期間, 並沒有觀察到有什麼資料演變, 因此, 儘管有些結果指示須要採取行動維護硬體, 但並未發現有什麼脫軌狀況(這畢竟只是從短暫有限的資料中觀察)。
分析結果並未悖離變壓器的操作歷史(套管更換)。

相位A:明顯的PD活動。相位A, 套管分析及前面的DGA分析, 點出一個接近繞組頂部與套管之間的連接處的地方。密切監測, 須採取維護行動。
相位C: 套管絶緣(或tan δ)明顯與其它套管不同, 須監測其發展, 如有可能, 須將套管離線測試。

附錄A – 套管分接點標稱電流振幅

跨一理想電容器C的電流IC與跨電容器的電壓Vi的關係為:
 方程式1: 理想的電容器電流
假如Vi是頻率f與振幅V0的一個正弦曲線,那麼, IC是具有振幅I0的另一個正弦曲線(相同頻率及有一個2π/4延遲) :
 方程式2: 電容器的電流振幅

三相變壓器的電壓, 通常是提供為線對線電壓(VT), 因此, 線對地電壓V0為:
 方程式3: 一個三相變壓器的線對地電壓

因此, 在套管C1的分接點的電流振幅可計算為:
 方程式4: 計算而得的套管分接點電流振幅