（电力系统及其自动化专业论文）牵引变电所主设备在线监测信息系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 a b s t r a c t o n l i n em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o ns y s t e mf o rm a i ne q u i p m e n t so f t r a c t i o np o w e r s u b s t a t i o ni si m p o r t a n tt ot h er a i l w a yp o w e rs u p p l yd e p a r t m e n t s r o u t i n eo p e r a t i o n t h es y s t e mi sh e l p f u lt oe s t a b l i s hr a t i o n a lm a i n t e n a n c ep l a n ，e s t i m a t et h es e r v i c el i f e o fd e v i c ea n dc a r r yo u tt h es t a t em a i n t e n a n c e a tp r e s e n t , t h er e s e a r c ho fo n - l i n e m o n i t o r i n g h a sb e c o m eah o t s p o t t o r a n w a yp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n t t h e i n f o r m a t i o ns y s t e mi n t e g r a t e db yd e v i c ec a t a l o g , r o u t i n eo p e r a t i o na n do n - l i n e m o n i t o r i n g i n f o r m a t i o nh a sb e c o m ea t e n d e n c y o f r a i l w a yp o w e rs u p p l y m o d e r n i z a t i o nm a n a g e m e n t b a s e do nt h et e c h n i q u eo fo n - h n em o n i t o t i n ga n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ， c o n n e c t e d 研t 1 1t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h ep a p e rm a i n l ys t r e s s e do nt h eo n - l i n e m o n i t o r i n gi n f o r m a t i o nr e s e a r c ho f m a i ne q u i p m e n t si nt r a c t i o np o w e r s u b s t a t i o n i t r e a l i z e dt h ei n t e g r a t i v em a n a g e m e n t i n c l u d i n gd e v i c ec a t a l o g ，r o u t i n eo p e r a t i o na n d o n - l i n e m o n i t o r i n g ，w h i c hp l a y s a n i m p o r t a n t r o l ei nt h es t a n d a r d i z a t i o na n d i n f o r m a t i o n i z a t i o no ft r a c t i o n p o w e rs u p p l y r o u t i n e sa n d s u p p l i e s t h e d e c i s i o n m a k i n gf o r t h et e c h n i c i a na n dl e a d e r s o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h ef o r e i 盟a n dd o m e s t i cr e s e a r c ho ft h eo n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m 、t h ep a p e rc o n c e r n e dw i m t h et r a c t i o nt r a n s f o r m e r , b r e a k e r sa n d m u t u a lt r a n s f o r m e r , d i s c u s s e dt h ea r i s eo fg a sd i s s o l v e di nt h et r a n s f o r m e ro i l ， o