(肖登明)变电站主要电力设备的在线监测技术分析

变电站主要电力设备的在线监测技术分析肖登明上海交通大学电气工程系[e-mail]13901635528一.在线监测的诞生•测量、监视、控制等多功能二次设备以及现场测试或实时测量对电力设备运行可靠性起了重要作用。•现场测试或实时测量的发展而诞生了在线监测。主要电力设备•耦合电容器、电容型套管、电容型电流互感器、电容型电压互感器、避雷器、绝缘子、变压器、GIS、电力电缆、发电机和高压断路器在线检测目前并不能完全取代常规预防性试验：大多局限于测量工频运行电压下的绝缘参量；无法测量电力设备在高于运行电压下的参量；迄今尚未形成统一的判断标准。电力设备试验和维修策略的发展历程事故维修（坏了再修，第二次世界大战之前）（盲目、不科学）定期维修（按固定时间周期维修，当前多数情况）（维修过量、维修不足）状态维修（以运行状态决定维修周期，正在逐步开展）（以在线监测为基础，科学、可靠、经济、可预见）在线监测的真实性•电力设备在线监测技术是一种利用运行电压来对高压设备绝缘状况进行试验的方法，它可以大大提高试验的真实性与灵敏度，及时发现绝缘缺陷在线监测的实时性•采用在线监测的方法可以根据设备绝缘状况的好坏来选择不同的监测周期，使试验的有效程度明显提高。在线监测可以积累大量的数据。将被试设备的当前试验数据（包括停电及带电监测）和以往的监测数据相结合，用各种数值分析方法进行及时、全面地综合分析判断，就可以发现和捕捉早期缺陷、确保安全运行，从而减小由于预防性试验间隔长所带来的误差。在线监测系统的构成二.在线监测目前存在的问题2.1在线监测的重要性与困难度•离线的预防性试验结果的分析，已经积累了大量经验，据此可以制订出相应的规程推广施行•在线诊断，现在仍还处于研究、试运行、积累经验的阶段。发展绝缘在线监测和诊断技术，即需对绝缘结构及其老化机理有深入的了解，也需应用传感、微电子等高新技术。它是具有交叉学科性质的一门新兴技术，也是当前智能电网发展的需要。这几种维修方法并不互相排斥，但在不同阶段、不同要求的情况下，共存的形式有差别。维修的目的在于获取各种信息，基于此得到设备状况的结论；迄今为止，尚不能完全建立测量数据与设备状况之间的直接关系：Ubf(R,tanδ,PD,DGA,…)?事故维修、定期维修、状态维修三种策略2.2抗干扰问题•例如变压器、GIS的局部放电监测的抗干扰问题，在线监测信号很微弱，受通讯、谐波和电压突变等因素以及高电压设各区的电磁场干扰，测量信号的精度和数据的稳定性会受到影响，有一些测量信号甚至完全淹没在干扰信号中。•提高在线监测系统的抗干扰能力，使测量数据灵敏、稳定、可靠是对在线监测技术和产品的一个基本要求。•应该针对不同的变电站的强干扰信号采取不同的抗干扰措施主要是阻隔干扰传播路径，以及采用软件进行数字滤波等2.3现场设备受运行条件影响和环境影响问题•例如，电容性设备介损在线监测系统，当电网运行方式改变时介质损耗数据发生较大的突变，还有很多设备的介损值随温度变化呈现较大的波动。这些现象对正确地分析判断设备的状态产生了一定的影响。•因此，现场测量设备的抗环境变化能力也是不容忽视的一个问题。2.4在线监测装置的维护问题•有一些在线监测装置（比如色谱监测）在运行前需要进行参数的设置或标定，在长时间运行后，内部元件特性发生变化使得工作状态改变，测量数据就会产生较大的偏差，需要定期地进行重新设置或标定，使得一些在线监测装置常规的维护工作量加大，也使得在线监测数据的可信度降低。2.5在线监测数据的分析判断及标准化问题•设备的在线监测数据是在运行条件下取得的，由于设备运行条件、环境条件以及电磁干扰的影响，各种在线监测数据与离线试验数据之间通常都有一定的差别，在线监测数据的变化规律和波动范围各有不同，在线监测项目由于干扰问题测量灵敏度低于离线试验。•离线试验所用的预防性试验规程所定的试验标准不应生搬硬套到在线监测中。•建议国网公司应该对电力设备在线监测采用标准化规程。•尽快使电力设备在线监测系统形成统一的技术规范。三。