幾種在線監測技術在冀北電網500kV變電站中的應用

張 偉 刁彥平 王建偉 魏海軍 田 霖

（國網冀北電力檢修分公司，北京 102488）

隨著電網規模不斷增大、互聯程度逐步提升，電力系統對設備安全可靠性的要求日益增強。為提高設備檢修工作的針對性和有效性，避免設備失修或過度檢修，合理降低生產成本，國內外電網公司積極推進狀態檢修工作。統計數據表明，電力系統實施狀態檢修可以提高設備利用率 2%～10%，節約檢修費用25%～30%，延長設備使用壽命 10%～15%，為電力企業帶來巨大的經濟和社會效益[1]。

通過持續規范的設備跟蹤管理，對各種離線、在線監測數據進行準確有效的設備狀態評價，是開展狀態檢修工作的基礎[2]。相對于傳統的停電檢修模式，電力設備在線監測技術為輸變電設備在運行條件下的狀態診斷、缺陷部位的定位、缺陷程度的定量分析提供了有力依據，對避免設備事故具有重要價值[3]。

1 電力設備在線監測技術介紹

近年來隨著電子技術的進步和信息化技術的發展，國內外已形成相對成熟輸變電設備在線監測技術，如油中溶解氣體在線監測、局部放電在線監測、接地電流在線監測、容性設備介質損耗及電容量帶電檢測、避雷器泄漏電流在線監測等，現場應用中積累了大量數據和分析經驗，為保障電網的安全穩定運行發揮著巨大的作用。

電力設備狀態量的及時、準確獲取是輸變電設備狀態檢修工作有序開展的前提。除各類設備停電例行試驗、帶電檢測工作外，冀北電網500kV變電站配置了在線監測系統并逐步完善裝置覆蓋率、系統接入率，對油色譜、局部放電、接地電流、介損及電容量等狀態參量進行實時監測。在線監測系統由信號采集裝置、信號接收裝置、后臺服務器構成，框架結構如圖1所示。

圖1 在線監測系統框架

1.1 油中溶解氣體在線監測

油中溶解氣體分析是診斷充油設備過熱性、電弧性、絕緣破壞等內部潛伏性故障的有效方法。作為試驗室DGA分析的補充和發展，油中溶解氣體在線監測技術具有分析周期短、連續在線監測的優點，已在冀北電網廣泛應用。在變壓器等設備中安裝油中特性氣體傳感器，連續監測油中氣相色譜數據，對特征氣體含量和增長率實時分析，可及時發現電力變壓器運行過程中的潛在故障，實現變壓器故障的監測和預警。

器油中溶解氣體在線監測技術主要分為油中溶解單組分、多組分氣體在線監測技術兩大類別。前者監測油中H2、C2H2、微水等某一特征氣體組分含量或以之為主的混合氣體濃度，直接測量字體體積分數而不進行氣體組分分離；后者先對油中溶解氣體進行油氣分離，再對利于診斷和判別變壓器故障的多種氣體組分（H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2）進行分離、測量[4]。目前，冀北電網 500kV變電站中應用的油中氣相色譜在線監測裝置主要為上海思源、寧波理工、河南中分、武漢南瑞等廠家等廠商的全組分監測產品，采集裝置對油中氣體進行色譜分離，利用傳感器將氣體組分的濃度變為電信號，上傳至主站服務器進行分析和計算，實現變壓器故障的在線監測。監測界面如圖2所示。

1.2 局部放電在線監測

電氣設備制造安裝過程產生的局部缺陷、運行過程中油質劣化、材料局部老化分解等原因會導致局部放電的發生，使絕緣進一步劣化甚至擊穿，造成設備故障。局部放電在線監測通過檢測局部放電水平，考察設備內部絕緣發生的變化，是發現潛在絕緣故障的有效方法[5]。