n l i n em o n i t o r i n gm e t h o dt ot h et r a n s f o r m e r , t h et h e o r yo fd i s s o l v e dg a s e sa n a l y s i s a n dt h es e r v i c el i f ee s t i m a t i n go fb r e a k e r t h e p a p e rs t r e s s e dt h eo n l i n em o n i t o r i n g o ft h eh y d r o g e na n dw a t e rd i s s o l v e di nt r a n s f o r m e ro i l ，s w i t c hs t a t eo fb r e a k e ra n d w i n d i n g f a u l to fm u t u a lt r a n s f o r m e r f u r t h e r m o r e ，t h e p a p e rr e a l i z e d o n - l i n e m o n i t o r i n gi n f o r m a t i o ns y s t e m o fm a i n e q u i p m e n t so f t r a c t i o np o w e rs u b s t a t i o n a s as u b s y s t e mo fp o w e r s u p p l ym a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，i th a sa p p l i e di n t o p r a c t i c ea f t e rs o f t w a r ed e b u g g i n g a tl a s t o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gi su s e di nt h es y s t e ma n dt h ea d v a n c e dd i s t r i b u t e d m u l t i t i e rt e c h n i c a ls t r u c t u r ei s a p p l i e d t h es y s t e m i s f r i e n d l y a n de a s yt ob e e x t e n d e d k e y w o r d s o n - l i n em o n i t o r i n g ，p o w e rs u p p l ym a n a g e m e n t ，m u l t i t i e rd i s t r i b u t e d s y s t e r n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1研究设备在线监测信息系统的意义 设备状态监测与故障诊断技术是一门现代化的设备管理技术。一个大型变 电站的电气设备故障监测诊断可用离线和在线两种监测方式。离线监测即是设 备停运时进行检测或设备运行中用单体仪器脱离设备由人工远距离遥测：在线 监测即是通过自动仪表在设备运行中进行连续监测，监测信号送入计算机系统 利用软件功能对所测数据进行分析诊断。以往对电气设备监测与故障诊断的研 究多采用设备离线方式进行，这种方式存在很多弊端，主要表现如下： l 、需停电进行试验，而不少重要电力设备轻易不能停止运行； 2 、停电后设备状态f 如运行电压温度等) 和运行中状态不一致影响判断准确 性； 3 、由于是定期检查和维修而不是连续地进行实时监测绝缘仍然可能在试 验间隔期内受到破坏： 4 、由于是定期性进行检查和维修，设备状态即使良好时，按计划也要进行 试验和维修，造成人力物力和财力的浪费，甚至可能因拆卸组装过多而 造成对设备的损坏，即过度维修。 开展在线监测信息管理的研究就是为了解决以上诸多问题。随着电气技术、 计算机技术、光电技术、数字信号处理技术和各种传感器技术的发展，可以对 电力设备进行在线的状态监测，及时取得各种即使是很微弱的信息，通过信息 管理系统对这些信息进行处理和综合分析后，根据故障诊断系统对设备可靠性 实时做出判断和预测，从而能及早发现潜伏的故障，必要时可提供预警或规定 的操作。信息管理系统为故障诊断系统提供了实时的并且经过处理的数据，如 果没有一个完善的信息管理系统，故障渗断系统就失去了可靠性，因此故障诊 断系统必须和信息管理系统相结合才能真正发挥作用。在线监测与故障诊断技 术的特点是可以对电力设备在运行状态下进行连续实时监测与判断，避免了预 防性试验的缺点。当然，由于设备潜伏性故障前期征兆的信号通常非常微弱， 运行条件下，监测的各种特征量与绝缘状态之间复杂的关系以及现场存在强烈 的电磁干扰使绝缘监测与故障诊断技术有很大的难度，目前正处于研究试运行 和积累经验的阶段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外发展现状 国外对电气设备在线监测与故障硷断技术的研究始于6 0 年代，到7 0 - 8 0 年 代，随着传感器技术计算机和光纤高新技术的发展和应用，电气设备在线监测 和故障渗断技术才真正得到迅速发展。