特高壓變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)踐與分析

常勇，謝佳妮，張雍赟

(1.國家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司，北京市，100052;2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作中心，北京市，100190)

0 引言

目前我國電網(wǎng)骨干網(wǎng)架以500 kV交流和±500 kV直流系統(tǒng)為主，使得進(jìn)一步增加電力輸送能力和規(guī)模受到嚴(yán)重制約，以1 000 kV級交流和±800 kV級直流系統(tǒng)為核心的特高壓骨干電網(wǎng)建設(shè)，是實(shí)現(xiàn)“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略目標(biāo)的必由之路［1-5］。1 000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程于2009年1月正式投入商業(yè)運(yùn)行，3個變電站內(nèi)一次設(shè)備包括特高壓主變、調(diào)壓補(bǔ)償變、線路并聯(lián)高抗、氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)。特高壓工程電壓等級高、現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，其絕緣部分缺陷及劣化將會對電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生不可估量的影響，特高壓主變高抗核心設(shè)備如果因故障損毀，經(jīng)濟(jì)損失巨大。為此，特高壓變電站主設(shè)備加裝了相對完備的在線監(jiān)測系統(tǒng)，搭建了可靠的故障檢測與診斷平臺，有助于提前發(fā)現(xiàn)危害設(shè)備運(yùn)行的潛伏性故障，防止突發(fā)性事故的發(fā)生，并為今后實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修提供了必要的技術(shù)支持。在線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)的應(yīng)用已有先例，但應(yīng)用效果及經(jīng)驗(yàn)尚需總結(jié)，本文將介紹特高壓工程絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)就其應(yīng)用提出意見。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)的概念

隨著電網(wǎng)容量的增大，高壓電氣設(shè)備的數(shù)量不斷增加，傳統(tǒng)的預(yù)防性試驗(yàn)及檢修已不能滿足電網(wǎng)的運(yùn)行要求，狀態(tài)檢修勢必成為新的運(yùn)行維護(hù)方式的核心理念。同時(shí)，由于高壓電氣設(shè)備的絕緣老化是一個累積和發(fā)展的過程，在很多情況下預(yù)防性試驗(yàn)已無法發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在的缺陷。因此，高壓電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)可以對反映電氣設(shè)備絕緣特性的關(guān)鍵對象進(jìn)行在線、實(shí)時(shí)以及長期的監(jiān)測，從而在不影響電氣設(shè)備正常運(yùn)行的前提下，對電氣設(shè)備絕緣老化趨勢進(jìn)行評估和診斷［6］。

目前，高壓電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測采用的方法有絕緣油在線色譜分析、交流泄漏電流、介質(zhì)損耗角正切、局部放電及放電位置監(jiān)測、電容型設(shè)備電容值和絕緣子動態(tài)污穢等，通常對以下幾類設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測［7］。

(1)電容式電壓互感器(capacitor voltage transformer，CVT)、耦合電容器、電流互感器、套管等容性設(shè)備。目前，測量CVT、耦合電容器、電流互感器、套管等容性設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)已日漸成熟，也取得了很多的應(yīng)用效果。主要測試項(xiàng)目有介質(zhì)損耗、泄漏電流、電容量、三相不平衡電流等。

(2)變壓器。變壓器的絕緣狀態(tài)通常用以下幾個電氣特征量來表示:油中溶解氣體、局部放電量及放電位置、介質(zhì)損耗值、泄漏電流和設(shè)備電容值等。變壓器油中氣體濃度需要檢測濃度的氣體包括H2、CH4、C2H4、C2H2、C2H6、CO、CO2等 7 種氣體。根據(jù)這些氣體濃度，可評估變壓器的絕緣狀態(tài)。為了更準(zhǔn)確地判斷故障類型及故障元件，可將氣相色譜法與電氣試驗(yàn)結(jié)合起來，共同診斷設(shè)備所產(chǎn)生的故障。

(3)GIS。高壓開關(guān)設(shè)備內(nèi)部絕緣部分的缺陷或劣化、導(dǎo)電連接部分的接觸不良等，使得其在事故潛伏期絕緣都可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象，故可以通過對放電的監(jiān)測得到相關(guān)絕緣狀況。

(4)避雷器。檢測金屬氧化物避雷器(metal oxide arrester，MOA)泄漏全電流和阻性電流能有效地反映MOA的絕緣狀況，目前一般采用對運(yùn)行中避雷器的全電流或阻性電流進(jìn)行監(jiān)測的手段，并將所得數(shù)據(jù)與出廠及歷史數(shù)據(jù)相比較，即可發(fā)現(xiàn)避雷器的絕緣缺陷。

2 特高壓變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著變電站自動化技術(shù)的發(fā)展，通過豐富的通信手段，絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)可以將變電站內(nèi)所有在線監(jiān)測設(shè)備所采集的絕緣特性測量值綜合到變電站絕緣在線監(jiān)測工作站內(nèi)，并對數(shù)據(jù)提供綜合瀏覽、存儲及分析服務(wù)，從而更全面地掌握變電站內(nèi)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況［8-9］。

