（农业电气化与自动化专业论文）农网在线监测系统的开发与应用.pdf

沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 随着电力系统向高电压、大容量、互联网的发展，用电部门要求的提高， 电力系统对其自身的安全可靠性指标的要求也越来越高。传统的计划检修体 制暴露了严重的缺陷，这使得国家每年的设备维修费用占电力成本的比例不 断提高。如何采取合理的维修策略和正确决定维修计划，以保证在不降低可 靠性的前提下节省维修费用，便成为供电部门面临的重要课题。 提高供电可靠性的途径和措施应主要从加强供电网络改造，提高设备质 量，缩短检修时问，改革停电检修制度等方面入手，逐步推广“状态维护”。 这就使得供电企业维修策略必须由定周期维修方式向状态维修方式发展，而 在线监测是实施状态维修方式的技术保证和实施依据。 针对上述存在的问题，迫切需要建立一种信息全面、及时可靠的在线监 测系统，创建一体化数据平台，实现各监测设备信息的统一分析处理，从而 建立真正意义上的农网在线监测系统。 基于上述目的，本课题以沈阳市新城子区农电局为研究对象，结合目前 新城子区农电局级其管辖范围内所有变电站的实际情况，应用当前的最新的 高电压技术、计算机技术等，开发设计了一套农村电网在线监测系统，并进 行相应的数据库开发，基本上实现在线监测的网络化、系统化、智能化。 农村电网在线监测系统采用分布式结构，包括现场监测系统、变电站监 测中心和供电局管理中心系统三个子系统。各子系统之间在数据上相互联 系，功能上相互独立。本文叙述了系统的总体开发及各子系统的开发过程， 开发过程中遇到的难点及解决方案。该系统的实施有效的提高了农村电网的 榆修水平，为企业带来更丈的社会效益和经济效益。 本系统可以实现的功能包括以下几个方面： 系统能自动在线进行状态信号传感、采集、计算、通讯、存储、分析； 系统具备闽值自动设置、越限异常提示、趋势分析能力： 摘监 系统的投入和使翔不改变和影响电气设备的j f 常运行； 系统的监测数据具有合理的准确性、稳定性和i ，j 靠性； 系统采用多种通信方式传输数据：运用g p r s 技术、r s 一4 8 5 总线c a n 现场总线等建改稳定、高效的通信网络系统，实现数据的实时传输； 系统建立统的数据i f 台：建市综合数据平台，将通过多种通信方式 1 输过来的数掘集成在个统的、i c 台下，以统一的格式建市数据仓库。 关键词：农村电网；在线监测；g p r s ：r s 一4 8 5 总线：c a n 总线 沈l f 丌农业人学硕j ：学位论文 剐吾 高压输变电设备的安全运行是影响农村电网安全、稳定和经济运行的重 要因素，高压设备发生事故，不仅会造成设备本身损坏，而且还会造成多方 面的损失。据统计，“八五”期间，我囤农村电网中有设备故障而直接影响 系统安全运行的电网事故约占事故总量的2 6 3 。电压等级越来越高、设备 容量越来越大，使得每次检修的时间较长，不仅检修费用高，而且也影响供 电的可靠性。在电力市场环境下，用户对供电可靠性要求将越来越高，而由 设备故障或检修所造成的停电损失有时是相当呵观的。因此既要提高设备的 运行可靠性，又要确保较高的供电可靠率，这就对电力设备的维护提出了更 高的要求。 传统的定期检修存在试验周期长、强度大和有效性差等缺点，难以满足 农村电网对可靠性的要求，状态检修逐步代替定期检修已成为设备检修的必 然趋势。实现状态检修的前提条件是实现在线监测。在线监测可以提高高压 电气设备的利用率，有助于计划检修向状态检修转变，改善资产管理和设备 寿命估计，加强故障原因分析。因此，只有通过各种手段及时、准确地掌握 运行设备的状况，才能根据设备自身特点及变化趋势等来确定检修时问和检 修策略，进而实现真丁f 意义上的变电站无人值班和状态检修。 目前，我国电力设备在线监测系统主要有两种形式，一种是根据监测设 备需要而单独的、专门架设的系统，另一种是针对某种特定设备而设计的监 测系统。虽然应用这两种监测系统已收到了良好的效果，但仍存在一些问题。 第一种虽可以进行实时监测，但不能实行网上传输与远程监视，即对设备的 监测只局限于现场：第二种虽可以进行远程的实时监测，但不能在一个系统 内对所有类型的设备进行监测，这样就造成各系统的重复建立，浪费了大量 的物力财力。针对上述存在的问题，迫切需要建立一种信息全面、及时可靠 的在线监测系统，创建一体化数据平台，实现各监测设备信息的统一分析处 前言 理，从而建立真正意义卜的农村电网的综合在线监测系统。 基 i 卜述甘的，本课题以沈阳市新城子区农电局为研究划象，结合目 狮 新城予区农f 乜局级其管辖范围内所有变电站的实际情况，应用当前的最新的 高电压技术、计算机技术等，开发设计了套农村电网在线监测系统，并进 行午h 应的数据库开发，基本上实现在线监测的嘲络化、系统化、智能化。 沈l f 丌农业人学硕j ：学位论文 在线监测概述 电力系统是一个由众多发、送、输、配、用电设备连接而成的大系统， 这些设备的可靠性及运行状况直接决定蓑整个系统的稳定和安全，也决定着 供电质量和供电可靠性。检修是保证电力设备健康运行的必要手段，它关系 着设备的利用率、事故率、使用寿命、人力物力财力的消耗，以及电力企业 的整体效益等诸多问题。