美国等发达国家从2 0 世纪8 0 年代起就 在电力系统各个领域开展了各种关于设备状态监浏研究和应用，十几年来有了 较大的发展，加拿大、美国、日本和前苏联等国家陆续研制了油中溶解气体变 压器g i s 等的局部放电、电容性设备绝缘的介质损耗因素等在线监测和故障诊 断系统。其中有不少已发展成为正式产品，如i n t e g r a t e dm a i n t e n a n c es y s t e m 应 用i n t r a n e t 、i n t e m e t 及g i s 地理信息系统等最新的计算机技术，将设备状态信 息管理、事故预警和事故处理等有机地集成在一起，大大推进了在线监测与故 障诊断技术的发展。与我国相比，有两个主要特征：( 1 ) 已经能生产多种传感 器产品，传感器质量好，性能稳定：( 2 ) 状态监测应用比较普遍，有经济效益。 状态监测应用较普遍的地区主要是北美和欧洲。美国电力科学院非常重视对现 场技术人员有关状态监测和状态检修方面的技术培训和技术服务。在美国， 实现了变电站无人值班和状态检修的管理。状态监测和故障诊断的应用取得了 良好的经济效益。据日本一些工厂统计，事故率可减少7 5 ，维修费用可降低 2 5 5 0 。英国经过对2 0 0 0 个大型工厂的调查表明，采用状态监测技术后， 每年节约维修费用3 亿英镑，而监测系统的成本为o 5 亿英镑，收益为投入的6 倍 2 】o 我国在线绝缘监测和故障诊断技术的研究和国外可以说是同步发展的，处 于几乎是相当的水平。尤其是近十年来，电力系统设备的状态监测与故障诊断 技术发展迅速，具有良好的发展和应用前景。除了对发电机和变压器这类重要 的电气设备进行研究外，还对变电站和发电厂开关站中数量较多的电压互感器、 电流互感器、耦合电容器套管和氧化锌避雷器等电气设备的在线监测技术进行 了大量研究。在这十年中，它从诊断理论、方法的研究到工业应用，从技术开 发到人才培养，从硬件到软件都取得了巨大成绩。简易诊断已在相当一部分企 业中得到普及，精密诊断的实际应用也在不断扩大。近几年，国内一些大型发 电厂较全面地安装了成套进口的先进传感器装置，通过计算机网络形成一定规 模的状态监测系统，并达到了先进的水平，而这些成套软件系统全部由我国技 术人员开发。 许继电气股份有限公司为适应主设备状态监测的需要，开发了c b s 2 0 0 0 主 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 设备状态监测及渗断系统，全面引进美国齐成公司成熟产品一北极星 ( p o l a r i s ) 系统，将各种传感器及检测技术集中，实现在线监测，达到预防 维护的目的，其技术在国际上处于领先水平。c b s 2 0 0 0 主设备状态监测及诊断 系统是一套完整的在线监测产品，提供主设备状态监测的全面解决方案。监测 的设备包括变压器、开关、容性绝缘设备( c t 、套管等) 和电动机等。可实现 多功能监测，对电站内所有电气量、非电气量、稳态、暂态信号进行测量，并 纳入变电站自动化系统以实现对全站的全面自动化。该系统采用先进的软件技 术，各子系统有统一的后台管理，从测量点得到的数据通过数据库管理起来， 在控制室的终端可以任意调用各点实时的和历史的数据，并显示出来。这都充 分说明了我国技术人员已经掌握了状态监测系统的网络和数据库技术。 但是，到目前为止，国内传感器装置的生产和国内状态监测的应用情况还 落后与国外先进水平。一方面，还有许多发电厂和变电站的状态监测没有开展 起来；另一方面，一些状态监测系统已具备规模的变电站、发电厂在软环境和 管理体制上还不能适应发展要求。这主要表现在两方面：( 1 ) 在很多现场，状 态监测并没有成为必要的部分。由于没有实施状态检修，维修管理还是沿用过 去的旧体制，运行和设备管理维修脱节，因而没有形成对状态监测的要求，已 有的状态监测装置也没有发挥应有的作用。( 2 ) 已具有状态监测系统的变电站， 其现场技术人员还缺乏技术能力处理和分析状态监测的数据，因而不能合理分 析和利用数据。由于无论对进口的还是国产的硬件监测系统，人工进行数据分 析还是必要的，而且目前对现场技术人员的培训和技术服务还没有到位。 随着现代化工业生产的飞速发展，为了尽量减少设备突发性事故，把设备 事故损失降低到最低限度，逐步实现按状态的预防维修，推广应用设备诊断技 术显得越来越迫切，越来越重要。机器设备发生故障及事故往往有一个过程， 哪怕这一过程是十分短暂的。能够做到准确地对机器设备的技术状态进行监测 和诊断，就可以实现按状态维修，把维修工作做在设各故障和事故到来之前， 同时还可以避免过剩维修带来的经济损失。 1 3 电力设备在线监测技术的展望 从以上国内外发展情况的总体来看：多数监测系统的功能比较单，例如： 仅对一种设备或多种设备的同类参数进行监测，没有很好地将诊断技术和监测 技术结合起来。分析诊断也仅限于超标报警，具体详细的分析诊断基本上由试 验人员完成。今后状态监测技术的发展趋势应是： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 1 ) 多功能、多参数的综合监测和诊断，即同时可进行多个状态的监测。 ( 2 ) 对变电站的整个电气设备进行集中监视和诊断。 ( 3 ) 提高监视系统的可靠性和灵敏度。 ( 4 ) 在不断积累监测数据和诊断经验的基础上发展人工智能技术，建立人工神 经网络和专家系统，逐步实现诊断自动化。 