高压电力设备绝缘在线监测与诊断技术.doc

电容型设备绝缘在线自动检测系统可 行 性 研 究 报 告一、 项目必要性分析1、项目研究开发的目的意义随着输变电线路污染逐年加重，电磁环境日趋恶化，污闪等事故不断发生，严重的威胁着电力系统的安全运行，据权威部门统计，绝缘污闪事故仅次于雷击居电网事故的第二位，而损失确是雷击事故的确10倍以上，经常造成大面积，长时间停电，给社会造成的间接损失更为严重。介质损耗Ten的在线测量是发现电气绝缘缺陷最有效的手段之一，可即时发现各种电容型设备的绝缘缺陷，如：绝缘受潮、老化变质、绝缘中气隙（损坏造成的）放电等，以便及时发现抢修，避免事故的发生。因此80年代的以来，我国陆续生产并在大型变电站中安装了此类设备，到目前为止约有60余套，但由于受到环境温度、湿度及交流电压、频率变化的影响，尤其是近年来随着电力电子器件（大功率、开关器件）的大规模使用，电磁干扰急剧增加等造成大部分设备已无法运行，据北京电业局、清华大学等单位的调查结果，目前只有30%左右的还在运行。我所在与电力企业多年的合作中逐步了解到输变电过程安全生产以及定期检定中存在的这些问题，在综合了现有的技术手段和利用了我所已有和正在开发的技术成果的条件下，开始了该项目筹备工作。本项目涉及的关键技术和核心工作内容，在本单位大部分已具有了相当的基础或阶段性成果。其中，数字模拟混合乘法器技术、脉宽调制滤波技术及90数字移相器、故障诊断专家系统等都是首次在该类系统中应用，均有独立的知识产权。由于我所在国家“六五”“十五”期间承担了多项国家科技攻关及机械工业技术发展基金等项目，尤其是“输变电设备故障诊断系统”的开发为本项目的环境和设备条件方面提供一定的积累。同时本单位已投资20余万元，对关键技术进行了预研究，加之所内国家电工仪器仪表质量监督检验中心、国家电工仪器仪表进出口商品检验实验室也为项目的性能测试和相关试验提供了方便的条件。为解决以上问题，特立项进行“电容型设备绝缘在线自动监测系统”的研究。2、用途和应用领域该系统主要用于电力系统电容型设备的绝缘在线自动监测，并通过对介质损耗的测量、分析及计算机处理等，发现这些设备在运行中绝缘受潮、老化变质和气隙放电等，以便即时抢修避免因此而造成的损失。二、 项目技术可行性分析1、国内外水平及发展趋势我国大约在80年代开始研究并生产“电容型设备绝缘在线监测系统”，现在大约有60多个变电站安装了此类设备，其中正常或基本正常的不到30%，37%左右的已经坏了，33%左右的使用单位反映存在以下问题：a. 测量结果不准，稳定性和重复性差。b. 信号检测采集部分经常出故障。c. 抗干扰能力差，抗温、湿度变化的能力差，经常丢数据，严重时连操作软件都被冲掉，需经常重装系统软件。总之这些装置很难满足现场监测的要求（来自北京供电局，清华大学电机系的调查结果）。产生上述问题的主要原因是：a. 电磁兼容问题，现有的产品受当时的技术水平限制，基本上没有进行专门的电磁兼容设计，而随着电力电子器件大量使用，电磁环境日趋严重，使得这些设备难以正常工作，尤其是数据的可靠性大幅降低。b.在测量方法上因处于研制开发阶段，每家的产品各有所长，模拟、数字、DSP都有，但其共同的局限性是抗谐波干扰和抗电网工频强场（同频干扰）的能力较差。特别是当外界同频干扰对电压和电流两个取样通道的干扰不平衡时，表现有为明显，导致其环境适应性很差。很多设备在这个变电站正常，而用在另一个变电站就无法运行。总之，国内电容型设备的绝缘在线测量技术还处于起步阶段，有很多问题，需在进一步研究开发中解决。国外尤其是发达国家的电网品质比我们好很多，在谐波含量、功率因数及电磁干扰等方面都比我们的情况好，因此他们的产品一般不适应我国的变电站使用，目前一些直接引进的产品在变电站的运行情况就说明了这点，这些产品的抗干扰能力有时还没有国产的好，这主要是因为他们在设计和生产时并没有考虑我国现场条件的特殊性。良好的电磁兼容性和抗干扰能力以及可靠的数据传输，是国内外该类产品力求达到的目标。在技术上正向着数摸结合。电磁兼容专向设计的方向发展，我们正式采用了这样一条研究开发路线在进行该产品的开发。2、国内技术引进情况在上一章已经提到了由于电磁环境的差别，国外产品不很适合我国的变电站环境，目前国内只有部分产品引进，但都不很成功，还没有进行全面的技术引进，但在开发中正在采用国际上的一些先进技术及发展方向。3、主要研究试验内容该项目的最终目标是完成电容式设备绝缘在线测量系统的开发研制并投产。