容性负载电力设备的在线监测表达介电性能的参数•介电系数ε→电容量C•电阻率ρ→绝缘电阻Ri•介质损耗角正切tanδ→介质损耗P•击穿场强Eb→击穿电压Ub各种测量参数灵敏度的比较4.3tgδ及C的在线监测图4-8tgδ在线监测仪的原理框图图4-10用过零转换－移相－相与的原理测δ角的原理图存在的问题•1.数据变动较大，是由于谐波的影响，导致信号波形变形过零点变化，则产生测量误差，应采用硬件、软件滤波提高测量准确度。•2.测到的数据与纵向值、横向值相比较，可用相对值来表达被测量设备的绝缘状况。四。油浸电力设备色谱在线监测的技术分析油色谱在线监测系统原理色谱在线监测关键技术1油气分离快而全，缩短检测周期2用一根柱高效分离H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六种气体，而且使用方便、易于维护3采用新型传感器，以得到更好的灵敏度、精度、稳定性4设计抗干扰能力强、自动化程度高的监控系统5研究基于ANN的色谱故障诊断技术，使判断正确率有所一定提高。1.油气分离技术1能渗透H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六种气体，而且渗透饱和时间短的透气膜2振荡脱气法3超声波脱气法4.真空脱气法几种膜饱和时间比较膜种类饱和时间（小时）PFA膜80常规聚四氟乙烯膜100带微孔聚四氟乙烯膜24油气分离用PTFE膜耐压强度正常使用几年后后，膜表面已膨胀破裂。*振荡脱气就是在一个容器里，加入一定量的含有气体油样。在一定的温度下，经过充分振荡，油中溶解的各种气体必然会在气－油两相间建立动态平衡。分析气相组分的含量，根据道尔顿－亨利定律就可计算出油中原来气体的浓度。*超声脱气法是采用超声波装置，使气液两相迅速达到平衡。利用电声换能器，对压电晶体的逆压电效应，通过施加交变电压，使之发生交替的压缩和拉伸而引起振动，使所加频率在超声的频率范围内（即大于20Hz），超声波在介质中所引起的介质微粒振动，即使振幅极小，也足可使介质微粒间产生很大的相互作用力，使气体分子从油中逸出。2.混合气体分离技术1气相色谱分析原理2柱结构基本形式3色谱柱设计的关键：复合固定相（a）（b）图3-6HAYESEPD出峰图Fig3-6ThepeakofHAYESEPDHAYESEPD,PorapakT两种固定相比例2,211,2112WWttRRR分离度：4影响柱效的其它因素柱径柱长样气量温度载气流速（柱压）柱压：0.25Mpa1采用单根色谱柱和由HAYESEPD和ProparkT组成的复合固定相，可在几分钟内实现对H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六种气体的高效分离2无需温控装置也可在户外使用。3常规色谱仪所用的多根分离柱不同，单根柱只需1ml的样气，这样保证了油气分离的周期几小时或一天。色谱柱的要求3.传感器技术1几种传感器比较热线半导体传感器的实验及研究灵敏度对数线性度检测范围传感器体积热线传感器电路图热线传感器的灵敏度旁线传感器出峰图热线传感器出峰图1半导体传感器适合多种可燃性气体的监测。2热线型半导体传感器对H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六种气体灵敏度、线性度和反应速度俱佳,优于普通半导体传感器。和其它传感器相比，它体积很小，与内径2mm的色谱柱配合得到了更好的气体分离效果，是用于在线色谱监测理想的气敏元件。小结4.控制系统设计终端机主控机多组分气体监测系统外形主机实物图5.在线色谱监测存在的问题•1.开始正常，运行几个月后或一年后，数据差别很大。•2.据悉，国网定标准时，国内几家大的色谱企业建议准确度不应小于30%.•3.维护工作量较大，更换载气，定标校核等（有些国产仪器无定标功能）。6.分析•1.油气分离不是全脱气，或部分脱气没有计算准确。•2.混合气分离的色谱柱没有定期标定、更换和老化处理。•3.气敏传感器寿命不长，没有定期标定和更换。