1 4 选题的背景及意义 我国铁路供电段的各项日常工作主要通过手工方式完成，各种有效信息的 形成周期较长。随着计算机技术、网络技术的发展，为适应新形式下的我国铁 路行业的现代化、信息化的需要，实现供电系统的现代化管理模式，成都铁路 局、西南交通大学和成都交大许继电气有限责任公司共同提出并研制开发了“牵 引供电管理信息系统”( p o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称 p s m i s ) 。p s m i s 系统是基于计算机技术、网络技术和分布式数据库技术开发 的，以计算机网络为载体、以供电段设备管理和运营管理为主线，实现供电段 各种技术资源、设备信息和运营数据管理的大型集成管理信息系统。系统通过 网络平台将铁路供电段段属部门连成一个整体，利用模块化、高效灵活的业务 软件向用户提供了设备管理、运营管理、图形视频管理、事故抢修支持以及各 种业务信息查询统计等功能。能充分实现牵引供电业务的信息化和标准化，提 供各种设计资料和运营资源的共享，并通过计算机网络将各类报表和数据逐级 上报，提供高效快捷的现代化管理手段，为我国铁路实现网络化实时信息管理 打下坚实的基础。 本论文即是在这样的背景下产生的。在电力系统中，变压器、断路器和互 感器是比较重要的电气设备，有必要对其运行情况进行监测，通过对在线数据 进行提取、加工和处理，可以实现对设备故障进行预测，减少因电气故障造成 电力系统的损失。目前，在绵阳供电段绵阳牵引变电所已经安装了许继电气股 份有限公司开发的c b s 2 0 0 0 系统，提供了对绵阳变电所主变压器绝缘油氢气和 水分以及断路器开关状态进行在线监测研究的硬件平台，通过该系统与p s m i s 系统的连接，可将设备在线监测信息导入p s m i s 数据库系统。同时，通过在 p s m i s 基础上增加在线监测功能模块，可以实现p s m i s 的在线监测功能。目 前，随着牵引供电管理信息系统( p o w e r s u p p l ym a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m 简称p s m i s ) 的开发成功并在绵阳供电段的试运行，基于p s m i s 提供的信息 平台，开展牵引变电所设备在线监测信息系统的研究，通过与p s m i s 信息管理 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 系统的结合，融合p s m i s 的设备履历、运营管理等模块，提供了在线电气设备 详细的横向及纵向信息，为管理决策者和技术管理者提供决策的依据，本论文 的研究具有一定的现实意义。 1 5 本文的主要研究内容 利用多层分布式技术、t c p i p 网络通讯技术、在线监测等技术，本论文针 对牵引变电所主设备设计了一个基于客户服务器( 即c l i e n t s e r v e r ) 的分布式 在线监测信息系统。该系统作为牵引供电管理系统( 简称p s m i s ) 的一个子系 统，以综合自动化系统( 简称i a s 系统) 和c b s 2 0 0 0 系统为平台，最终实现了 一个完整的设备在线监测信息系统，同时实现了变电所当地主机与供电段信息 中心的通讯，经由系统内的上传下载通讯通道，同步更新供电段段部数据库在 线监测数据，方便高层领导及时、详尽地了解在线设备的运行状况。 论文主要包括以下内容： l 、首先探讨了在线监测技术的基本原理、在线监测信息系统的基本结构以 及与综合自动化系统的数据交换。针对牵引变电所变压器、断路器和互感器开 展了在线监测信息系统的研究。其中讨论了变压器油中气体的产生与故障特征、 油中溶解气体在线监测的特点、断路器机械特性状态监测原理，并着重研究了 变压器油中氢气水分的在线监测、断路器电寿命在线监测和互感器绕组差错在 线监测。 2 、系统将牵引变电所设备履历、设备运营以及在线监测集成于一体，实现 设备信息的统一管理，充分实现牵引供电业务的信息化和标准化，为现场技术 人员和高层领导提供准确翔实的决策依据。 3 、系统以友好的人机界面给出了变压器油成分中氢气和水分的分析曲线以 及断路器触点磨耗曲线，实现变压器和断路器的在线监测。同时，系统提供按 照时间查询历史数据和衄线的功能。 4 、系统提供了在线设备的履历信息、运营信息等记录的查询，通过对在线 设备的静态和动态数据进行“纵比”和“横比”，及时地反映了设备在线监测数 据的变化和发展趋势。 5 、围绕系统设备履历管理、运营管理和在线j | 茳测管理等模块，本文详细阐 述系统的开发与设计过程。 6 、文中探讨了多层分布式技术和m i d a s 技术，通过传统c s 模式和多层 c s 模式的比较，阐明了多层c s 模式的优越性，并在本系统的开发过程中给 予了实现。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 第2 章在线监测信息系统 2 1综述 2 1 1 在线监测技术基本原理 在线监测技术基本原理可简述如下) ：绝缘的劣化、缺陷的发展虽然具有 统计性，发展的速度也有快慢，但大多具有一定的发展期。各种前期征兆表现 为设备的电气、物理、化学等特性有少量渐进的变化，及时取得各种即使是很 微弱的信息进行处理和综合分析后，根据其数值的大小及变化趋势，可对设备 的可靠性随时做出判断和对剩余寿命做出预测，从而能及早发现潜伏的故障， 必要时可提供预警或规定的操作。