其中关键技术：a.采样传感器 b.采样处理电路 c.数字模拟混合乘法器及矢量测量技术的研究 d.电磁兼容性及抗干扰设计 e.温度适应性的研究（工作温度范围-4555） f.故障处理专家系统（软件）。4、技术方案可行性分析我所多年来一直从事电测技术的研究，且在立项前通过调研，在使用单位的配合下对现场使用情况进行较详细调查、分析。结合现场情况，并经过一年多专项试验，公式推导，计算机仿真等，完成了如图41所示的技术方案。方案采用多点现场采样处理成数据量，再传输数据到位于变电站控制室的系统处理中心进行集中处理。电压从电压互感器二次端采取，经现场滤波、放大、处理后，远传到设备使用现场，电流采用现场采样，现场处理，这两个信号再经绝缘测量处理单元测得介质损耗并转换成数据量后，经传输接口单元远传到系统处理中心进行显示、存储、事故分析及报警等。a. 电压采样源于电网电压互感器二次，一般有相移，这个相移的补偿是第一个关键技术。b. 电容型设备接地线漏电流很小一般为mA以下，且干扰很大是信号的数倍，这个信号的采样是本课题最关键技之一，现有产品多数由于采取的滤波处理方法及传输等不当，得到的波形很难反映真实情况，所以，测量准确度及可靠性一般很差。针对这种特殊情况，我们充分发挥数字模拟混合乘法器的优点，由计算机仿真出一组标准正弦波调宽数据存入存储器，同时把采样电流信号也调制成脉宽波，并和标准数据进行比较滤波后，从数倍的干扰中，得到真正的漏电流数据，再把这个数据和电压模拟信号送入绝缘测量处理单元，经数字模拟混合乘法器及前置计算机等处理后，就得到了我们要用的等数据，这组数据再通过传输接口单元远传到变电所内的系统处理中心。因为数据量传递，其干扰能力极强，加之我所有专门的电磁兼容设计人员，确保数据的准确度和可靠性。系统处理中心先对每个测量点送入得数据进行预处理，再由“绝缘测量专家系统”诊断后，进行事故分析、存储、显示及报警等 。另外系统备有多种接口，可直接连入电力调度网，便于监视、记录及数据统计等等。 总之，方案充分考虑到现场的温湿度、电磁环境及被测信号的采样处理方法和传递手段等，并可连入电力调度网，实用可行。5、技术指标51 主要功能和技术指标a. 测量项目：介质因数Tenb. 适用范围：220KV变电站（含220KV以下）c. 无故障工作时间：5年d. Ten测量准确度：1%e. 测量点数：1512点采样、集中处理 f. 故障报警、指示及记录g. 24小时不间断测量Ten、并显示测量结果52 工作条件521 前置处理单元（采样现场）a. 工作环境温度：-4550 b. 大气相对湿度：20%80%（不含凝露）c. 供电源电压：22010%d. 供电源频率：50Hz5%e. 供电源波形失真度：5%522系统处理中心a. 工作温度环境：040b. 大气相对湿度：20%80%（不含凝露）c. 供电源电压：22010%d. 供电源频率：50Hz5%e. 供电源波形失真度：5%6、本技术方案与国内外水平、指标、性能比较以及创新点、知识产权情况 电容型设备绝缘在线自动监测系统，在我国虽然使用了近20年，但只有60多个变电站装备了这类装置，且大多数运行不正常或不能运行，另外95%的变电站根本就没有装备过；在技术上还处于起步阶段，有很多问题还需解决，如：电磁兼容性及抗干扰能力和环境适应性，数据的可靠性，无故障工作时间等，而国外的产品因使用电网状况的差别在我国并不适用。我们的技术方案和国内外现有产品相比:a采样及前置处理单元采用数字模拟混合乘法技术；调宽数据滤波技术及就近采样就近处理的方法，不仅真实有效的完成了含有高于信号数倍干扰的漏电流信号的取样，（详见技术方案），而远传数据到位于变电站控制中心的系统处理中心，有效的提高了抗干扰能力，可避免模拟信号传递过程中的附加误差。b.前置处理单元采用密封结构及抗低温、高温处理，有效的解决了环境温度、湿度适用性。c.每个环节，大到电源输入，小到印刷板的一个线，我们都由专门的电磁兼容性研究人员实行专门的电磁兼容设计，确保测量结果的可靠性。d.多点采样、中央处理、多种接口，可直接连入电力调度网，便于监视、记录及数据统计等。e.时时采样处理、故障报警，即时避免电网事故的发生。其中，数字模拟混合乘法器技术，脉宽调制滤波技术及90数字移相器等都是首次在该类系统中应用，均有独立的知识产权。总之该系统研究完成其技术将处于国内领先、国际先进行列。