(肖登明)变电站主要电力设备的在线监测技术分析

1、变电站主要电力设备的在线监 测技术分析 肖登明肖登明 上海交通大学上海交通大学 电气工程系电气工程系一.在线监测的诞生 测量、监视、控制等多功能二次设备以 及现场测试或实时测量对电力设备运行 可靠性起了重要作用。 现场测试或实时测量的发展而诞生了在 线监测。 主要电力设备 耦合电容器、电容型套管、电容型电流 互感器、电容型电压互感器、避雷器、 绝缘子、变压器、GIS、电力电缆、发电 机和高压断路器 q 在线检测目前并不能完全取代常规预防性 试验： 大多局限于测量工频运行电压下的绝缘参 量； 无法测量电力设备在高于运行电压下的参 量； 迄今尚未形成统一的判断标准。 电力

2、设备试验和维修策略的发展历程电力设备试验和维修策略的发展历程 事故维修（坏了再修，第二次世界大战之前） （盲目、不科学） 定期维修（按固定时间周期维修，当前多数情况） （维修过量、维修不足） 状态维修（以运行状态决定维修周期，正在逐步开展） （以在线监测为基础，科学、可靠、经济、可预见） 在线监测的真实性 电力设备在线监测技术是一种利用运行 电压来对高压设备绝缘状况进行试验的 方法，它可以大大提高试验的真实性与 灵敏度，及时发现绝缘缺陷 在线监测的实时性 采用在线监测的方法可以根据设备绝缘状况的 好坏来选择不同的监测周期，使试验的有效程 度明显提高。在线监测可以积累大量的数据。 将被试设备的当

3、前试验数据（包括停电及带电 监测）和以往的监测数据相结合，用各种数值 分析方法进行及时、全面地综合分析判断，就 可以发现和捕捉早期缺陷、确保安全运行，从 而减小由于预防性试验间隔长所带来的误差。 在线监测系统的构成 二.在线监测目前存在的问题 2.1在线监测的重要性与困难度 离线的预防性试验结果的分析，已经积累了大 量经验，据此可以制订出相应的规程推广施行 在线诊断，现在仍还处于研究、试运行、积累 经验的阶段。发展绝缘在线监测和诊断技术， 即需对绝缘结构及其老化机理有深入的了解， 也需应用传感、微电子等高新技术。它是具有 交叉学科性质的一门新兴技术，也是当前智能 电网发展的需要。 q这几种维修

4、方法并不互相排斥，但在不同阶段、不这几种维修方法并不互相排斥，但在不同阶段、不 同要求的情况下，共存的形式有差别。同要求的情况下，共存的形式有差别。 q维修的目的在于获取各种信息，基于此得到设备状维修的目的在于获取各种信息，基于此得到设备状 况的结论；况的结论； q迄今为止，尚不能完全建立测量数据与设备状况之迄今为止，尚不能完全建立测量数据与设备状况之 间的直接关系：间的直接关系： Ub f (R, tan, PD, DGA, ) ? 事故维修、定期维修、状态维修三种策略 2.2 抗干扰问题 例如变压器、GIS的局部放电监测的抗干 扰问题，在线监测信号很微弱，受通讯、 谐波和电压突变等因素以及

5、高电压设各 区的电磁场干扰，测量信号的精度和数 据的稳定性会受到影响，有一些测量信 号甚至完全淹没在干扰信号中。 提高在线监测系统的抗干扰能力，使测 量数据灵敏、稳定、可靠是对在线监测 技术和产品的一个基本要求。 应该针对不同的变电站的强干扰信号采 取不同的抗干扰措施主要是阻隔干扰传 播路径，以及采用软件进行数字滤波等 2.3现场设备受运行条件影响和环 境影响问题 例如，电容性设备介损在线监测系统， 当电网运行方式改变时介质损耗数据发 生较大的突变，还有很多设备的介损值 随温度变化呈现较大的波动。这些现象 对正确地分析判断设备的状态产生了一 定的影响。 因此，现场测量设备的抗环境变化能力 也是