在线监测技术的特点是可以对电力设备在运 行状态下连续或随时进行监测与判断。由于电气设备种类繁多、结构各异，其 在线监测项目各有不同。根据传感器的特性和不同设备的特点，目前我国电气 设备在线监测的主要项目如表2 1 所示。 表2 1 电气设备在线监测的主要项目 设备喜嘉t ss 要詈冀：絮譬羹鬻雾耄羹 发电机 受匪器 0oo0o 互感器 电容器 断路器 g i s 绝缘支柱 由于不同电气设备的在线监测项目不同，因此要求采用各种不同形式的传 感器，将被测信号( 电信号和非电量) 抽取出来，转换成监测装置可以检测的 信号，并通过电缆送入监测装置。现代的监测装置大多采用数字化测量或微机 处理系统，因此要求对被测信号进行a d 转换，般是通过数字滤波采集装置 来完成。当然，为了提高系统的抗干扰性能，对输入输出信号往往还要采用光 电耦合器进行隔离，有的甚至采用光纤传输进行光电隔离。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 2 在线监测信息系统的基本结构 本论文开展了针对变压器油中氢气和水分含量、断路器开关触点磨损、互 感器绕组差错故障在线监测的研究。系统采用分布式多层结构，由传感器、前 置机和后台系统三部分组成，如图2 1 所示。传感器完成对监测设备的测量， 通过现场总线网络将信息量送到前置机进行集中分析、显示以及告警，同时数 据上传到后台机进行全面的监视和分析。此结构不仅使整套系统的结构非常清 晰和简洁，也使得各子系统功能完整独立。本课题开发的系统即可作为一个软 件模块安装在图2 1 所示的后台系统主机上，实现对变电所主设备的在线监测 信息的管理，同时通过拨号或局域网内传输方式与p s m i s 系统实现数据同步， 使得供电段段部中心系统可以实时进行数据监测和分析。 图2 1 在线监测信息系统结构幽 2 。1 3 在线监测信息系统与综合自动化系统的信息交换 作为p s m i s 个子系统，本系统通过p s m i s 与i a s 的数据通道实现信息 的交换，可以采集牵引变电所内测控、保护单元的各种测量数据、保护动作数 据、故障录波数据等信息，也可以获得变电所牵引变压器、断路器、互感器等 设备的运行状态等信息以及牵引变电所设备运行状况、实时电量和保护动作等 信息。与远动系统相比，本系统更注重信息收集、信息管理、信息共享及信息 分析等方面。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 本系统与i a s 系统交换的实时电量信息主要包括以下方面： ( 1 ) q 相母线电压的幅值与相位。 ( 2 )b 相母线电压的幅值与相位。 ( 3 ) 馈线保护绕组电流的幅值与相位。 ( 4 ) 馈线测量绕组电流的幅值与相位。 ( 5 ) 馈线故障判别电压。 ( 6 ) 馈线故障判别电流。 ( 7 ) 并联电容补偿支路保护绕组总电流。 ( 8 ) 并联电容补偿支路测量绕组总电流。 ( 9 ) 牵引变压器甄边进线电压u a b 、u b c 、u c 的幅值与相位。 ( 1 0 ) 牵引变压器原边进线电流i a 、i b 、i c 的幅值与相位。 ( 1 1 ) 牵引变压器次边电压u 。、u 。的幅值与相位。 ( 1 2 ) 牵引变压器次边电流i 。、i 。的幅值与相位。 ( 1 3 ) 牵引变压器三相差动电流。 ( 1 4 ) 牵引变压器三相差动电压。 ( 1 5 ) 牵引变压器零序电压。 ( 1 6 ) 牵引变压器中性点电流。 2 2 变压器在线监测 2 2 1 变压器在线监测技术方法 为了确保变压器及其他充油电气设备的安全运行，发展了各种不同的监测 方法，目前主要有以下几种方法： 1 变压器油中的油色谱探测分析法 利用各种烃类气体在变压器油中单位体积的含量及产生的速率来分析、探 测变压器内部局部放电情况，并通过油色谱分析( 三比值法、四比值法、特征 气体法) 初步分析变压器故障，由于目前各国尚无完善的分析方法和理论，此 方法仅停留在简单地反应变压器内部局部放电情况的水平。 2 微水分析法 最初不少变压器专家利用钯栅场效应管作为变压器油中溶解氢气监测传感 器，后来采用催化燃烧测试技术测量油中游离氢的含量和微水含量，从而了解 变压器内部绝缘状况( 由于游离态气泡含水分、杂质等容易产生油中的悬浮电 位，继而产生电小桥导致击穿电压下降，对变压器危害甚大) 。但用该方法只 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 能对变压器的在线监测起片面作用。 3 温度监测法 主要测油温和绕组热点温度，反应的是变压器的安全热效应。 4 ，变压器绕组变形法 基于变压器短路阻抗及阻抗中的电感分量与绕组几何尺寸及相对位置有 关，通过在线检测变压器短路电抗的变化，分析绕组状况的技术正逐渐得到重 视。 5 变压器油的红外光谱在线监测法 其中以利用气相色谱法检测油中溶解气体最为有效。绝缘油在热和电的作 用下，分解出氢气、一氧化碳、二氧化碳以及多种小分子烃类气体，设备内部 故障的类型及严重程度与这些气体分子的组成及产气速率有着密切关系。目前 利用这一关系判断设备内部故障和监视设备的运行，已成为充油电气设备安全 运行不可缺少的手段。为此，国际电工委员会制订了专用于油中溶解气体分析 的国际规约c 5 6 7 和m c 5 9 9 ，国内制订了g b 7 2 5 2 和d l 3 0 4 。 