輸變電設備在線監測技術調研分析

【摘 要】隨著電力系統大容量化、高電壓化和結構復雜化，工農業生產的發展和用電部門重要性的提高，對電力系統的安全可靠性指標的要求也越來越高。單靠傳統的預防性試驗已不能滿足電力系統飛速發展的要求，為了確保電力系統的安全運行，最大限度地降低事故率，迫切需要尋求新的更加行之有效的試驗檢測方法。本文將重點介紹和分析在線監測技術在輸變電設備中的應用。

【關鍵詞】輸變電設備;在線監測;故障診斷

1.國內外輸變電設備在線監測技術的發展歷史和現狀

目前，我國變電站電氣設備的檢測工作，主要仍是按照《電氣設備預防性試驗規程》的要求定期進行預防性試驗。根據試驗的結果來判斷設備的運行狀況，從而確定其是否可以繼續投入運行。長期以來堅持預防性試驗對我國電力系統的安全運行到了很大的作用，但也存在諸多弊端與不足，主要表現在：

（1）試驗時需要停電，造成少送電及給經濟生活帶來一定的影響。

（2）試驗周期長。

（3）試驗時間集中，工作量大。

（4）試驗電壓低，診斷的有效性值得研究。

（5）試驗的標準較死，不能根據現場的實際情況對設備作出合理的判斷。

（6）存在試驗后遺癥，以及存在的人工誤操作風險。

基于以上原因，傳統的預防性試驗已不能滿足電力系統飛速發展的要求，近年來，發現在線監測技術可以解決以上的問題，達到電力系統的下述要求，主要表現在：

（1）產品的質量問題使運行可靠性受到影響，采用在線監測可以在運行中及時發現發展中的事故隱患，防患于未然。

（2）逐步采用在線監測以代替停電試驗，減少設備停電時間，節省試驗費用。

（3）對老舊設備或已知有缺陷、懷疑有缺陷的設備，用在線監測來隨時監視其運行狀況，一旦發現問題能及時退出，最大限度地利用這些設備的剩余壽命。

變電站電氣設備在線監測技術的發展，大體經歷了停電試驗、帶電檢測、在線監測三個階段；監測的內容從最初的絕緣檢測到現在的狀態監測和壽命分析；監測的方式也從單一參量向多參量、單設備向多設備、定期監測向在線狀態監測不斷發展。近年來，隨著傳感器技術、信號采集技術、數字分析技術和計算機技術的發展和應用，電力設備監測技術得到了飛速的發展。隨著分層（級）分布多CPU在線監測結構形式的實施，基于PMU的能量管理系統和基于WAMS技術的廣域保護和控制系統的實現，電站設備在線監測技術的發展及融入國家電網的生產管理系統（PMS），必將對電力系統的安全可靠優質運行發揮重大作用，成為建設堅強可靠的智能電網不可或缺的組成部分。

2.輸變電設備在線監測技術

在線監測技術基本原理可簡述如下：采用先進的傳感技術對電網設備中的電氣量（包括電流、電壓、相角、功率、功率因數等運行狀態量）和非電氣量（包括設備中的介質的壓力、流量、氣體成分、溫度等）進行監視，完成對電網設備的在線診斷，為實施電網設備的狀態檢修和管理提供必要的信息。通過在線監測對設備中的絕緣的劣化、缺陷的發展所引發的電氣、物理、化學等特性的少量漸進變化作出信息采集、分析和綜合處理，根據其數值的大小及其變化，對設備的可靠性隨時作出判斷，以及對剩余壽命作出預測，從而能及早發現潛伏的故障，必要時可提供預警或規定的操作。由于電氣設備種類繁多，結構各異，其在線監測項目各有不同。根據傳感器的特性和不同設備的特點，目前我國電氣設備在線監測的主要項目如下表所示。

2.1電力變壓器及其組件的在線監測情況

變壓器作為變電站的關鍵設備，對其及其組件的在線監測研究及應用具有重大的意義。變壓器在線監測技術主要包括油中溶解氣體分析、鐵心接地電流、套管介損、局部放電、繞組變形、熱點溫度、變壓器振動頻譜、有載開關的觸頭磨損等狀態量的監測技術，其中油中溶解氣體分析、鐵心接地電流監測相對較成熟，另外幾種技術已有實際應用，但尚需積累更多經驗。