所以，做好电气设备的检修工作，发现事故隐患并 及时予以排除，使其始终以良好的状态投入运行，具有十分重要的意义。 随着电力工业的科技进步，电力系统中电力设备的检修体制和技术不断 发展。但随着电力系统向高电压、大容量、互联网的发展，以及用电部门要 求的提高，电力系统对其自身的安全可靠性指标的要求也越来越高，这种沿 用多年的计划检修体制暴露了严重的缺陷，如临时性维修频繁、维修不足或 维修过剩、盲目维修等，这使得国家每年的设备维修费用占电力成本的比例 不断提高。如何采取合理的维修策略和f 确决定维修计划，以保证在不降低 可靠性的前提下节省维修费用，便成为供电部门面临的重要课题。 提高供电可靠性的途径和措施应主要从加强供电网络改造，提高设备质 量，缩短检修时间，改革停电检修制度等方面入手，逐步推广“状态维护”。 这就使得供电企业维修策略必须出定周期维修方式向状态维修方式发展，而 在线监测是实施状态维修方式的技术保证和实施依据。 、必要性 目前，我国电气设备的检测工作，主要是按照电气设备预防性试验规 程的要求定期进行预防性试验。根据试验的结果来判断设备的运行状况， 从而确定其是否可以继续投入运行。长期以来，颦持预防性试验对我国电力 系统的安全运行起到了很大的作用，但随着工农业生产的发展和用电部门对 电力系统的安全可靠性指标要求的提高，这种传统的实验方法已显得越来越 不适应，主要表现在： n 线临测 l 【进 需要停电进行试验。在某些情况下，由于系统运行的要求，许多重要 的电力设备无法轻易停电，往往造成漏试验或超周期试验，这就导致难以及 时诊断出故障缺陷。 试验周期k 。预防性试验的周期一般为+ 年次或年两次，定时试 验1 i 能及时发现设备内部的故障隐患， 。些发展较快的故障很容易在两次规 定试验检修之问的时间发展成为事故。 试验州m 集i ，一l 一作量大。预防性试验祚往集一j 吖1 存、秋两季，山于 要存较短的时洲内完成大量设备的试验任务， 则劳动强度大，_ 一则难以对 每台设备都进行十分仔细的临测和诊断。 试验电压低，某些缺陷反应不够灵敏，诊断的存效性值得研究。传统 的预防性试验，试验r 乜压一般在i o k v 以下。随着系统i 乜压的提高，试验电 瓜与改备运行i 乜k 之f j l l , j 差距越来越人。山r 试验f 【l l 二低，。些般他的缺 陷不易被发现，而且停电后设备状态和运行中不致，试验中现场各类干扰 的影响也相应加大，甚至影, l a j 至j j 试验结果的准确性。在现场曾多次发f l 预防 性试验合格后不久，设备发生事故的情况。 无故障拆卸，容易引起新的事故隐患。由于检修：1 ：艺不高，有些本来 没有故障的正常设备，经拆卸进行预防性试验后重新组装时，反而引入新的 事故隐患。 基于以上五个原因，单靠传统的预防性试验已不能满足电力飞速发展的 要求。为了确保电力系统的安全运行，最大限度的降低事故率，迫切需要寻 求新的更加有效的设备监测方法，避免停电事故的发生。 经过不断试验，人们逐渐发现，状态检修可以解决卜述问题，达到电力 系统的要求。状态检修成为我国即将面临的先进的设备管理体制，面在线监 测是这一管理体制的技术保证和实施依据。 沈l f 丌农业人学硕j ：学位论文 二、在线监测技术应用现状 ( - - ) 在线监测技术原理 1 概念 在线监测是综合高电压、电子信息、测试、网络通信和嵌入式等多种先 进技术对高压设备的运行状态进行记录、分类和评估，为设备维护、维修提 供决策的综合性技术，是实现状态检修的前提条件。 ( 1 ) 在线监测与故障预报、故障诊断的关系 在实际应用中，故障预报、故障诊断与在线监测等几个概念在内容上没 有严格的界限，采用的方法也都是进行设备监测和数据分析，而且晟终日标 也是一致的。但它们的任务不尽相同。下面用概念和图示来表示它们的关系。 故障预报根据故障征兆，对可能发生故障的时间、位置和程度进行 预测。 故障诊断根掘故障特征，对已发生的故障进行定位和对故障发展程 度进行判断。 在线监测对设备的运行状态进行记录、分类和评估，为设备维护、 维修提供决策。 以上的概念是按故障发展的时间进程进行分类的，它们之间的关系如图 1 - 1 所示。 运行状态评估，维修决策 在线监测 故障前期发展过程故障发生 故障灾害 ( 故障征兆)( 故障特征) jb t ! 故障预报l 故障诊断| +。： 可能发生的故障的故障定位 何置、时问和程度故障程度 图1 - 1 按故障发展进程分类的故障处理方法 f i g 1 - 1m e t h o d sa c c o r d i n gt of a u l tp r o g r e s s 进程 矧1 1 2 表示了它们的理论依据。对故障的预测或预报必须建模和仿真， 咖故障珍断也需要划故障的机理进行分析和研究，0 i 能仪仪依靠信号处理的 方法，只分析敞障的外在表现，因而存在较大的难度。在线峪测主要依据信 号处理和模式识别对设备进行评估和判断，相刺容易实现。但是，也不能认 为预测或预报是最好的方法，而在线豁测只是一种初级的手段a 每一种方法 必须是和具体的对象，关键在于准确，要得到准确f 向理沦是不容易的。 