但是利用气相色谱法检测油中溶解气体，从取油样一油气分离一色谱分析 的全过程来看，存在着环节多。操作手续繁琐，试验周期长等弊病，当然也就 不可避免地引进较大的试验误差，对于发展较快的故障的检测则感到不够及时， 难以充分发挥它的作用。近年来，国内外趋于研制小型的气体检测装置，安装 在设备上，以对设备进行经常性的监测，随时掌握设备的运行状况，弥补了色 谱法的不足。这就是油中溶解气体的在线监测，是项很有实用价值的新技术。 2 。2 。2 油中溶解气体的产生与故障特征 2 2 2 1 变压器油中气体的产生与溶解 变压器在发生突发性事故之前，绝缘的劣化及潜伏性故障在运行电压下将 产生光、电、声、热、化学变化等一系列效应及信息。对于大型牵引变压器， 我国目前都是采用变压器油来进行绝缘和散热。变压器油与油中的固体有机绝 缘材料( 纸和纸板等) 在运行电压下，由于电、热、氧化和局部电弧等多种因 素作用会逐渐变质，裂解成低分子气体；另一方面变压器油中气体亦可来自变 压器维修或变压器内部结构和材料，如补焊、补油、真空滤油机、分接开关、 绝缘材料吸收的气体等。变压器在制造、运输、安装和运行过程中，不可避免 会混入空气，引起绝缘逐渐老化和分解；变压器内部存在的潜伏性过热或放电 故障又会加快产气的速率。随着故障的缓慢发展，裂解出来的气体形成气泡在 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 油中经过对流、扩散作用，就会不断地溶解在油中。同一类性质的故障，其产 生的气体的组分和含量在一定程度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度，可 以作为反映电气设备异常的特征量。 变压器油主要由碳氢化合物组成，包括烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃等。 在变压器发生故障时，变压器油故障分解出的气体如表2 2 所示p 表2 2 电力变压器不同绝缘故障类型所产生的气体 实验表明，绝缘纸在1 2 0 1 5 0 。c 长期加热时，以产生c o 和c 0 2 为主。 在2 0 0 c 8 0 0 。c 下热分解时产生c o 外，还含有氢烃类气体( c 2 h 4 、c h 4 等) 。 从表2 2 可以看出，在放电型故障中，h 2 和c 2 h 2 均为主要成分，其它类型故 障中，一般应有h 2 产生，因此连续检测h 2 作为故障的初期预报时有意义的。 q h 2 是放电型故障和高温过热型故障的特征气体。因此，有观点认为连续监测 c 2 h 2 是菲常有必要的。 2 2 2 2 变压器油中气体的产生与故障类型的关系 变压器内部故障主要以热、电类型的故障为主。 1 热性故障热性故障是由于热应力所造成的绝缘加速劣化，具有中等的 能量密度。若热应力只引起热源处绝缘油分解时，所产生的特征气体主要是 c h 。、c 2 h 4 ，其和占总烃的8 0 。其次是c 2 h 6 和h 2 ，占总烃的6 2 5 。过热故 障时一般不产生c 2 h 2 ，只有在严重过热的情况下才有微量气体产生，其最大含 量也不超过总烃的6 。 2 电性故障在电应力下造成的绝缘劣化，按照能量密度不同分为不同的 故障类型。 ( 1 ) 电弧放电这种放电特点是产气急剧、量大，尤其是匝、层问绝缘故 障没有先兆，一般难以预测，最终以突发事故暴露出来，故障特征气体为c ：h ：、 h 2 ，其次是大量的c 2 h 4 、c h 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 ( 2 ) 火花放电这种放电的特征气体也以c 2 h z 、h 2 为主，故障能量小， 一般含烃总量不高，油中溶解的c z h 2 在总烃中所占的比例高达2 5 9 0 。 ( 3 ) 局部放电在局部放电的情况下，一般总烃的含量都不高，重要成分 是h 2 ，其次是c h 4 ，通常h 2 占氢烃的9 0 以上u 湖北省对3 5 9 台故障变压器的故障类型进行统计如表2 3 所示。 表2 3 变压器故障类型的统计 油中特征气体含量的变化是变压器发生故障的前兆。一般情况下，在线监 测油中溶解气体的含量，若氢和烃类气体不超过表2 4 所列的含量，且气体成 分含量一直比较稳定，没有发展趋势，则认为电力变压器运行正常。 表2 4 油中溶解气体的正常极限注意值 气体成分 h 2c h 4c 2 h 6c 2 h 4 c 2 h z总( c 1 + c 2 ) 注意值( m l 1 )1 5 04 53 56 551 5 0 由于故障气体的组成和含量与故障的类型和故障的严重性有密切关系，所 以定期分析溶解于变压器油中的气体就能及早发现变压器内部存在的潜伏性故 障，并随时掌握故障的发展情况。 2 2 3 油中溶解气体在线监测特点 油中溶解气体在线监测与室内的气相色谱分析比较起来，有很大不同，它 不能取代气相色谱分析。归纳起来有如下特点： 1 在线监测要求仪器可靠性高，能长期稳定运行，原则上不允许出现误报 警或漏报警。在线监测仪必须有足够长的定标周期和数年以上的使用寿命，这 比对室内的或便携式仪器的要求要严格得多。例如，安装在变压器上的在线监 测仪不可能要求有人经常去维护，甚至不能经常调节仪器的零位。