7.建议•1.国网成立在线色谱仪器定标中心，检测国产仪器。•2.国网应针对在线色谱另外制定超标注意值，如C2H2应丁为1ppm,在线色谱不可能监测到《1ppm的值。•3.准确度不应《10%。•4.CO/CO2这一指标需检测，国外已认为此值涉及固体绝缘的寿命。变压器的另外的监测方法光声光谱法多组分监测仪变压器局部放电的在线监测B电－超声联合法图7－19电－超声法原理图4个超声通道,1个电测通道便携式的设备50–300kHz64MB内存路由特性可进行局放定位多用途，可用于变压器，发电机，GIS等多种电力主设备AR700–声测、电测结合的便携式局放测量仪超高频法监测变压器的局放•采用内置式超高频传感器放入变压器的放油阀里，监测信号通过光纤传到监测中心。•抗干扰能力大大增强，较好的解决了外置式传感器的弱点。六。断路器的在线监测1、监测原理主要监测绝缘特征、开关特性和温度特性。开关特性监测开、关时的控制电流和通电时间。2操作机构机械特性和控制回路的在线监测合分闸线圈电流、电压测量——测量合分闸线圈动作时回路中的电流、电压，记录波形，通过波形分析，判断电回路和机械回路的状态。•将开关每次动作的图谱记录到数据库中，进行实时故障分析。•软件的客户端运行在变电站控制室的工控机上。所需要的数据（主要是分合闸动作的波形）由硬件部分传输到该工控机。•软件的服务端运行在主控室或者调度运行维护操作人员。可以看到软件的分析结果。软件最主要是两个部分：信号处理(SignalProcessing)和专家系统(ExpertSystem)。结构如下图：监测触头的寿命•开关每次动作的燃弧时间和累计各相触头负荷能量也记录到数据库中，通过实时计算，越限报警。•采用CBM和自动分析软件，可以将新信息提供给若干通用组。•GPS同步携带的控制电路信号波形的精确记录。这将为维护人员提供断路器运行状态的详细动作，可对一个或多个断路器修复或执行日常维护做出更可靠的决策。七。GIS在线检测与诊断项目注：“☆”表示在线监测，“△”表示停电试验，“○”表示取样试验，“※”表示现场监测。局部放电在线检测1.外部电极法局部放电在线检测2.接地线电磁耦合法局部放电在线检测3.绝缘子中预埋电极法局部放电在线检测4.超高频检测法局部放电非在线检测1.机械振动检测法双探头超声监测原理图A、B-电压探头；C-信号鉴别回路；V-发光二极管局部放电非在线检测2.气体检测法局部放电非在线检测3.光学检测法•4个超声通道，1个电通道输入•便携装置•50–300kHz•可用于局放定位AR700•12个局放通道•0.5–10MHz带宽•48相位窗口•32幅值窗口•所有通道同时测量R2100–专家级局放分析仪便携式GIS局放测试采用相对较低的1-20MHz的测量频段，在这个频段内可以取得更高的信号强度和较低的噪声，某些厂家所采用的40MHz以上的高频段测量方法虽然可以降低噪声，但是相应的局放信号强度也降得很低，对于发生在主设备内部离传感器稍远的地方的局放活动无法进行检测，使灵敏度和监测范围都受到了很大的局限。在1-20MHz频率范围内进行的测量，可以取得最大限度的信噪比，并且由于相对低频范围内的信号衰减要比高频信号小得多，从而大大提高了灵敏度和监测范围。测量频段•实践证明：由于灵敏度低和现场抗干扰能力差的原因，脉冲电流检测法主要用于GIS制造厂家的实验室局放试验和现场的验收试验，不适用于GIS在线局放的监测。•由于超声波在GIS中的传播复杂，故在故障监测上很难做到定量判断，可作为一种辅助的测量方法。超声波监测法主要用于定位监测。超高频法•采用超高频（UltraHigh-Frequency，UHF）法检测GIS中的局部放电是20世纪80年代初期由英国中央电力局（CentralElectricityGeneratingBoard，CEGB）提出，并应用于英国Torness420kVGIS的检测。Torness电站的多年运行经验验证了该方法的可行性，使超高频法得到了行业的认可。在2000年修订的IEC60270及IEC50517标准中，均