6、不容忽视的一个问题。 2.4 在线监测装置的维护问题 有一些在线监测装置（比如色谱监测） 在运行前需要进行参数的设置或标定， 在长时间运行后，内部元件特性发生变 化使得工作状态改变，测量数据就会产 生较大的偏差，需要定期地进行重新设 置或标定，使得一些在线监测装置常规 的维护工作量加大，也使得在线监测数 据的可信度降低。 2.5 在线监测数据的分析判断及标 准化问题 设备的在线监测数据是在运行条件下取 得的，由于设备运行条件、环境条件以 及电磁干扰的影响，各种在线监测数据 与离线试验数据之间通常都有一定的差 别，在线监测数据的变化规律和波动范 围各有不同，在线监测项目由于干扰问 题测量灵敏度低

7、于离线试验。 离线试验所用的预防性试验规程所定的 试验标准不应生搬硬套到在线监测中。 建议国网公司应该对电力设备在线监测 采用标准化规程。 尽快使电力设备在线监测系统形成统一 的技术规范。 三。容性负载电力设备的在线监 测 表达介电性能的参数表达介电性能的参数 介电系数电容量C 电阻率 绝缘电阻Ri 介质损耗角正切tan 介质损耗P 击穿场强Eb 击穿电压Ub 各种测量参数灵敏度的比较 4.3 tg及C的在线监测 图4-8 tg在线监测仪的原理框图 图4-10 用过零转换移相相与的原理测角的原理图 存在的问题 1. 数据变动较大，是由于谐波的影响， 导致信号波形变形过零点变化，则产生 测量误差

8、，应采用硬件、软件滤波提高 测量准确度。 2.测到的数据与纵向值、横向值相比较， 可用相对值来表达被测量设备的绝缘状 况。 四。油浸电力设备色谱在线监测 的技术分析 油色谱在线监测系统原理 色谱在线监测关键技术色谱在线监测关键技术 1 1 油气分离快而全，缩短检测周期油气分离快而全，缩短检测周期 2 2 用一根柱高效分离用一根柱高效分离H H2 2、COCO、CHCH4 4、C C2 2H H2 2、C C2 2H H4 4、 C C2 2H H6 6六种气体，而且使用方便、易于维护六种气体，而且使用方便、易于维护 3 3 采用新型传感器，以得到更好的灵敏度、精度、采用新型传感器，以得到更好的

9、灵敏度、精度、 稳定性稳定性 4 4 设计抗干扰能力强、自动化程度高的监控系统设计抗干扰能力强、自动化程度高的监控系统 5 5 研究基于研究基于ANNANN的色谱故障诊断技术，使判断正确率的色谱故障诊断技术，使判断正确率 有所一定提高。有所一定提高。 1.1.油气分离技术油气分离技术 1 能渗透能渗透H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6 六种气体，而且渗透饱和时间短的透气膜六种气体，而且渗透饱和时间短的透气膜 2振荡脱气法 3超声波脱气法 4.真空脱气法 几几种种膜膜饱和时间比较饱和时间比较 油气分离用PTFE膜耐压强度 正常正常 使用几年后后，使用几年后后， 膜表面已膜表面已膨胀

10、膨胀 破裂破裂。 * 振荡脱气就是在一个容器里，加入一定 量的含有气体油样。在一定的温度下， 经过充分振荡，油中溶解的各种气体必 然会在气油两相间建立动态平衡。分 析气相组分的含量，根据道尔顿亨利 定律就可计算出油中原来气体的浓度。 *超声脱气法是采用超声波装置，使气液两 相迅速达到平衡。利用电声换能器，对 压电晶体的逆压电效应，通过施加交变 电压，使之发生交替的压缩和拉伸而引 起振动，使所加频率在超声的频率范围 内（即大于20Hz），超声波在介质中所 引起的介质微粒振动，即使振幅极小， 也足可使介质微粒间产生很大的相互作 用力，使气体分子从油中逸出。 2.2.混合气体分离技混合气体分离技 术