这种监测装 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 置通常安装在户外，运行环境恶劣，这给仪器的设计增加了难度a 为保障仪器 的正常运行，一般仪器设计有自检功能，一旦仪器本身出现故障，即可发出信 号，因而大大提高了仪器的可靠性。 2 油中溶解气体在线监测仪必须尽可能在靠近油流动处安装，使变压器内 部因故障产生的气体尽快达到检测器而被检测，否则，故障可能会延迟几天后 才能被检测器检测到，使测试结果失去了及时性和准确性。但是，靠近油流动 处安装并不总是符合客观实际的，特别使对电压、电流互感器而言更是如此。 3 在线监测的诊断方法。在线监测是运行中设备的初期诊断，当监测仪出 现报警时，应立即取油样进行色谱分析，以确认故障是否存在，进一步判断故 障的类型及其严重程度。另一方面，变压器在一开始运行就或多或少地含有一 定量的可燃性气体。例如在铁和不锈钢的作用下，会产生较多的氢气。随着运 行时间的增长，可燃气体含量会逐渐增加，监测设备内部故障的主要依据是这 种增长速率而不是气体含量的绝对值，故对于运行年限不同的变压器，其初期 可燃气体含量不同，因而可有不同的报警水平值。 4 在线监测要求有一定的自动化程度。随着自动控制技术的提高，各类专 家系统投入运行，则更要求在线监测仪的信号处理技术小型化、智能化。一般 结合电厂、变电站的自动化管理，要求在线监测仪能与计算机联网，存储测试 数据，计算气体增长率，依据综合其他测试项目的测试结果，判断设备的运行 状况。 5 在线监测仪的造价要低。在线监测的最终目的是保障电气设备的安全运 行，取得经济实效。高效益的在线监测在长期运行中能降低一些设备的不可用 率，减少维修费用，提高供电部门的经济效益。 总之，油中溶解气体的在线监测属于普查和日常监视的一个重要手段是无 可厚非的，它可以提供设备故障的初步信息，发现有怀疑的设备后再进一步利 用色谱分析等进行二次诊断，因此它不能完全代替现有的色谱分析等试验手段。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 2 2 4 变压器油中氢气和水分在线监测 2 2 41在线监测氢气和水分的意义 氢气和水分在变压器绝缘油中的含量是监测变压器故障十分重要的指标， 变压器的所有故障都或多或少会产生氢气。从表2 2 可以看出，在放电型故障 中，h 2 和c 2 h 2 均为主要成分，其它类型故障中，一般应有h 2 产生。氢气含量 是变压器已存在或将至各种故障的可靠标志。一方面，氢气在油中的低溶解性 和高扩散性使它在低浓度时即能检测到，能提供最早的故障预警。通过在线监 测，能够保证发展中的早期故障在其最初阶段即被检测到，从而减少非计划停 机和灾难性事故的可能性，防止设备故障并延长变压器寿命。另一方面，油浸 变压器在运行中会受到电、热、机械力、化学腐蚀和光辐射等外界因素的影响， 致使变压器油和纤维材料逐渐老化变质，分解出微量水分。此外，由于密封不 严，潮气和水分也会进入油箱内，使油中的水分逐渐增多。当水分含量超过一 定限度时，就会使绝缘性能明显下降，甚至危机变压器安全。若油中不含固体 杂质，当油的含水量在4 0 p p m 或当油中存在固体杂质，含水量为5 p p m 时，其 击穿强度都将下降很低，有的还可能成为引起绝缘破坏的直接原因。统计结果 表明8 0 以上的变压器故障为内部绝缘故障，内部绝缘故障的主要原因就是油 中水，水与极性产物和酸相结合，会严重引起绝缘液和材料的绝缘性能下降， 导致相间及匝问短路，产生局放及电弧，造成变压器故障。在线监测设备能够 监测溶解水的含量及产生速度发展变化，从而连续地评估变压器的绝缘特性， 在溶解水突然或异常增加后采取正确的行动，延长充油设备的寿命，提高性能。 22 4 2 氢气和水分的在线监测 目前，本系统在绵阳变电所l4 b 主变压器安装了由加拿大m o r g a ns c h a f f e r 公司生产和设计的c a l i s t o 系统，c a l i s t o 主要用于牵引变压器油的水分和氢 气的在线测量。c a l i s t o 直接安装在变压器绝缘油的注入口或泄油口。油从变 压器油阀流入c a l i s t o 经过分析流回变压器。安装中采取一系列保障措施，避 免绝缘油在流动中受到污染导致变化。如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 图2 2c a l is t o 变压器氢气水分在线监测装置 c a l i s t o 具有以下主要特点： 1 与机箱具有自动温度调节功能，使之保持恒温。 干扰气体传感器的主要因素来自环境。改变周围的环境和油的温度，可以 很明显地影响故障气体的溶解性和扩散度，从而产生基线漂动和信号摆动，这 样常常限制i e d 监视较低水平的故障气体的能力。自动恒温功能既可以提高传 感薄膜的寿命，也可以使装置在灵敏性、重复性和长期稳定性等方面有显著的 提高。 2 热保险装置 热熔保险安装在一个主热交换器内部的孔里。如果因为一些原因，热交换 器的温度超过了7 6 。c ，直接串接在交流电源进线中的保险丝将立即切断所有 在单元上起作用的电源。保险丝很容易在现场更换。 3 可显示相对饱和的浓度和体积的p p m 值 显示氢气的p p m 值。采用两种方式报告溶解水分含量：相对饱和度和p p m 。 c a l i s t o 既可以显示水分相对饱和度，对于常用的几种变压器油，也可以基于实 验室得出的有效的溶解系数，显示p p m 值，可通过模式选取来显示。 