晉東南變電站的各種在線測量裝置采集現(xiàn)場狀態(tài)量后，分別通過各種通信方式與1 000 kV繼電器小室的NSC300通信控制器通信，由NSC300通信控制單元對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，然后上送站控層絕緣在線監(jiān)測工作站，由工作站完成對數(shù)據(jù)的處理和顯示。絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)單獨(dú)組網(wǎng)，與變電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)彼此獨(dú)立，其結(jié)構(gòu)如圖1所示［10］。

圖1 1 000 kV特高壓變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Configuration of insulated online monitoring system for 1 000 kV UHV substation

3 變壓器絕緣在線監(jiān)測

3.1 TM8在線油色譜

TM8系列變壓器油中氣體色譜在線監(jiān)測儀是華電云通原裝進(jìn)口美國Serveron公司的產(chǎn)品。TM8可以進(jìn)行全面的變壓器絕緣溶解氣體分析(dissolved gas analysis，DGA)診斷，包括可以對8種關(guān)鍵故障氣體成分(H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、O2)、油中水分、油溫、環(huán)境溫度、變壓器負(fù)載等進(jìn)行相關(guān)分析。TM8數(shù)據(jù)支持所有IEEE和IEC中的變壓器故障診斷工具，能達(dá)到快速報(bào)警和對故障的演示進(jìn)行分析，在診斷工具上使用在線DGA數(shù)據(jù)給出了新的視角。TM8系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 TM8系統(tǒng)工作原理Fig.2 Operating principle of TM8 system

圖2中變壓器油在油箱內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)流動。TM8監(jiān)測系統(tǒng)在變壓器油箱中部通過油泵抽取流動的油樣，注入氣體分離器，在分離器中通過毛細(xì)管束實(shí)現(xiàn)油中氣體和真空空間的動態(tài)平衡，并且在油壓作用下油樣一直處于流動狀態(tài)。氣體被氣路部分的微泵抽入注入池，通過和載氣混合，并在載氣的壓力下推入色譜柱。從色譜柱分離出來的各種氣體進(jìn)入熱導(dǎo)池進(jìn)行定量監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果通過微控制器進(jìn)行就地?cái)?shù)字轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行外部通信上傳。

通過對油中氣體色譜分析、變壓器負(fù)載以及環(huán)境度的定時(shí)測量可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣與外部事件的關(guān)聯(lián)。對所有關(guān)鍵故障氣體的連續(xù)測量可以給出變壓器故障的早期預(yù)報(bào)，避免發(fā)生變壓器事故，減少非計(jì)劃停電次數(shù)。通過長期、全面的在線監(jiān)測積累足夠的信息，使持續(xù)的變壓器狀態(tài)評估成為可能，進(jìn)而形成專家知識庫，最終實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修降低維修成本。現(xiàn)場安裝的TM8監(jiān)測終端如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場安裝的TM8監(jiān)測終端Fig.3 Field installation of TM8 Monitor terminal

3.2 TMB套管絕緣在線監(jiān)測設(shè)備

該設(shè)備主要監(jiān)測高壓設(shè)備套管、高壓電容式電壓互感器、高壓電流互感器、耦合式電容器。采用高性能單匝穿心式微小電流傳感器技術(shù)，測量高壓套管的介質(zhì)損耗、等效電容與泄漏電流等參量。利用高靈敏度電流傳感器，不失真地采集套管末屏對地電流信號，同時(shí)從相應(yīng)的PT取得電壓信號，通過對數(shù)字信號的運(yùn)算和處理，得出介質(zhì)損耗和等效電容量等信息。最終利用專家系統(tǒng)分析、判斷、預(yù)測套管絕緣的健康狀況。

TMB系統(tǒng)的安裝不改變原有電力設(shè)備的接線、接地模式，監(jiān)測系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)只有磁聯(lián)系，沒有電聯(lián)系，不會對一次系統(tǒng)造成任何干擾和影響。同時(shí)系統(tǒng)具備自校準(zhǔn)功能，在規(guī)定的時(shí)段內(nèi)主動校準(zhǔn)由于硬件電路老化、溫度變化帶來的誤差。系統(tǒng)同時(shí)具備多路PT信號采集，使得系統(tǒng)在計(jì)算介損和電容值時(shí)，有效避免了以往采取的單一PT信號以及現(xiàn)場取用220 V電源信號做參考時(shí)帶來的誤差。同時(shí)PT信號數(shù)字化傳輸?shù)礁鱾€計(jì)算節(jié)點(diǎn)，有效抑制了監(jiān)測系統(tǒng)對PT的負(fù)載效應(yīng)。TMB系統(tǒng)工作原理如圖4所示。