11、术 1 气相色谱分析原理气相色谱分析原理 2 柱结构基本形式柱结构基本形式 3 色谱柱设计的关键：复合固定相色谱柱设计的关键：复合固定相 （a）（b） 图 3-6 HAYESEP D 出峰图 Fig 3-6 The peak of HAYESEP D HAYESEP D, PorapakT两种固定相两种固定相比例比例 2, 211 , 21 12 WW tt R RR 分离度：分离度： 4 影响柱效的其它因素影响柱效的其它因素 柱径柱径 柱长柱长 样气量样气量 温度温度 载气流速（柱压）载气流速（柱压） 柱压：0.25Mpa 1 采用单根色谱柱和由HAYESEP D和 Propark T组成的

12、复合固定相，可在几分钟 内实现对H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六 种气体的高效分离 2 无需温控装置也可在户外使用。 3 常规色谱仪所用的多根分离柱不同，单 根柱只需1ml的样气，这样保证了油气分离 的周期几小时或一天。 色谱柱的要求 3. 传感器技术 1 几种传感器比较 热线半导体传感器的实验及研究 灵敏度 对数线性度 检测范围 传感器体积 热线传感器电路图 热线传感器的灵敏度 旁线传感器出峰图 热线传感器出峰图 1 半导体传感器适合多种可燃性气体的监 测。 2 热线型半导体传感器对H2、CO、CH4、C2H2、 C2H4、C2H6六种气体灵敏度、线性度和反应 速度俱佳,优

13、于普通半导体传感器。和其它 传感器相比，它体积很小，与内径2mm的色 谱柱配合得到了更好的气体分离效果，是 用于在线色谱监测理想的气敏元件。 小结 4.4.控制系统设计控制系统设计 终端机终端机 主控机主控机 多组分气体监测系统外形多组分气体监测系统外形 主机实物图主机实物图 5.在线色谱监测存在的问题 1. 开始正常，运行几个月后或一年后， 数据差别很大。 2.据悉，国网定标准时，国内几家大的色 谱企业建议准确度不应小于30%. 3.维护工作量较大，更换载气，定标校核 等（有些国产仪器无定标功能）。 6. 分析 1.油气分离不是全脱气，或部分脱气没有 计算准确。 2.混合气分离的色谱柱没有定

14、期标定、更 换和老化处理。 3.气敏传感器寿命不长，没有定期标定和 更换。 7. 建议 1. 国网成立在线色谱仪器定标中心，检测国产 仪器。 2. 国网应针对在线色谱另外制定超标注意值， 如C2H2应丁为1ppm,在线色谱不可能监测到 1ppm的值。 3.准确度不应10%。 4.CO/CO2这一指标需检测，国外已认为此值涉 及固体绝缘的寿命。 变压器的另外 的监测方法 光声光谱法多组分监测仪 变压器局部放电的在线监测 B 电超声联合法 图719 电超声法原理图 4 个超声通道, 1 个电测通道 便携式的设备 50 300 kHz 64 MB 内存 路由特性 可进行局放定位 多用途，可用于变压器

15、，发电机， GIS等多种电力主设备 超高频法监测变压器的局放 采用内置式超高频传感器放入变压器的 放油阀里，监测信号通过光纤传到监测 中心。 抗干扰能力大大增强，较好的解决了外 置式传感器的弱点。 六。断路器的在线监测 1、监测原理 主要监测绝缘特征、开关特性和温度特性。 开关特性 监测开、关时的控制电流和通电时间。 2操作机构机械特性和控制回路的在线监测 合分闸线圈电流、电压测量测量合分闸线圈动作时 回路中的电流、电压，记录波形，通过波形分析，判断 电回路和机械回路的状态。 将开关每次动作的图谱记录到数据库中，进行 实时故障分析 。 软件的客户端运行在变电站控制室的工控机上。 所需要的数据（