氢气的测量分两步执行。来自循环的油中溶解的氢气先被一个经过特殊设 计、由p t f e 毛状管制成的探针不断地析取。氢气在毛状管中扩散，在探针中 形成气体样品。一旦探针被充满并达到稳定，油中氢气浓度的任何变化将改变 探针中的平衡。然后应用高精度热传导的氢气探测技术，连续测量氢气浓度并 以p p m 为单位进行显示。p t f e 学名聚四氟乙烯，p t f e 膜材料是指在极细的玻 璃纤维编织成的基布上涂上p 吓e 树脂而形成的复合材料。具有孔径集中、耐 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 化学腐蚀、孔隙率高等优点，在工业上广泛得到运用。 用一个容性的薄膜传感器直接浸入循环的油中，连续测量溶解的水分。水 分含量将以p p m 、2 5 。c 时的r s ( 相对饱和度) 或在具体的变压器温度时的 r s 的方式报告。 仪器通常固定安装在一个变压器上。系统要求油从变压器流进l e d 然后返 回变压器。对溶解的故障气体的有效在线监测，也需要传感器连续的接触来自 变压器的有代表性的油，以快速反应气体浓度的变化。为了保证正确、快速的 对最初的故障出反应，c a l i s t o 具有自身的油循环系统，该循环系统体积小，平 均无故障时间为1 0 年，内置有6 0 毫升分的循环泵。当系统运转的时候，以日 期和时间为标志的测量值以用户选择的频率存储于仪器的内存。软件以图表的 形式取回和察看数据，也可以在位于仪器前面板的显示器上查看数据。以默认 方式显示的测量值是实时的溶解的氢气浓度，控制面板按钮用于显示实时的溶 解的水分浓度、仪器的操作参数和存储的数据。 2 3 断路器在线监测 2 3 1 机械特性状态监测原理 断路器依靠其机械部件的正确动作来完成其职能，因而每个组成部件的机 械牢固性极为重要。国际大电网会议对断路器可靠性所做的两次世界范围的调 查，以及我国电力科学院对高压开关事故的统计分析均表明，断路器故障8 0 是机械的原因。且大多数故障是操作机构的问题，如拒分、拒合或不能开断。 随着电力系统朝着高电压、大容量的方向发展，停电事故给生产、生活带来的 影响及损失也越来越大，保证电力设备的安全运行越来越重要。因此，对断路 器实施状态诊断或实时状态监测，及时了解其运行状况，掌握其运行特性及其 变化趋势，对提高电力系统运行可靠性极为重要。 众所周知，分闸速度的降低将使电弧的燃烧时间增加，从而加速断路器触 头的电磨损降低断路器的使用寿命；分闸速度过高，又会使运动机构承受过大 的机械应力和冲击，从而造成个别部件的损坏或者缩短使用寿命；断路器分合 闸的严重不同期将造成线路和变压器的非全相运行，从而可能出现导致绝缘损 坏的危险的操作过电压、继电保护误动作等不利现象。因此，断路器的机械特 性参数对电网的稳定运行意义重大。断路器的机械特性包括：合闸时间、分闸 时间、触头行程、超行程、合闸不同期、分闸不同期、刚合闸速度、刚分闸速 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 度、合闸最大速度、分闸最大速度、合闸平均速度、分闸平均速度等等。 各机械特性参数定义如下： 合闸时间：从合闸回路有电流开始到各极触头都接触瞬间为止的时间间隔。 分闸时间：从分闸回路有电流开始到各极触头都分离瞬间为止的时间间隔。 触头行程：动触头的起止位置之差的总位移量。 超行程：从所有极触头都接触开始到合闸稳定位置为止的位移量之差。 合闸不同期：从首极合开始到所有极都合为止的时间之差。 分闸不同期：从首极分开始到所有极都分为止的时间之差。 刚合闸速度：合闸辅助接点接通后l o m s 内的平均速度。 刚分闸速度：分闸辅助接点接通后l o m s 内的平均速度。 合闸最大速度：合闸全过程中的最大速度。 分闸最大速度：分闸全过程中的最大速度。 合闸平均速度：合闸过程中中间8 0 行程的平均速度。 分闸平均速度：分闸过程中中间8 0 行程的平均速度。 2 3 2 断路器电寿命监测原理 高压断路器的电寿命是在线监测的重要参数。对于真空断路器和某些s r 断路器来说，影响的主要因素是电磨损，包括灭弧室、灭弧介质和触头三个方 面。其中起决定作用的通常是触头的电磨损。 断路器触头的磨损系指多次开断闭合后，触头接触表面逐渐损坏( 变形、 烧毛、材料脱落等) 的现象。触头的电磨损来自于电弧期间出现的发热。其磨 损方式主要表现为触头的净损失、触头材料的金属转移和化学腐蚀。净损失大 多是在电弧高温作用下已熔融或气化的触头表面被流体介质冲走或喷溅所造 成。当前主要采用以下三种方法监测断路器的电寿命。 2 3 2 1 开断电流加权累计法 目前普遍采用的监测方法是基于断路器的电寿命曲线( ，6 ) 的开断电流 加权累计法。一般来说，电寿命曲线可用式2 1 表示： ( 2 1 ) 式中，a 为开断电流的加权指数，通常介于l 2 之间：厶为断路器开断电 流的有效值；为在开断电流有效值为厶时断路器允许的开断次数：g 表征允 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 许的电磨损量。如果用，。来表征断路器运行中的某一次开断电流有效值为厶 时的电磨损量，则可采用式( 2 2 ) 来计算运行中断路器的累计电磨损量q 。 即q = “4 ( 2 2 ) i # l 式中，n 为断路器已开断的