油中溶解氣體分析（DGA）已被證明對于發現油浸變壓器內部潛伏性故障，特別是過熱性、電弧性、絕緣破壞性故障相當有效和可靠。DGA作為變壓器的主要試驗項目被列為《DL/T596—1996預防性試驗規程》D的變壓器項目首位。根據模擬試驗和現場試驗得出以下結論：電弧性放電能使油分解出乙炔、氫及少量的甲烷；局部放電分解出氫和甲烷；變壓器油過熱分解出氫、甲烷、乙烯、丙烯；絕緣材料過熱還會分解出一氧化碳和二氧化碳。目前光聲光譜（PAS）技術被用于變壓器油中氣體分析，該技術運用不同氣體對光譜的選擇以及吸收程度與氣體濃度呈比例的原理，具有抗干擾強、靈敏度高、測量范圍廣等特點?？傊芙庥谟椭袣怏w的組成、含量及產氣速率與故障的種類和嚴重程度有著密切關系，通過對這些故障氣體的分析，就能盡早發現設備內部的潛伏性故障，并隨時監視故障的發展狀況。

局部放電(PD)，存在各種高壓電力設備中，但其也是變壓器常見故障的主要原因。國內許多單位都在進行高壓電器設備的PD研究，目前，基于模式識別方法的局部放電數字化檢裝置及三維圖譜很有特色，但由于現場干擾源的相異性及復雜性，使在線監測的信噪比仍需進一步高。現在現場使用較多的是JFD—2B局部放電在線監測裝置，它采用“直線插入定位法”加數字濾波定位，在繞組首端、末端獲取信號，并用數字濾波、邏輯判斷排除外部干擾；其次采用干擾平衡裝置在變壓器各繞組末屏、中性點和鐵心接地線獲取信號，排列成數組“平衡對”，使所測信號反向相加消除外部干擾，獲得變壓器局部放電量值和脈沖個數。

電力變壓器事故統計中繞組變形占了較大的比例，因此繞組變形的檢測已引起了電力部門的極大興趣。目前主要使用頻率響應分析法（FRA）。為了增加FRA診斷的準確率，相關系數、標準偏差等數學概念被應用于此。同時，也引入了低壓脈沖法（LVI），而且已發現與FRA相比，LVI更具有某些優點，如對其他非試驗繞組的變形不敏感又能較好地實現故障定位。

變壓器由于套管問題而引起的故障在變壓器事故中占將近五分之一，因此變壓器的套管在線監測不容忽視。對變壓器套管的監測主要通過測量其介損（tanδ）和電容值。采用和電流法（也稱相對法），通過分析不平衡電流的大小和相位來判斷存在缺陷的相和缺陷的類型。美國電力診斷創新公司（EDI）生產的DTM-BHM套管監測系統，采用最靈敏的和電流方法，具有對套管階段性測試和連續監測的能力，也具有監測由于大電流穿越性故障引起的繞組變形的能力。

其它監測項目還包括有載分接開關、油中水分、油溫、繞組溫度、負荷電壓電流、功率因數、泵1風扇運行等，通過這些項目可以對變壓器進行全方位的監測，獲得有關變壓器狀態的較為詳細的信息，可將突發性事故的可能性降低至最小。另外監測系統提高了延長電力變壓器運作時間的可能性，降低了代價巨大的事故風險，并且提供了改變檢修規程的潛力。

2.2電容型設備在線監測技術

目前，國內開展最多、最早的就是容性設備的在線監測，這方面的技術已逐漸成熟，也取得了很好的應用效果。主要測試項目有：泄漏電流、電容量、介質損耗、不平衡電流等。

電容性設備泄漏電流的測量信號是從末屏采集的，一般為毫安級，由于在現場易受強電場的干擾，因此要求傳感器具有較高的穩定性和抗干擾性，材料一般使用線性度和穩定性高的披莫合金，結構采用零磁通傳感器，并用鋼質外殼屏蔽，傳輸線則采用雙屏蔽或多屏蔽電纜來減少電磁干擾?，F在傾向于將采集信號就地進行數字化處理以消除干擾，電容量的測量是根據泄漏電流和采集的母線電壓換算得到的。國內泄漏電流和電容量在線監測裝置數據準確、穩定，可以滿足現場需要。