2 原理 图1 - 2 故障预报、故障诊断和在线监测的依据 f i g 1 2b a s i so fp r e d i c t i o n ，d i a g n o s i sa n dm o n i t o r i n g 在线监测的基本原理可简述如下：1 ；乜气设备的劣化、缺陷的发艉虽然具 有统计性，发展速度也有快慢，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、化学等特性的少量渐进的变化，及时取得各种即 使是很微弱的信息通过处理和综合分析后，根掘其数值的大小及变化趋势， 可列没备的可靠性随蛘做出判断和对剩余寿命做出预测，从而能及早发现被 测设备的潜伏故障，必要时可提供预警或规定的操作。在线监测技术的特点 是可以对电气设备在运行状态下进行连续或随时监测与判断。 3 任务 在线监测包括以下任务： 为设备的运行情况积累资料和数掘，建立设备运行的历史档案； 6 一测一 一理别一 藏覃瑟广翻孥测嘉翌曼一一面生嘶荽磐 。一黻僻一 罹黼藩 沈l f 丌农业人学硕j ：学位论文 对设备运行状态处于正常还是异常做出判断，根据历史档案、运行状 态等级和已出现的事故特征或征兆，判断故障的性质和程度； 对设备的运行状态进行评估，并对这种评估进行分类。当一定标准形 成后，为状态检修的实施提供依据。 ( 二) 实施方式 1 方法 常见的电力设备在线监测方法有电气法、化学法、物理法、机械法和综 合法，见表卜l 。 表卜1 常见的电力设备在线监测方法 t a b l e l - lt h ec o m m o no n - l i n em o n i t o r i n gf o re q u i p m e n t s 2 项目 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 l 一2 所示。 3 主要实施方式 ( 1 ) 便携式在线监测结构形式 这种在线监测系统是将各种传感器安装于所监测的设备上，而将a d 转 换、c p u 及外围电路等集中于相应的便携仪器中，用来对所采集的参量计算、 n j 线脯删慨述 分析以判断设备状态。采用这种方式投资少、配置方便灵活，但缺少强大的 数据处理和软件分析功能，也难以实现实时陈测、远程监测和集巾管理。 表1 - 2 在线监测系统的主要项目 t a b l e l 一2t h em a i np r o j e c t so fo n - l i n em o n i t o r i n ge q u i p m e n t ss y s t e m s 监测设备 主要监测项目 u 力变i 器气相色谱分析、局部放i 也、铁：苍接地电流 窬性设符泄漏电流、等俯电容( 1 、介质损耗t a n6 、气相色谱分析 剐禾s 鑫毒? 帚嚣霎震：乏揣描器戮j ： 、速度。猁、 氧化锌避甫器 泄漏l 乜流、阻性电流、蛙波i u 流、 绝缘j ， 电力l u 缆 舭洲环境 “l ；电流、接头温度 现场环境温度、湿度 ( 2 ) 集中式在线监测结构形式 这种t 结构形式主要由信号采集部分、信号传输部分、a d 转换及数据处 理部分和专家管理系统组成。采用不同档次的计算机，在被测设备j 二装设各 种传感器( 电流、电压、温度、湿度等) ，集中采集不同的模拟量，通过大 量的屏蔽电缆将微弱的模拟信弓导入多路选择歹r 关，通过选择开关将信号传 入数字波形装置进行模数转换，然后由主机进行集中监测和信号处理。为减 少电缆的用量，有的集中式在线监测装置采用总线式工作方式，将变电设备 按地理位置分为若干个区域，分别进行信号采集和选择，然后通过一根特殊 设计的多- 卷屏蔽总线电缆把选择的模拟信号传入主机，由主机进行循环监测 和处理。集巾式在监测系统检测设备多、项目广，但是存在模拟信号在长距 离传输后易导致失真的问题，现场： 作量大、维修困难。 ( 3 ) 分层( 级) 分布多c p u 结构形式 沈l f 丌农业人学硕j ：学位论文 为了解决模拟信号在长距离传输后所导致的失真问题，现在倾向于将微 弱的模拟信号就地进行a d 转换，采用现场总线技术，由主机进行循环龉测 及处理。 分层( 缴) 分布多c p u 结构采用的就是模块化结构和现场总线控制技术。 它由安装在变电站内的数据采集及处理系统和安装在主控室内的数据分析 和诊断系统共同组成，通过公共电话网络，把若干个变电站的监测数据江集 到位于供电企业相关管理部门的数据管理系统，实现对多个变电站内的电气 设备状态的实时在线监测。 一般来说，整个分层( 级) 分布多c p u 结构分为4 层：本地模块层、通 信模块层、主控模块层、局管模块层。每一层完成不同的功能，各由不同的 设备或子系统组成。各子系统独立工作，层次和功能清晰，有利于模块化设 计，现场维护和故障处理较为方便。这种在线监测系统可用于无人值班变电 站。 各层之问采用数字传输技术，信号不易失真：计算就地完成，减少了数 据的传输量和主控模块的工作量，同时可实施就地监测；采用现场总线，传 输数据的电缆仅用l 根，且系统的开放性和扩展性好；但成本较高。 ( 三) 特点 随着电力工业的发展，对电气设备在线状态的监测显得越来越重要。