圖2 油中溶解氣體在線監測界面

現有局部放電在線監測方法主要分電測法、非電測法兩類。其中，電測法以局部放電時的電磁信號作為輸入，包括脈沖電流法、超高頻檢測法、超寬頻檢測法等[6-7]；非電測法以局部放電過程產生的聲、光、熱等非電氣信號作為輸入，包括超聲波法、光測法等[8-9]。超高頻/超聲波結合法因具有較強的抗干擾能力、定位能力和經濟性，在電氣設備局部放電監測中得到廣泛應用[10]。

1.3 鐵心接地電流在線監測

變壓器、高抗等設備運行過程中，鐵心、夾件等金屬構件處于交變電場中。如鐵心未可靠接地，則會產生放電現象，破壞絕緣；如鐵心出現多點接地，則會在接地點間形成閉合回路，造成過熱性故障。鐵心接地電流大小是鐵心接地故障的重要指標。根據設備結構的不同，正常狀態下鐵心接地電流在幾毫安至幾十毫安的范圍內，規程要求，接地電流大于100mA時應予注意[11-12]。目前，基于穿心電流傳感器取樣測量的在線監測裝置已開始應用于冀北電網500kV變電站中，為設備鐵心接地故障的及時發現以及故障、缺陷跟蹤監測提供了重要依據。監測界面如圖3所示。

圖3 鐵心接地電流在線監測界面

1.4 電容型設備介損及電容量在線監測

電力系統中含有大量的容性設備，如電容器、電容式電壓互感器、電流互感器、電容式套管等。通過介質損耗、電容量測量可以發現設備絕緣整體受潮、劣化變質等缺陷。目前，容性設備在線監測方法大致分為絕對法、相對法兩種。絕對法以容性設備末屏電流信號為輸入，利用電壓互感器二次端子電壓信號作為參考，測量介損和電容量的絕對值。由于電壓互感器二次端子的角差遠大于現有測試儀分辨率，絕對法數據準確性較差[13]。相對法利用同相、同種設備末屏電流信號作為參考，計算相對介損和電容量，通過其變化趨勢判斷設備的劣化情況，是介損及電容量在線監測的成熟方法。公司現采用的電容型設備在線監測裝置通過安裝在現場的無線同步電流電壓傳感器、無線同步控制器完成各種在線監測信號的傳感、采集、預處理，無線數據采集裝置將信息送給數據服務器，運維檢修人員通過TCP/IP網絡實施監控查詢。監測界面如圖4所示。

圖4 介損及電容量在線監測界面

1.5 避雷器泄漏電流在線監測

金屬氧化物避雷器是電力系統中限制雷擊過電壓和操作過電壓的主要設備。運行過程中，包含阻性電流分量和容性電流分量的泄漏電流在避雷器閥片中持續流過。當金屬氧化物閥片受潮、老化時，阻性電流分量顯著增長。因此，監測全電流及阻性電流分量可以及時發現運行中的避雷器可能存在的絕緣問題。監測界面如圖5所示。

圖5 避雷器泄漏電流在線監測界面

2 應用實例

2.1 某站主變低壓側磁屏蔽絕緣破損問題分析

2008年1月9日，某500kV變電站2號主變在試驗中發現，A 相油中出現乙炔（0.3μL/L）。通過局部放電在線監測裝置獲得的變壓器本體局放超聲數據顯示，1月11日至3月28日期間，高壓側、低壓側傳感器多次收到間斷性信號，且幅值變化較大；每次低壓側出現大的超聲信號后，油中乙炔含量均經過一段延時后上升，且脈沖持續時間越長乙炔增量越大。后續跟蹤測試表明，油中乙炔緩慢、非連續性上升；低壓側出現間斷性大脈沖超聲信號，最強達到基線值的900多倍。超聲局放、油中溶解氣體跟蹤測試結果如圖 6、圖 7所示。由于鐵心接地線上未監測到局放脈沖信號，該故障與重要部位放電規律有別。分析認為，變壓器內部可能存在某種特殊的間歇性放電。

圖6 超聲波在線局放監測數據

圖7 油中C2H2含量變化

2008年11月21日，該主變退運，專業人員對其行了解體檢查。檢查發現，低壓側油箱磁屏蔽層出現破損，在第4塊油箱磁屏蔽絕緣紙板斷裂處有放電痕跡，如圖8所示。綜合各項在線、離線測試數據及設備解體情況，分析認為：低壓側油箱磁屏蔽在漏磁場作用下形成閉環，導致緣破損處產生不斷拉開、接觸的放電，最終導致變壓器油分解、特征氣體產生。