對于容性高壓設備，介質損耗的測量是一項靈敏度很高的試驗項目，對于發現設備絕緣整體受潮、劣化變質以及小體積被試設備的貫通和未貫通局部缺陷非常有效。介質損耗的在線監測項目開展很早，最初根據介損電橋原理選取合適的高壓標準電容Cx、R3等進行現場帶電測試，但受電場干擾嚴重。后來運用單片機，采用“過零補償法”進行在線測量，這種方法受電網諧波和元件零漂影響使得測試數據極不穩定。介質損耗測試示意圖如圖所示。

近年來，在介損測量的數據處理上取得突破，主要使用譜波分析法，將含有諧波分量的電壓函數通過付里葉變換展開。在計算機中將連續信號離散為數字信號，并進行數字運算，就可從電壓、電流信號中求取初相角，從而得到介質損耗值。

2.3金屬氧化物避雷器的在線監測

從安裝在線監測裝置的變電站數量上看，安裝變壓器本體在線監測裝置和氧化物避雷器在線監測裝置的變電站明顯多于安裝其它類型在線監測裝置的變電站。氧化鋅避雷器在線監測量以全電流、阻性電流、動作次數為主。全電流監測實現較為容易，阻性電流監測則是從電壓互感器取得電壓信號，經微分前移90°后，模擬氧化鋅閥片電壓中的容性分量，并調整大小使其與容性電流相同，與避雷器總電流一起輸入差分放大器，將容性分量補償掉，從而測得阻性電流。

2.4斷路器和GIS在線監測系統

高壓斷路器是電力系統中最重要的控制和保護設備，因此斷路器的在線監測非常重要，其項目應包括：絕緣特性、開斷能力(剩余壽命)、機械特性等。其中絕緣特性通過測量斷路器外絕緣和拉桿絕緣泄漏電流可以很好地實現；觸頭磨損和剩余壽命評估是通過測量I2t的累積量來實現的，電流取自電流互感器的二次側，時間則由開關的輔助接點的動作時間確定，開關的I2t數據則由生產廠家提供；斷路器機械特性和真空泡真空度的在線監測目前還都沒有很好的實現方法；GIS的局部放電在線監測已有產品開發成功，是采用“振動法”的原理來檢測局部放電。從以上可以看到：斷路器機械特性在線監測是今后研究應用的重點。

2.5綜合類在線監測系統

綜合在線監測診斷，是指同時監測能反映某電氣設備絕緣狀態的多個特征參數，即對其進行多功能多參數的綜合監測，采集相關數據至監控中心，由專家診斷系統自動分析并產生結果，解釋可疑的早期潛在故障，以及建立補救行動計劃的過程。該系統是在線監測今后發展的趨勢。

3.在線監測應用的關鍵技術問題

3.1電磁兼容問題

電力設備在線監測的一個難點就是測量裝置所處的現場環境惡劣，而大部分設備的在線監測信號很微弱，受通訊、諧波和電壓突變等因素以及高電壓設各區的電磁場干擾，測量信號的精度和數據的穩定性會受到影響，因此提高在線監測系統的抗干擾能力，使測量數據靈敏、穩定、可靠是對在線監測技術和產品的一個基本要求，也是在線監測應用的一個關鍵技術問題。

3.2設備條件和環境兼容問題

一些在線監測產品的監測數據波動較大，有時超出了預防性試驗標準的允許范圍，究其原因，與現場溫度和濕度變化影響密切相關，比如有的電容性設備介損在線監測系統，當電網運行方式改變時介質損耗數據發生較大的突變，還有很多設備的介損值隨溫度變化呈現較大的波動。這些現象對正確地分析判斷設備的狀態產生了一定的影響。因此，現場測量設備的抗環境變化能力也是不容忽視的一個問題。