离 线测量方法对电力设备制造部门、对电力设备的计划性试验来说，是必不可 少的，但对电力系统中运行的设备来说，要想及时了解电力设备的运行状态， 在线监测有着它独特的优点，其特点如下： 有一个能反映设备状态的参数( 离线的和在线的、历史的和实时的) ， 及时反映电力设备的运行状态 有一个规定的阂值或概念明确的判据，以判断设备是否需要检修 投入和使用不改变和影响电气设备的正常运行，减少损失 9 托线崎测概述 在线监测技术的推广有利于检修状态从定期检修向更合理的状态检 修的过渡 与预防性试验相比，在线监测不再以时间为依据进行常规的定划检测试 验与维修，而是着眼于追踪监测每台设备具体运行状态的发展、变化情况， 对设备的历史运行检修状态和连续监测数据进行蠊测，分析其趋势加1 以预测 珍断确定的。在线监测可以提高高压电气设备的利用率，有助丁计划检修向 状态检修转变，改善资产管理和设备寿命仆计，加强故障原因分析。因此， 只有通过各种手段及时、准确地掌握运行设备的状况，才能根掘没备自身特 点及变化趋势等来确定检修时间和榆修策略，进而实现真诈意义上的变电站 无人值班和状态检修。 三、发展状况及存在问题 ( 一) 发展状况 臼有检修以来，至今大致可分为i 个阶段，或者说经历了两次段革。第 阶段是指第次世界大战前，基本上是在设备发生了敞障后i 。进行检修， 即被动检修方式。第二阶段，就世界范围而占，可以说是延续到七卜年代， 榆修特征是实施预防性检修，即按事先规定的时问进行大修。从第：阶段转 变到第三阶段的检修方法，就是要以一利i 革新的观点和策略，成为以可靠性 为中心的检修，来取代以往的定期预防性检修，并辅之以预测性检修，也称 之为状态检修。检修的时间间隔是根据对设备的历史运行检修状态和连续监 测数据，分析其趋势加以预测诊断确定的。其中在线监测定义为在线的数据 采集，包括传感器、测量及数字信号处理技术：诊断定义为对所有在线和离 线数据的全面判断。 随着信息技术、模式识别技术、神经网络技术、新材料技术等的发展， 电气设备从现行的计划检修向状态检修转变已成为必然趋势。在线监测是电 气设备从传统管理模式过渡到状态检修管理模式的技术支持。电力系统电气 1 0 沈l f 丌农业人学硕j ：学位论文 设备在线监测技术的发展，大体上经历了以下三个阶段： 带电测试阶段 这一阶段起始于7 0 年代左右，当时人们仅仅是为了不停电而对电气设 备的某些绝缘参数( 主要是泄漏电流) 进行直接测量。其结构简单，测试项 目极少，而且要求被试设各对地绝缘，测试的灵敏度较差，所以应用范围较 小，未能得到普及应用。 从8 0 年代开始，出现了各种专 j 的带电测试仪器，是在线监测技术 开始从传统的模拟量测试走向数字化测量，摆脱将测试仪器直接接入测试回 路中的传统测量模式，而代之以利用传感器将被测量转换成数字仪器可直接 测量的电气信号。同时还出现了+ 螳其他通过非电量测量来反映设备状况的 测试仪器，如远红外装蜀、超声装置等。 从9 0 年代开始，出现了以数字波形采集和处理技术为核心的微机多 功能在线监测系统。利用先进的传感器、计算机、数字波形采集和处理等高 新技术，实现更多的状态参数( 如介质损失角正切值、电容量、泄漏电流、 局部放电、色谱等) 在线监测。这种监测系统可以实掩连续的巡回监测各被 测量，因此，监测内容丰富、信息量大、处理速度快，对监测结果可显示、 存储、打印、远传及越限报警，实现在线监测的全部自动化，代表了当今在 线监测的发展方向。 ( 二) 存在问题 根据全国部分省、市电业局、电力试验研究所共3 0 个单位提供的5 7 个 变电所安装的各种在线监测系统或装置的运行情况，发现存在以下问题： 在线监测系统本身运行可靠性不十分稳定。5 7 个变电站的集中型在线 监测系统运行正常或比较正常的只占2 9 8 ，而确定不能f 常使用的系统约 占3 5 。问题主要集中在装置本身质量问题，如元件性能不稳定，实效或破 损：装置抗干扰性能较差，抗外界因素如温度、湿度变化的能力差；装置整 n 线瓶测械述 体运行可靠性差，测量数据不稳定，起不到妊测设备运行状况的作用。 运行人员缺乏操作、管理水“t 也是造成装置不能正常运行的原因。如 系统电源掉电或插头松脱，运行人员未能及时恢复，系统得4 - n 应有的维护， 使得本来很容易解决的问题复杂化。 在线监测系统功能需进一步完善和提高。经过儿年的运行，已经暴露 山眦临测系统的设计问题，需要结合在线监测的特点从技术角度综合考虑 进步提高j 。品的稳定性和准确性，保征传感器本身质量及现场测屋l | 的可 靠性，0 。能得到更好的效果。 四、发展趋势 随稽在线监测技术的不断发展，高压n 气改备在线监测技术必将向更高 阶段发展，实现全自动在线监测系统与诊断系统的完美结合，向状态检修过 渡，从丽构成智能化高压电气绝缘的预 j 性状态检修系统，并将其纳入整个 咆的r _ i 动化系统，是电力设嵛检修改革的发展趋势。检修的时问削隔是根 掘设备的历史运行检修状态利连续豁测数据，分析其变化趋势加以预测诊断 确定的。其方向为： 先进监测技术、手段、设备的研制丌发，广泛采用高可靠性监测设备： h 单纯的监测向监测、诊断、管理、管理系统化，集成化发展，真接 服务于设备状态检修： 集中式监测系统向集中分散诊断系统发展； 人工智能诊断系统开发( 专家系统、神经网络、模糊集) ； 预测技术( 剩余寿命评估) 的升发及应_ e f = | ； 没备珍断理论和诊断方法的研究，敞障机理的研究，诊断数据的形成 和完善。 