三、项目经济可行性分析1、国内外市场需求的调查、研究、预测及风险分析2004年，全国净增发电装机容量4929万千瓦，发电设备总容量达到44070万千瓦，比上年增长12.6%。其中，火电净增3513万千瓦，水电净增1336万千瓦，水电设备容量达到10826万千瓦，占总装机容量的25%左右。另外，全国共投产220千伏及以上输电线路22912公里、变电容量10625万千伏安。区域电网和省级电网网架得到加强，全国联网格局基本形成。但是，2004年输变电设备产量的增速明显低于新投产装机容量的增速，电网建设再次严重滞后电站建设。2005年的前几个月很多省份再次出现电力告急的局面。2005年，供电量需求增长若按13%计算，最大可以支持GDP增长8.7%，预计要新增发电装机容量约7000千瓦。同时，电网建设方面将投产220千伏及以上输电线路25000公里左右、变电容量约14000万千伏安。电网建设将对电网保护与控制设备、输变电设备、电力计量设备等行业内企业产生直接影响。新增发电装机容量有可能创下峰值年，电网建设滞后电源建设的局面也将有所改变。2005年将是电力装备制造业供货任务最繁重的一年，机遇大于挑战，特别是随着国家投资334.2亿元对县城电网建设与改造工程全面启动，输变电设备的需求缺口加大，输变电设备生产虽然受到原材料上涨的冲击，但是仍然有较大的利润空间。电源建设加快，电网建设适度超前电源建设，将进一步拉动输变电设备制造业的发展。目前中国人均拥有的装机容量只有0.25W，人均用电只有1064kW.h，平均不到世界人均水平的一半，仅为发达国家的1/61/12，远不能适应我国经济的发展和人民生活水平提高的需要。相比世界电力工业大发展时期已过，中国电力工业正处于持续高速发展时期，未来几年，输配电及控制设备制造产业将迎来一个前景广阔的市场发展时期。在我国22KV变电站每省都有几十个，而目前只有60几个站配备了这种设备，且70%左右不能正常运行既95%以上的220KV变电站还没有配备，据我们的调查显示，近3年内各站都有安装这类产品的计划，且部分110KV变电站也提出了类似的计划，只计算220KV站其年需量就在几百套以上，而且需求有迅速上升的趋势，如果普及到110KV变电站，其需求量可能增加到十几倍，以八年的使用寿命（五年无故障）这个需要将一直持续下去既是一个刚性市场；开发该产品的风险很小。近年来，国内外学术界对电容型设备在线监测信号提取、数字化测量方法、分析诊断和测量有效性这四方面进行了大量的研究工作。虽然在一定程度上提高了电容型设备绝缘在线监测与诊断技术的应用水平，但是，早期投运的系统运行效果并不够理想，没有取得预期的经济效益和社会效益，暴露出来的技术问题主要有：监测装置的开发水平较低，无源穿心式电流传感器易失效，系统抗电磁干扰与环境影响能力差，上位机软件的数据处理功能不完全；介损角的测量结果稳定性、重复性差，是环境因素所致，是电磁干扰影响，还是信号提取问题，原因不清，影响了分析的准确性；缺乏行之有效的诊断理论与方法，仅提供数据，信息丰富，而知识贫乏，不能建立各种监测信息之间的关联关系，无法解释测量结果正常的波动，很难做出准确的绝缘状态在线诊断。 针对上述问题，本文在当前研究的基础上，提出了一些新的解决方法。首先着力于深入研究高精度的绝缘参数计算方法，以提高监测的准确性；然后采用先进的数据处理方法对在线监测数据进行压缩，提高数据分析管理的效率；通过对在线监测数据序列变化规律的频谱分析，提出了采用形态滤波的思想对数据进行预处理，以确保数据规律性挖掘和故障特征提取的准确性；分析相对比较法提取介损在线监测趋势的原理和局限性后，提出了基于滤波思想的趋势提取方法；同时根据在线监测信息量大、知识相对贫乏的情况，结合灰色理论、数据挖掘理论等智能新技术的应用特点，研究新的诊断方法并挖掘诊断信息中的规律性，对诊断起到指导性作用；最后为有效地结合以上的研究工作，设计并开发了两套分层分布式电容型设备绝缘在线监测系统。具体研究内容包括：高精度测量方法的研究；在线监测数据压缩方法的研究；在线监测数据预处理方法的研究；在线监测数据趋势提取的研究；绝缘状况诊断方法的研究；在线监测系统的开发与应用。高压电气设备中容性绝缘设备的绝缘劣化一般是一个缓变过程，故电力系统采用预防性试验的办法判断设备的运行状况；对35kV以上油浸式电流互感器，规定每年用红外热像仪测温1次（500kV每年2次）、安装了带电测试设备的每年带电测试介损及电容量1次、每三年停电测介损及电容量1次；坚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，但很多事故均在两次预试间发生；表明有不少的绝缘劣化是速度较快的，以下是笔者利用安装武汉供电局鲁巷变电站绝缘在线监测系统录下的CT绝缘性能突然劣化的实时监测数据。 