圖8 低壓側油箱磁屏蔽破損

2.2 某站電容式電壓互感器缺陷分析

2012年12月6日，某站500kV線路電容式電壓互感器C相在線取樣裝置測得末屏電流為0，數據出現異常。末屏帶電測試儀測試顯示，末屏部位無放電現象，電容末端未出現懸浮電位的情況，設備內部可能存在其他缺陷。

經過帶電檢查發現，二次端子箱內電容末端絕緣支柱的穿心螺栓斷裂，且斷開后恰與保護間隙另一端搭接，使電容末端經由保護間隙不可靠接地，如圖9所示。設備運維部門對該電容式電壓互感器進行了停電檢修處理，消除斷裂部分偏移造成高懸浮電位進而燒毀設備的可能，防止了事故的發生。

圖9 電容末端支柱螺栓斷裂

3 在線監測工作相關經驗

在線監測實際工作中發現，現階段部分在線監測技術已趨于成熟，為設備異常分析、缺陷處理提供了更加豐富的數據參考，逐步推進著檢修模式的轉變[14]。冀北電網500kV變電站中在線監測工作開展過程中歸納總結了一定的經驗，并展現出了部分亮點，可為狀態檢修工作的深化提供參考依據。

1）狀態監測模式多樣化

目前，公司部署的在線監測裝置提供了多種狀態監測模式。監測位置方面，可在站端、遠端客戶端或瀏覽器監視實時數據；監測方式方面，可通過在線監測分析軟件、數字化電網系統、狀態檢修輔助決策系統實現數據的查閱、分析、導入與導出等功能。

2）在線與帶電檢測協同作業

在線監測系統信號采集裝置采用通用接口設計，為特殊時期帶電巡檢、異常跟蹤、在線監測與帶電檢測數據對比提供了便利條件。以電容型設備相對介損及電容量測試為例，運維檢修人員可在大負荷期間、特殊保電、設備異常時期使用在線裝置通用接口進行帶電檢測，及時發現絕緣老化、受潮、破損等缺陷。

3）狀態檢修輔助決策系統深度融合

在線監測裝置為狀態檢修輔助決策系統提供了多種設備狀態參量。綜合投運前信息、帶電檢測數據、設備缺陷記錄、故障跳閘情況、不良工況記錄、家族性缺陷等，狀態檢修輔助決策系統實現了設備類型全覆蓋、設備狀態評價信息全覆蓋，為運維檢修工作提供故障診斷、狀態預警、狀態評價、檢修決策等方面的建議，有效降低了傳統檢修過程的人財物資源消費。

4 結論

現階段在線監測工作正在良性發展并取得了一定成果，但相關裝置的應用、管理、可靠性等仍需進一步完善，在線監測工作將從以下三個方面深入推進。

1）加強在線監測裝置入網管理

在線監測技術正處于快速發展期，相關裝置類型眾多。需要制定標準對設備可靠性、有效性進行篩選與驗證，確保在線裝置滿足測量誤差、絕緣性能、電磁兼容性、環境適應性、機械性能等相關要求，防止質量低劣的產品掛網使用后對電網穩定性造成不良影響。

2）提高監測系統運行可靠性

在線監測裝置靈敏度、內部元件性能、抗干擾性等指標影響著其可靠性的提升。設備運維管理部門應及時分析對比在線、離線監測數據，將相關問題反饋給廠商，不斷優化設備性能；強化裝置校驗工作，防止在線監測裝置運行過程中老化、精度下降等影響監測數據、狀態評價、檢修決策結果準確性。

3）完善數據分析決策模塊功能

結合數字化電網系統，對各種設備狀態數據進行整合、梳理，深入挖掘數據倉庫，加強數據集成、統計分析功能，形成信息化的輔助決策系統，為輸變電設備狀態檢修提供有效參考。

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