沈l f 丌农业人学硕j ：学位论文 高压电气设备的在线监测 一、概述 电气设备在运行中经常承受电力负荷和机械负荷的冲击，这些冲击均刈+ 电气设备的电气特性、绝缘水平、电气寿命造成影响。为保证电气设备的安 全运行，做好设备的运行和监测管理工作是十分重要的，这也是确保供电可 靠性和提高供用电双方经济效益的有力保证。 由于这些设备种类繁多，结构各异，其相应的在线监测项目也各有不同。 图2 - l 给出了电气设备在线监测系统的运行情况。根据不同设备的特点，目 前我国电力系统电气设备在线监测的项目主要包括变压器、容性设备、断路 器、m o a 避雷器和电力线路等。 图2 - 1 电气设备在线监测系统 f i g 2 1t h e0 1 1 一l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo f e l e c t r i ce q u i p m e n t s 电气设备的在线监测研究 ( 一) 电力变压器 电力变压器是农村电网不可或缺的重要设备，变压器状态的好坏，对农 1 3 l 衙j i i l u 气漱符的n ：线骱测 村电嘲的安全运行有着重要的影响。山于电力系统运行具有特殊件，其要求 变j 1 二器必须连续i f 常的工作。几十年来电力系统对变压器的j 临测。i 置沿用定 划进行预防性试验的方法和制度。这种传统的做法由于采用定期维修，容易 出现检修不足或检修过剩，并且还需要变压器停运离线进行。随着电力系统 推jj ：的有计划检修到状态检修的过渡，传统的离线分析方法已巧i 适用电网运 行的要求。冈此，迫切需要采用在线监测技术实现对变压器的实时监测。日 阿划电力变压器比较有效的在线监测力法主要有：汕中气体含量利用化学方 法神。线躲测；变压器局部放电在线监测和铁：薛多点接地利用电气方法_ 1 1 1 l 二线监 测等。 1 油中溶解气体分析 j 0 运行中的大型电力变压器，绝大多数是油浸变l j i 器。油与绝缘纸等 绝缘利翱 样，伍热、f 包、水等多种凶素的1 4 1j i jf ，容易逐渐裂解变质。汕 - 扣溶斛气体分析方法就是利用设备内部不同的故障会产生不同的气体，通过 分析油i 斗气体的成分、含量和捌对百分比，达到设备监洲的目的。这种方法 l _ ：! i 绛成为含汕设祷在线j 监测的晟常用的方法之 。 基于实验室中的油中气体分析方法主要依据变压器的类型或运行时间 周期性地刘变压器进行停运试验，某_ j 发生较短的故障在两次定期取样期间 有可能搽测不到。油中溶解气体分析方法与目前基于实验室中的离线监测方 法栩比摄大的优点在于无需停运变压器，而且在变压器发生故障的初期就 可咀监测到早期的潜伏性故障征兆，有助于用户尽可能采取正确的检修措 施。 绝缘油存加热到高温时，能分解出h 2 、c 1 1 4 、c 2 h 2 、c 2 h 6 等气体，而绝 缘纸等植物纤维素在高温下分斛生成的气体中，碳氢化台物含量很少，而以 c o 、c 0 2 为主。油纸在不同故障类型中所产生的气体见表2 1 。 山于不同故障类型所产生的气体的组分有所不同，因此分析各种气体的 目的也就有很大差别，表2 2 为其简单理由。 1 4 沈l f 丌农业人学硕j ：学位论文 表2 - 1 不同故障类型所产生的气体 t a b l e 2 1t h eg a sp r o d u c e dw i t hd i f f e r e n tf a u i t s 故障的类型 主要气体组分次要气体组分 油温过热 c h 4 、c 2 h 4h ”c ，h 。 油及纸温度过热 油纸中局部放电 油中火花放电 油中电弧 油纸中电弧 受潮或油有气泡 c h 4 、c 2 h 4 、c o 、c 0 2h 2 、c 2 h 6 h 2 、c 2 h 2 、c 2 h 4 、c o c 2 h 6 、c 0 2 h 2 、c 2 h 2 h 2 、c 2 h 2 c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h 6 h 2 、c 2 h 2 、c o 、c 0 2 c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h 6 h 2 表2 - 2 分析气体组分的主要目的 t a b l e 2 2t h em a i np u r p o s eo fa n a l y z i n gt h eg a s 气体组分分析该气体的主要目的 o ， n ， h ， c o c o ， c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h 6 c 2 h 2 了解密封、脱气情况；过热严重使仉少 了解充氮的饱和程度 了解热源温度、有无受潮、局部放电 了解同体绝缘是否热分解 了解同体绝缘的老化程度、温度是否过高 了解热源温度 了解有无放电及高温热源 虽然油中溶解气体在线监测技术对设备长期老化状态反映较为准确，有 一定的标准可以作分析对比，但这种方法存在滞后效应大的缺点，且对于放 电性故障与雷电操作过电压或外部短路导致的故障未必能有效反映。 2 局部放电 局部放电是变压器有机绝缘逐渐老化并最终被击穿的主要原因，其放电 1 5 高压1 u 气设备的在线监测 水平及增长率的明显增加，能够指示变压器内部发q i 的变化。