圖4 TMB系統(tǒng)工作原理Fig.4 Operating principle of TMB system

3.3 GIS絕緣在線監(jiān)測

GIS絕緣在線監(jiān)測設(shè)備采用的是日本東芝公司的NCT裝置。該裝置通過安裝在GIS設(shè)備內(nèi)部的多個傳感器，采集GIS開關(guān)觸點(diǎn)電流、觸點(diǎn)損耗、觸點(diǎn)溫度、絕緣氣體溫度和氣體壓力，并根據(jù)采樣值發(fā)送相應(yīng)告警信息。同時(shí)，該設(shè)備還記錄GIS設(shè)備每次開關(guān)動作信息。

GIS設(shè)備的設(shè)計(jì)理念是免維護(hù)的，然而實(shí)際運(yùn)行中由于設(shè)備制造、運(yùn)行環(huán)境等原因GIS的設(shè)備故障并不少見。因此實(shí)際運(yùn)行中對于GIS設(shè)備在每次大修中仍會開展一些檢修工作。如果能夠充分利用GIS在線檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)檢修，對于設(shè)備健康水平和減少不必要的重復(fù)性工作大有益處。

4 運(yùn)行實(shí)際經(jīng)驗(yàn)

特高壓主變及高抗是整個變電站內(nèi)最重要也是最昂貴的設(shè)備，運(yùn)行單位從防止重大停電事故和設(shè)備損失的角度出發(fā)，尤其重視對主變高抗的絕緣監(jiān)測。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，如果使用維護(hù)得當(dāng)，并結(jié)合一段時(shí)間的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，主變高抗的絕緣監(jiān)測系統(tǒng)對于主變高抗內(nèi)部絕緣故障的早期診斷發(fā)現(xiàn)有重要作用。特高壓變電站某臺高抗的故障處理過程很好地佐證了這一觀點(diǎn)。圖5～6是該高抗投運(yùn)后一段時(shí)間內(nèi)C2H2在線監(jiān)測的紀(jì)錄結(jié)果，圖5～6中采樣檢測間隔為10 min。其中A相高抗在投運(yùn)后的很長時(shí)間內(nèi)C2H2含量很低，在1 mg/ml以下。但是在第3 784個采樣點(diǎn)附近可以明顯觀察到C2H2含量有一個突然的躍變，測量數(shù)值躍變?yōu)? mg/ml。而將A相與B相監(jiān)測結(jié)果相比較可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，B相高抗C2H2含量基本穩(wěn)定在0值附近。檢修人員對高抗A相進(jìn)行了色譜取樣分析，分析發(fā)現(xiàn)高抗的色譜數(shù)據(jù)確實(shí)發(fā)生了突變(由之前的1.29 mg/ml變?yōu)?.12 mg/ml)，利用三比值法對色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，高抗A相的比值為“1，0，2”，為低能量放電。

這次故障的處理過程中，在線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮了顯著的作用，實(shí)時(shí)連續(xù)的監(jiān)測結(jié)果雖然在測量精度上有一定局限，但是足以作為故障趨勢判斷的依據(jù)。結(jié)合離線的精確油色譜分析可以迅速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障判定，避免故障擴(kuò)大、損壞在運(yùn)設(shè)備、破壞系統(tǒng)安全運(yùn)行。

5 結(jié)語

特高壓交流試驗(yàn)示范工程一次設(shè)備加裝了完善的在線監(jiān)測系統(tǒng)，特別是變壓器在線油色譜儀對于及時(shí)掌握變壓器運(yùn)行健康水平、及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障發(fā)揮了良好作用。 本文介紹了特高壓長治站的在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，詳述了在線監(jiān)測各分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，分析了一次故障處理過程中主變高抗在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮的故障前期預(yù)警功效，為在線監(jiān)測系統(tǒng)的推廣應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

［1］劉振亞.特高壓電網(wǎng)［M］.北京:中國經(jīng)濟(jì)出版社，2005.

［2］劉振亞.特高壓交流輸電技術(shù)研究成果專輯［M］.北京:中國電力出版社.2005.

［3］易輝，熊幼京.1 000 kV交流特高壓電輸電線路運(yùn)行特性分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(15):1-7.

［4］丁偉，胡兆光.特高壓輸電經(jīng)濟(jì)性比較研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(19):7-13.

［5］吳敬儒，徐永禧.我國特高壓交流輸電發(fā)展前景［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(3):1-4.

［6］嚴(yán)璋.電氣絕緣在線監(jiān)測技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，1995.

［7］DL/T596—1996電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:中國電力出版社，1997.

［8］劉紅偉，李俊峰，王常飛.1 000 kV特高壓輸電線路在線監(jiān)測管理平臺的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33(23):98-103.

［9］燕立，吳祎瓊，王芳.晉東南1 000 kV變電站電氣控制和監(jiān)測的幾個特點(diǎn)［J］.電力建設(shè)，2010，31(2):21-25.

［10］國電南瑞科技股份有限公司.國家電網(wǎng)公司1 000 kV特高壓晉東南變電站絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)培訓(xùn)材料［M］.南京:國電南瑞科技股份有限公司，2009.