3.3在線裝置的維護問題

在線監測裝置應有足夠高的可靠性，以保證電力設備監測的正常進行。有一些在線監測裝置在運行前需要進行參數的設置或標定，在長時間運行后，內部元件特性發生變化使得工作狀態改變，測量數據就會產生較大的偏差，需要定期地進行重新設置或標定，使得一些在線監測裝置常規的維護工作量加大，也使得在線監測數據的可信度降低。目前對在線監測裝置的性能穩定性和免維護時間缺乏一個最低標準的要求，這種性能的不穩定將直接影響當前一些在線監測裝置技術的性能要求。

3.4在線監測系統的標準化和開放性問題

在線監測系統沒有形成統一的技術規范，全部是各個公司自行開發，造成各個廠家產品不具有開放性和兼容性，同時使用不同廠家的產品就必須各自獨立的測試系統和不同的計算機軟硬件，不僅網絡資源和數據資源不能互連和共享，還造成了設備和通道的重復建設和重復投資，還使得升級和擴展其功能時選擇產品和相應軟件的主動權掌握在廠家手中，不利于運行維護工作，用戶處于被動狀態。

3.5在線監測數據的判斷問題

設備的在線監測數據是在運行條件下取得的，由于設備運行條件、環境條件以及電磁干擾的影響，各種在線監測數據與離線試驗數據之間通常都有一定的差別，在線監測數據的變化規律和波動范圍各有不同，有的在線監測項目的測量靈敏度高于離線試驗，有的在線監測項目由于干擾問題測量靈敏度低于離線試驗，因此，對于在線監測系統數據分析的重點是通過對同一設備的趨勢分析和不同設備的比較發現設備存在的異常，要根據實際情況區別對待。

4.開展輸變電設備在線監測技術應用的前景和建議

隨著國民經濟快速發展，人民生活水平的不斷改善，對電網的安全穩定供電提出了越來越高的要求。高壓電力設備擔負著保證電網安全供電的重要任務，其運行狀態對電網的可靠性影響很大，特別是高電壓、大容量的電力設備一旦出現故障，往往會造成巨大的經濟損失和社會影響，因此，提高電力設備運行的可靠性具有重要的意義。借助先進的傳感技術、信號采集技術、數字分析技術、測量控制技術和計算機技術來構建穩定可靠的在線監測系統，為電力設備保駕護航，確保電力設備安全運行具有重要的意義。

因此，如何提高電力設備在線監測技術發展水平，解決在線監測在應用中的關鍵問題，將是今后在線監測研究發展的重中之重。

4.1提高在線監測裝置和應用的智能化

智能化在線監測系統是指集成了先進的傳感技術、信號采集技術、數字分析技術和計算機技術，它兼有信息的采集、儲存、分析、處理功能以及對設備檢測、判斷和診斷功能。在線監測應用智能化主要體現在硬件和軟件兩個方面。

4.2實現在線監測平臺數據傳輸網絡標準化

在線監測領域應該盡早確定一個通用的現場總線標準，編制一個通用的在線監測數據通訊規約，并使生產相關設備的廠家都認同和支持這一標準，開發帶通訊接口的智能型在線監測裝置，這是使在線監測技術走上標準化道路的必要措施。

4.3實現在線監測數據采集軟件和應用系統標準化

建立完善的信息管理系統，電力設備在線監測數據是電力信息系統中的一個組成部分，實現在線監測系統與電力信息系統的整合是今后發展的趨勢，因此，建立標準化的數據庫標準，關系到數據能否方便的進行共享和對在線監測數據的深刻利用。因此，在線監測系統應做好數據庫的規劃和數據流的分析，以充分滿足信息系統的需求。

5.結束語

總的來說，今后在線監測技術的發展趨勢是：①多功能多參數的綜合監測與診斷，即同時監測能反映某電氣設備絕緣狀態的多個特征參數；②對電站或變電站的整個電氣設備實行集中監測和診斷，形成一套完整的分布式在線監測系統；③不斷提高傳感技術、信號采集技術、數字分析技術和計算機技術，從而不斷提高監測系統的可靠性和靈敏性；④在不斷積累監測數據和診斷經驗的基礎上，發展人工智能技術，建立人工神經網絡和專家系統，實現絕緣診斷的自動化。