大量统计资料 表叫，影l 向变压器可靠性的关键因素是绝缘性能的劣化，其中个重要特征 是局部放电信号的变化，汕中溶解气体分析方法可以从个方而反映局部放 u ，而专门对局部放电进行测量也是设备在线监测的个重要内容，很多故 障都呵以从放f 乜量和放电模式的变化中反映出来。因此剥变压器局部放电参 数进行j i 矗测是预防变压器发生突发性事故的最有效手段之 。 【l j 于变压器产生局部放电时，4 i 仅出现i 乜气信息，而且也有声、光、热 等非电信息，凶此测量局部放电的方法也有多种。常用的畸测方法分电气测 量法j j | = | i 非电测量法两大类： ( 1 ) 电气测量法：包括高频脉冲电流法矛介质损耗法等。 高频脉冲电流法早期被英国电气研究协会所采州，后为i e c 所推荐，目 i 口扫：吐界上应用很7 、。采用高频脉冲电流法时，通过变压器高压套管抹i f 及 铁芯接地线上安装传感器来获敬电脉冲信号，组成“差动、f 衡对”。变压器 内部发生局放时，局放信号在两传感器中产生的脉冲电流应极性桐反；而外 部1 二扰信号在两传感器中产生的脉冲电流极性相同，采用软件实现差动平 衡，从而实现共模干扰抑制。应用现代信号处理技术滤除监测信号中的周期 性干扰以及随机_ = r 扰，并准确区分内、外放电脉冲。这种方法灵敏度高，也 易于定量，但方法较复杂。 介质损耗法的方法是测量被测设备的t a n 5 值随外施电压的变化。这种方 法虽然简便但灵敏度低，被测设备愈大时，由局部区域局部放电损耗引起的 总损耗增大愈不显著。 ( 2 ) 非电测量法：包括光学法、超声波法等。 光学法可以较直观的观测到变压器的局部放电情况，但灵敏度不高。 超声波法虽抗干扰性能好，在现场等于扰性强的场合下尤为合适，但灵 敏度不高，且难以校正定量。 此外，还有一种方法就是将电气法与超声波法结合的电一一超声联合 沈l f 丌农业人学硕j ：学位论文 法。这种方法利用变压器内部局部放电产生的电脉冲信号的监测来确定局部 放电量的大小，另方面利用局部放电产生的声信号确定放电的位置，从而 实现局部放电的监测和定位。电超声联合法是一种很有前途的试验手 段，只是目前该测试仪的性能尚不能令人满意，很难精确定位局部放电电源 和确定放电对绝缘的危害程度。 3 铁芯多点接地 对于箱内有异物、铁芯绝缘受潮或损伤、油箱沉积油泥等铁芯多点接地 类型的故障般采用电气法，即测量地线是否有电流产生。正常一点接地时， 无回路电流，地线上电流值一+ 半小于l a 或等于零，而多点接地时，铁芯主 磁通周围有短路匝存在，匝内出现环流，其值决定于故障点与正常接地点的 距离，即包围磁通的多少。 因此，综合运用以上三种技术，并结合其他常规参量进行综合在线监测， 可以全面反映变压器的运行状况。 ( 二) 容性设备 容性高压设备在电力系统中占很大比例，其状态是否良好直接关系到整 个系统能否安全运行，监测其运行状况十分重要。容性高压设备主要包括高 压电容式套管、耦合电容器( o y ) 、电容式电流互感器( t a ) 和电容型电压互 感器( c v t ) 等，这些设备约占变电站设备总量的4 0 5 0 ，在变电站中具 有举足轻重的作用。这些设备的故障不仅影响整个变电站的安全运行，同时 危及其它设备和人身的安全，因此对其运行状况进行在线监测具有十分重要 的意义。 交流电压作用下容性设备的运行特性如图2 - 2 所示。流过介质的电流， 由容性电流分量厶和有功电流分量厶组成，通常协厶。 1 电容量c 的测量 采样流经设备的电流和设备的二端电压，求得电流、电压的有效值厶、 - 面h i l u 气设备的钔线脯删 ，。监测装置同时测量t 频电压的频率f 。设备的电容量c 可由公式 c = ( ，。t a n d ) ( 2 z j u ) * 1 ( 2 硎) 求得。实际上，当t a n g 小于0 1 时，按近似式算得的电容量的误差可以忽略。 圈2 - 2 容性设备等值电路与向量图 f i g 2 - 2 f h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta n dp h a s o rd i a g r a mo fc a p a c i t i v ee q u i p m e n t 2 介质损耗t a n g 的测量 介质损耗角正七u 值t a n g 即介质损耗因数，足“个无量纲的量，可以反映 介质损耗程度的特钲值。t a n 6 只耿决于本身材料的特性，i 面与捌料尺、彤 状、结构无关，所以t a n g 作为反映设备运行状况的参数是非常合适的。 但t a n 5 在故障过程中并不是按统一规律变化的，故监测屯容试品时并非 所有损坏都能此法榆出。而且由于影响此方法的因素较多，在全工况下长期 运行，t a n 8 由于介质的温度、湿度、内部有无气泡、缺陷部分体积大小等因 素的影响会有所增加，使测量结果分散性较大、数据重复性差，造成设备内 部发生局部放电或局部缺陷。一般地说，当电容器内部发生局部放电或局部 过热时，将导致介质损失角t a n k 增大，这种情况可通过对油中溶解气体分析 作进一步的判断。 所以t a n 8 对早期局部缺陷反映灵敏。 3 交流泄漏电流l 的测量 研究和大量实验充分证明，监测交流泄漏电流i 可以灵敏反映容性设备 的整体受潮程度，但山于外施电压的波动和温度的影【l 眦泄漏f 乜流不稳定。 