该站06CT的B相2005年6月14日未见异常，6月15日临晨1点20分，介损由0.27跃变到0.731、电容量742.44 PF跃变到728.847 PF，巡视设备未见异常。8点50分，随着电流增大至85Ie后约40分钟，该CT出现异常声响，负荷转移后现象消失，9点50分该设备停电更换。 下面二图为该组CT 6月14日至6月15日绝缘在线监测数据中的介损量和电容量（黄、绿、红依次为A、B、C相数据）。 图1 介损监测数据图形查看 /jiesun.jpg 图2 电容量监测数据图形查看 /dianrong.jpg 监测数据清晰可见，B相CT故障不是缓变劣化，而是短时间的突然劣化。突变时间不超过3分钟。 对于该类突发性事故隐患，目前现有的监测或保护设备及运行、巡视制度很难及时发现，经常造成爆炸事故，严重威胁着电力系统的安全运行。笔者认为现阶段预防该类事故发生的唯一可行措施是装备能准确测量绝缘参数的在线监测系统，如该站安装的武汉华电国电高压科技发展有限公司的HD2000型在线监测产品，该系统在诊断出故障隐患后，除上位机有声、光、文字信息报警外，还用手机短信发至相关责任人手机，可让相关工作人员以最快速度处理有异常设备。2、本项目完成后成本核算及批量投产的成本、售价预测以20个采样点为例：a.研制完成后成本为：20万元b.批量生产的成本为：15万元c.售价40万元3、国内外同类水平产品（设备）销售价成本调查与分析也以20个采样点为例，如果进口国外产品，大约60万元左右，但需根据我们电站的情况进行改造或添加设备，一般还需1020万元，现在运行的国产设备如果以20点计算售价在4050万元不等，按功能和自动化程度的不同估计造价在2035万元之间。但这些产品都没有批量生产，多是样机在使用，存在很多问题，如解决这些问题、再批量投产，估算成本平均在20多万元，这样看我们的产品还是有一定的市场竞争力的。4、社会经济效益分析（项目完成后的直接和间接的社会经济效益）该项目因主要用于变电站电容型设备的绝缘在线监测，以避免因绝缘问题造成的变电站故障，从而减少因变电站事故造成的大面积、长时间停电，尽量减少用电单位因此所造成的损失。所以该产品投产后除上缴利税，安置人员等直接社会效益外，避免用电单位损失带来的间接社会效益更为重要。四、资金用途明细（详见表41、42）五、承担单位能力分析1、技术力量和管理水平评价及技术试验条件哈尔滨电工仪表研究所是电工仪表行业技术归口所，有40多年的发展历史。原直属国家机械工业部，1999年7月转制加入许继集团。多年来主要从事电工仪表产品的研制开发与中试生产，并承担国家重点科技攻关任务。是电磁参量测量、信息处理、计算机测控技术以及电表关键制造工艺技术的综合性研究机构。所内设有：国家电工仪器仪表质量监督检验中心、国家电工仪器仪表进出口商品检验实验室、TC104全国电工仪器仪表技术标准化委员会、电工仪器仪表行业协会及电磁测量与信息处理学会等机构。是IEC国际电工委员会TC13和TC85专业委员会的国内技术归口单位。曾为我国的电工仪表以及相关的测控技术的发展做出过重要贡献。目前国内电工仪表市场的主导产品大部分是我所的科研开发成果。在国家“六五”“十五”科技攻关中，通过“电量变送器系列产品开发”、“86系列电度表产品联合设计”、“工业用总线式数字变送仪表系列产品开发”、“多费率电度表联合设计”、“输变电设备故障诊断系统”、“大型旋转机械故障诊断系统”、“电力负荷音频控制系统”、“基于VXI总线自动测试系统技术开发”等一系列国家科技攻关项目的研制与开发，为我所在电磁测量及相关技术领域积累了丰富的科研开发经验并培养了一批技术骨干，使我所无论在技术力量、科研及产品开发水平、设备条件和跟踪国际先进技术等方面都有着良好的基础与优势。研究所现有教授级高工15人，高级工程师57人，工程师66人，项目负责人长期在一线工作，主持过多项科研开发、产品生产及技术改造工作，并多次获奖。在科研开发中，勇于采用最先进的技术，具有极强的开拓进取精神，其开发的科技成果均已投产且效益显著。项目主要研究人员共10人，均具有大学本科以上学历，并有3名教授或教授级高工，平均年龄37岁，且这个课题组具有