基于DSP 技術的高壓輸變電設備狀態監測研究

商佳文，徐梁

（國網電力科學研究院有限公司，江蘇南京 211106）

高電壓、大容量輸變電設備的可靠運行關系到整個電力系統的安全穩定運行，也直接影響著電能質量和供電可靠性。隨著特高壓、特高壓輸電線路的不斷開發、建設，我國的輸電線路也在逐步實現全覆蓋[1]。因地域遼闊且地理環境多種多樣，多數線路運行環境惡劣，當線路或設備出現故障時，很難保證供電的可靠性和穩定性，嚴重影響人們的正常生活，甚至造成巨大的損失[2]。有效保證電網的安全運行，成為電力部門迫切需要解決的問題。

當前常用的診斷技術多為紅外線成像監測技術、紫外線成像技術[3]。其中，紅外線成像監測技術應用更為廣泛，但其局限性也十分明顯，紅外輻射對固體的穿透能力很弱。所以，對于一些大型電氣設備，或者由于故障引起的加熱功率比較小，故障位置離表面太遠，這種檢測技術難以實現從表面到內部運行狀態的相應檢測；紫外線成像技術主要用于探測設備表面由于局部放電現象引起的通道碳化和電蝕，這種方法的局限性在于，實際測量的光子數會受到外界環境因素如距離、氣壓等的影響，結果精度較差。但由于工藝、技術等問題，狀態監測的穩定性也不可靠。對于大電流大電壓環境，監測結果易受輻射、噪聲、諧波等干擾，影響監測結果的可靠性。為此，該研究基于DSP 技術設計了新的高壓輸變電設備狀態監測方法，主要針對變壓器和避雷器狀態展開準確監測。

1 變壓器狀態監測

變壓器的主臺、套管、繞組和鐵芯是最易發生故障的部位，內耗占總耗電量的10%以下，但其危害遠大于外耗[4]。對變壓器進行狀態監測主要包括以下幾項：

1）互感器油氣狀態監測

分析判斷油溶解氣故障的主要方法是閾值判斷，即將檢測到的各種氣體成分的濃度與國家標準規定的閾值進行比較，從而得出變壓器在運行條件下具有良好的靈敏度[5]。圖1 顯示了基于DSP 技術的變壓器狀態監測原理。由圖1 可知，利用傳感器獲取氣體檢測數據，由于變壓器狀態監測技術中傳感器對氣體的選擇具有“交叉敏感度”，提高了檢測的可靠性[6-8]。

圖1 基于DSP技術變壓器狀態監測原理

目前，采用DSP 技術對變壓器油液中氣體進行監測已成為研究熱點，該系統不僅能識別氣體成分，而且能對復雜的氣體成分進行定性和定量的檢測，具體內容如表1 所示。

表1 不同故障情況下產生氣體對比

2）變壓器繞組變形狀態監測

繞組是變壓器的組成部分，其故障較多，故障的發生大多與繞組變形有關[9-10]。當變壓器線圈變形到一定程度時，線圈本身的絕緣性能會急劇下降，造成線圈匝間短路，而短路事故又是造成變壓器損耗的主要原因，因此分析變壓器線圈的短路電流對監測線圈變形非常重要[11-12]。

在線圈短路情況下，線圈內損耗明顯增加，主要表現在附加損耗增加。因此，如果變壓器的損耗能被檢測到，那么它就會變得更大，從根本上講，它能判斷變壓器繞組是否短路，從而判斷變壓器繞組是否出現故障和嚴重程度，從而對變壓器繞組進行監測[13]。另外，通過測量變壓器的短路電抗，可以反映出變壓器線圈的變形，而且不受干擾[14]。

對變壓器各側電壓、電流的計算是否準確，直接影響到變壓器功率的大小，因此，采用DSP 技術可以保證所得到電壓、電流數值的準確性，得到的損耗量取決于變壓器的計算能力[15]。另外，由于變壓器運行時繞組電阻比漏抗小，所以其損耗量相對較小。為了不影響裁決，計算變壓器實際運行損耗值，并與正常運行損耗值對比，確定變壓器繞組變形狀態。

式（1）中，P1、P2分別表示變壓器一次和二次側流出功率；β1、β2變壓器一次和二次側實際電流與額定電流比值；ΔPL1、ΔPL2分別表示變壓器一次和二次側繞組短路損耗值；ε表示變壓器正常運行損耗值。