沈l f 丌农业人学硕j ：学位论文 4 油中溶解气体分析 容性设备内部各接头接触是否良好，有无局部发热，及因加工工艺或其 他原因产生的局部放电，电容器内部绝缘闪络等，用测量介质损耗t a n 6 和交 流泄漏电流方法往往很难判断，而用油中溶解气体分析方法，可以监测出容 性设备故障的性质。表2 3 列出了有中溶解气体分析时容性设备的气体组分。 表2 _ 3 容性设各内部故障的气体组分 t a b l e 2 - 3t h eg a s e sc o n s t i t u t e so fi n t e r n a lw r o n gi nc a p a c i t ye q u i p m e n t 但油中溶解气体分析法适合丁设备损坏前局部放电或电弧存在较长时 问时监测。损坏进展较快时，油中溶解气体分析法监测不准确。 因此，监测容型设备的交流泄漏电流i 、等值电容c 、介质损耗t a n 5 ， 并运用油中溶解气体方法对容型设备进行分析，及时掌握这些设备的运行状 况，并根据同类设备的横向比较、同设备的纵向比较，掌握设备远行特性 的发展趋势，可以及早发现潜伏故障，提出预警，避免发生严重事故。 ( 三) 高压断路器 有关统计表明，变电站一半以上的维护费是花在高压断路器上，而其中 6 0 又是用于断路器的例行检修上。另据统计，1 0 的断路器故障是由于不正 确的检修所致，断路器的大修完全解体，既费时间，费用也很高，而儿解体 和重新装配会引起很多新的缺陷。因此，对高笨断路器实施在线监测，及时 了解断路器的运行状态，掌握其运行特性及变化趋势，对降低设备故障率， l 角北乜气改薪的在线监测 提高农村电网的安全性和经济性具有十分重要的意义。 高压断路器在线监测系统蚪j 于变电站、，1 ：闭所、电厂商压断路器的机械 性能、电气绝缘性能、触头电气寿命的检测，通过综合分析在线监测的数据 和相关历史数据，判断出高压断路器当前的工作状态，为电气设备状态检修 提供决策依据。 高压断路器峪测项f 1 包括3 个方面：机械寿命、电气寿命、绝缘寿命。 此外，真空断路器还应进行真空度在线监测。 1 机械寿命的监测 国际大电网会议对高压断路器的可靠性所竹：的两次世界范围的调查以 及我国对高胍开关事故的统计分析均表明，8 0 的高压断路器故障是由于机 械特性不良造成的，所以对高压断路器的机械寿命进行监测显得尤为重要。 目前监测断路器机械寿命的主要通过表2 - 4 来实现： 表2 - 4 监测断路器机械寿命的主要项目及目的 t a b l e 2 4t h em a i ni t e m sa n dt h ea i m sonm o n i t o r i n gm e c h a n i c a ll i f e 监测项目 分析各项目目的 台( 分) 闸线圈回路监测操动机车 ：| 控制同路是否完蚶，有无断线 暮娑影戤燕雾拶淼嚣鬻鬻蒜霎 合闸弹簧状态监测合闸弹簧机构的弹簧压缩i ：作情况 断路器动作过程中的监测其机构部分的卡滞，机构运动零件脱落，缓冲器性能，运 机械振动动过程中有无非正常碰撞等 断路操作次数统f 筹裟要路器是否达到规定机械寿命次数或达到需要进行维修 沈l f 丌农业人学硕j ：学位论文 2 电气寿命的监测 高压断路器的电气寿命指断路器的灭弧室、灭弧介质、触头的烧损程度， 电气寿命主要取决于触头的电磨损，触头的电磨损又取决于电弧能量即丌断 电流和燃弧时间。大量实验结果表明，从断路器累计电磨损的角度考虑，虽 然燃弧时间的长短对单次开断是随机的，但对多次开断，其平均燃弧时间是 趋近的( 2 0 次开断与3 0 次开断的平均燃弧时间有几乎相同的标准差) ，即随 机烈素对燃弧时间分散性及是否为首丌相的影响从累计角度来考虑可以忽 略不计，也就是说，断路器的电磨损可以用丌断电流作参考量。因此，目前 我国断路器的检修工艺对灭弧室解体检修的规定是以年限或某种等级的丌 断电流次数。也就是说，检修周期或临修次数与累计开断电流的大小有关。 但是即使如此，单以累计开断电流作为判断触头健康状态的依据也并不 是f 分准确的。因为同一台断路器，虽然累计开断电流相同，但若单次开断 电流相差悬殊，则触头的磨损程度会相差很大。因为对于一个断路器来说， 其丌断电流是很随机的，不可能只开断一个或某几个等级的电流，累计电流 和检修工艺中的定性规定都不能有效地反映触头的烧损情况。 针对这一问题，采用触头累计摩损量作为判断断路器电气寿命的依据。 利用任意开断电流下的等效磨损曲线，累计每次电流开断所对应的相对电磨 损，每台断路器的允许电磨损总量由其额定开断电流和燃弧电流及允许开断 满容量次数标定。 无论何种型号的断路器，都可以从其产品介绍中得知其额定开断电流所 允许开断次数。首先定义一台全新的断路器的触头允许磨损量为1 0 0 ，既 相对电气寿命为l 。则每次额定开断电流开断时的相对磨损为1 n ，再根据 不同断路器的n i 。曲线( 电气寿命曲线) ，即可求出任意开断电流下的相对 磨损量。 2 l 岛性，u 气垃器的靠戡豁测 1 0 一 一1 巅 骑 敝 接 淞 1 1 f 2 图2 - 3 断路器的n - i b l 曲线图 f i g 2 - 3t h en l bc u r v eo fc i r c u i tb r e a k e r s 不火弧介质的断路器有不同的等效磨损量。