2 避雷器狀態監測

防雷故障原因主要是避雷器閥門老化，避雷器內部受潮，使電流增加、耗電增加，甚至可能引起內部放電爆炸；避雷器的表面由于環境因素而受到污染，泄漏電流和局部放電增加[16]。圖2 為高壓輸變電設備避雷器的狀態監測流程。

圖2 高壓輸變電設備避雷器狀態監測流程

使用DSP 技術，分析避雷器總泄露電流情況，如圖3 所示。

圖3 總泄露電流法監測

DSP 技術監測總泄露電流是在常規監測技術的基礎上進行了改良，監測流程如下：

step1：將獲取的電流經過邏輯分析，計算容性電流和阻性電流。容性電流計算公式為：

式（2）中，u表示施加電壓；f表示施加頻率；c表示輸變電設備電容量經驗值。阻性電流計算公式為：

式（3）中，P額表示額定功率；V額表示額定電壓；λ表示功率因數；η表示效率。

由于容性電流和阻性電流是兩個頻率相同的交流電，兩個同頻率正弦量的相位差就等于初相之差，由此分析兩者之間的相位差，如圖4 所示。

圖4 容性電流和阻性電流之間相位差

由圖4 可知，當相位差大于0 時，容性電流正弦量比阻性電流正弦量相位超前；當相位差小于0 時，容性電流正弦量比阻性電流正弦量相位滯后；當相位差等于0 時，容性電流正弦量與阻性電流正弦量同相；當相位差等于π/2 時，容性電流正弦量與阻性電流正弦量正交。

step2：通過相位差分析結果，結合DSP 信號處理技術，提取容性電流信號初值；

step3：將容性電流信號初值與總泄漏電流對比，如果總泄漏電流比容性電流大，則說明避雷器漏電；反之，則說明避雷器運行正常。

3 實驗與分析

以寧夏電力公司高壓輸變電設備為例，對基于DSP 技術的高壓輸變電設備狀態監測方法的合理性進行實驗驗證分析。

3.1 電網規模

截止2019 年底，寧夏電網已經投運750 kV 變電站、330 kV 變電站、220 kV 變電站，具體變電站及線路長度如表2、3 所示。

表2 2019年寧夏電網變電站規模

表3 2019年寧夏電網輸電線路規模

3.2 高壓輸變電設備運行環境設置

由于地形、地理及當地小氣候等因素的影響，寧夏輸電線路的子跨振蕩、風偏及結冰事故時有發生，缺少有效的在線監測手段很難進行有效預防。750 kV 電網以寧夏為主，電網由于國內設備和設備制造質量的原因，近幾年750 kV 電網設備事故頻發，特別是800 kV 斷路器絕緣操作桿斷裂、分解，盆式絕緣子閃絡，操作機構工作缸爆炸等事故。

3.3 實驗結果與分析

分別使用紅外線成像監測技術、紫外線成像技術和基于DSP 的技術監測高壓輸變電設備狀態。

3.3.1 變壓器狀態

分別使用3 種技術監測變壓器在兩種實驗環境下的復雜氣體，對比結果如表4 所示。

表4 3種技術變壓器異常運行復雜氣體監測結果對比

由表4 可知，使用紅外線成像監測技術和紫外線成像技術在不同故障情況下，僅監測出主要氣體，次要氣體無法監測；使用基于DSP 技術在不同故障情況下，不僅監測出主要氣體，還能監測出次要氣體，具有精準監測效果。

3.3.2 避雷器狀態監測

分別使用3 種技術監測避雷器在兩種實驗環境下的復雜氣體，對比結果如圖5 所示。分析圖5 可知，使用紅外線成像監測技術，在時間為5 s 后，電壓波動幅值在0 V 上下波動；使用紫外線成像技術，在時間為2.9 s 時，電壓波動幅值達到最大為1.9 V。在時間為5.5 s 后，電壓波動幅值在0 V 上下波動；使用基于DSP 技術與實際監測結果一致，在時間為9.5 s以后，電壓波動幅值在0 V 下方波動。

圖5 3種技術監測結果對比

4 結束語

該研究提出了基于DSP 技術的高壓輸變電設備狀態監測方法，實現變壓器、避雷器的測量、分析與監測。實驗結果表明，該方法具有精準監測結果。由于實驗條件有限，該技術存在有待改進的地方，對輸變電設備狀態監測關鍵技術的研究，不僅僅是將監測與物聯網等前沿技術緊密結合，還將不斷改進監測診斷技術；并將單機監控范圍擴大到整個系統監控，即開發分布式多參數監控系統，實現資源共享，提高監控的可靠性；在繼電保護等系統中集成狀態監測系統。