目前我国大多采用s f 、6 断 路器和真空断路器，本系统对s f 6 断路器和真空断路器实施触头电气寿命监 测( j r 丌断电流小到3 额定丌断电流时，磨损量相对于一次满容量开断的 磨损景已经甚微，故小于3 的歼断电流都视作3 的额定电流来汁算磨损 量) 。 ( 1 ) s f 6 断路器相对电磨损量q 。 q 。= 1 59 4 7 5 x ( o 3 5 x i n i b ) 。】n 0 15 i n s i b o ，3 5 1 n q 。= u 3 2 5 x ( o ，5 x i n i b ) 4 】n i b 三0 3 5 1 s 式中i n 额定开断电流： 1 b 任一次于i ：断电流； q 。对应开断电流i h 时的触头相对电磨损量； n 常数，与触头材料有关，在l 2 之间取值，一般取2 ： p 常数，与触头材料有关，在】2 之间取值，全新断路器的值 取2 ： ( 2 ) 真空断路器相对电磨损量q 。 对于任一丌断电流i b ，根据表2 5 通过线性差值的方法可求出对应的相 沈i f f l 农业人学硕上学位论文 对电磨损q 。 表2 - 5 真空断路器的相对电磨损 t a b l e 2 5t h er e l a t i v ee l e c t r i c a ll o s so f v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r s 本系统采用的标定方法是建立在累积效应和统计平均的基础上的。由于 燃弧时间及其它随时因素的影响，对任一次开断电流来说，上述所得的电磨 损可能是不准确的。但大量的试验及运行经验证明，当丌断次数达到一定值 后，其平均燃弧时间是趋近的，即随机因素对燃弧时间分散性的影响从累计 的角度考虑是可以被忽略不计的。因而对断路器使用寿命期间的成卣上千次 开断而言，只需考虑每次所开断的电流量。 3 绝缘寿命的监测 断路器在制造、运输、安装、运行、检修等过程中不可避免地会造成绝 缘损伤，特别是在长期运行过程中，受到电场、热场、机械应力、化学腐蚀 及环境条件等的影响，绝缘的品质逐渐老化，最终导致断路器绝缘水平的下 降。 绝缘寿命可由泄漏电流监测或由燃弧时间间接表征。当燃弧时间过长 时，灭弧室绝缘性能可能下降，具体还应考虑s f 6 断路器的s f 6 气体密度或 真空断路器的真空度等参量。 4 真空断路器的真空度 ( 1 ) 真空阀压力与闪络电压的关系 当真宅阀内的压力由大气压状态逐渐降低时，起初绝缘强度随着降低， 但进一步降低压力时，绝缘强度又重新升高，当真空度为1 3 3 1 3 3 p a 时，即 闪络电压最低，当真空度为】3 3 x l o 之p a 以下时，绝缘强度( 闪络电压) 大致 不变。这种随压力下降绝缘强度先是下降后又上升的变化关系符合帕邢定 2 3 商慷i u 气设符的n 戡腧删 大 气 、 、 真空阀内部压力t o n 1 t o r p l3 33 2 2 p a 图2 4 真空阀气压力与闪络电压的关系 f i g 2 4t i l er e l a t i o no ft h ev a c u u mv a l v ea n dd i s c h a r g ev o l t a g e ( 2 ) 真空度在线监测 真空断路器的真空度一般采用中间电位变化监测法，它的i 一作原理是基 于上述的辉光放i 乜区域中的帕邢曲线范围即真空度下降其发生i j 络的电压 值电f 降的现象。 监测方法是：真空灭弧室多数具有巾间保护屏( 浮动电位保护屏) ，当 真空度降低叫，真空灭弧室的中问保护屏电位会发生变化，所以如直接将电 容器等接在中间保护屏卜，就可以监测通过该电容的放电电压，并利用电位 变化监测传感器中问保护屏电位的变化( 电场变化) 。 ( 四) 氧化锌避雷器 氧化锌避雷器是一种新型保护器，具有良好的非线性特性，j 泛应用于 过电压保护。在低电压( 系统电压) 下，流过避雷器的电流仅为微安级，所 以氧化锌避雷器已逐步取代了有间隙的阀型避雷器。但山于取消了放电间 隙，氧化锌阀片将因长期直接承受工频电压作j b 而产生劣化现象，t j 起避雷 器电阻特性的变化和泄漏电流的增加。此外，当氧化锌避雷器结构不良、密 封不严而便避雷器内部构件和阀片受潮时，也会导致运行中避雷器泄漏电流 的增大。其中泄漏电流中的阻性电流分量急剧增加，导致阀片温度上升而发 0 0 o 0 净笆吲删臻匿u 图见俸 沈i f f l 农业人学硕上学位论文 生热崩溃，造成避雷器爆炸事故。因此，为了确保氧化锌避雷器正常工作， 采用合理的方法对其迸行在线监测，以便能实时连续、有效地了解其运行状 况，为氧化锌避雷器的安全运行提供保证。 基于这些特点，目前氧化锌避雷器在线监测主要有以下四种方法，其中 谐波分析法是采用数字化测量和谐波分析技术，把丰富的软件技术用于氧化 锌避雷器的在线监测中，大大减少了结构复杂的硬件电路，使测量方法简化。 根据需要测出泄漏电流中的阻性电流基波峰值、全阻性电流峰值等多项参数 值，为监测氧化锌避雷器的性能提供了有效数据。这是当前值得推广的一种 在线监测方法。 1 全泄漏电流法i 、 由于氧化锌避雷器的