16、主要是分合闸动作的波形）由 硬件部分传输到该工控机。 软件的服务端运行在主控室或者调度运行维护 操作人员。可以看到软件的分析结果。 软件最主要是两个部分：信号处 理(Signal Processing) 和专家系统 (Expert System)。结构如下图： 监测触头的寿命 开关每次动作的燃弧时间和累计各相触 头负荷能量也记录到数据库中，通过实 时计算，越限报警 。 采用CBM和自动分析软件，可以将新信 息提供给若干通用组。 GPS同步携带的控制电路信号波形的精 确记录。这将为维护人员提供断路器运 行状态的详细动作，可对一个或多个断 路器修复或执行日常维护做出更可靠的 决策。 七。GIS在线

17、检测与诊断项目 注：“”表示在线监测，“”表示停电试验，“”表示取样试验，“”表示 现场监测。 局部放电在线检测 1. 外部电极法 局部放电在线检测 2. 接地线电磁耦合法 局部放电在线检测 3. 绝缘子中预埋电极法 局部放电在线检测 4. 超高频检测法 局部放电非在线检测 1. 机械振动检测法 双探头超声监测原理图 A、B-电压探头； C-信号鉴别回路； V-发光二极管 局部放电非在线检测 2. 气体检测法 局部放电非在线检测 3. 光学检测法 4个超声通道，1个电通道输入 便携装置 50 300 kHz 可用于局放定位 AR 700 12 个局放通道 0.5 10 MHz 带宽 48 相位

18、窗口 32 幅值窗口 所有通道同时测量 R 2100 专家级局放分析 仪 便携式GIS局放测试 采用相对较低的1-20MHz的测量频段，在这个频段内可以取 得更高的信号强度和较低的噪声，某些厂家所采用的40MHz 以上的高频段测量方法虽然可以降低噪声，但是相应的局放 信号强度也降得很低，对于发生在主设备内部离传感器稍远 的地方的局放活动无法进行检测，使灵敏度和监测范围都受 到了很大的局限。 在1-20MHz频率范围内进行的测量，可以取得最大限度的信 噪比，并且由于相对低频范围内的信号衰减要比高频信号小 得多，从而大大提高了灵敏度和监测范围。 测量频段 实践证明：由于灵敏度低和现场抗干扰 能力差

19、的原因，脉冲电流检测法主要用 于GIS制造厂家的实验室局放试验和现场 的验收试验，不适用于GIS 在线局放的 监测。 由于超声波在GIS中的传播复杂，故在故 障监测上很难做到定量判断，可作为一 种辅助的测量方法。超声波监测法主要 用于定位监测。 超高频法 采用超高频（Ultra High-Frequency，UHF）法 检测GIS 中的局部放电是20世纪80年代初期由 英国中央电力局（Central Electricity Generating Board，CEGB）提出，并应用于英国Torness 420kV GIS 的检测。Torness 电站的多年运行经 验验证了该方法的可行性，使超高频

20、法得到了 行业的认可。在2000年修订的IEC60270及 IEC50517标准中，均将这一方法作为GIS局放 检测的主要方法之一。 超高频法的基本原理是使用UHF天线而不是脉 冲电流法的耦合电容来检测GIS 局部放电产生 的电磁波。超高频最主要的优点是抗干扰能力 强、灵敏度高，并能够通过放电源到不同传感 器的时间差对放电源进行定位。它对传感器的 设计、阻抗匹配、放大器的带宽和噪声要求很 高，同时又要求有多通道宽带数据采集系统； 所以，相比于脉冲电流法，它的技术难度较大。 局部放电源故障类型识别与定位 GIS 中有可能出现的主要绝缘缺陷包括：固 定缺陷、GIS 腔体内可以移动的自由金属微 粒、

21、传导部分的接触不良、绝缘子制造时造 成的内部空隙、实验闪络引起的表面痕迹和 因电极的表面粗糙或是来自制造时嵌入的金 属微粒等局部放电源故障类型识别与定位 。 局部放电模式识别的两个关键环节是特 征提取和模式分类与识别。局部放电信 号的特征有很多，常用的特征主要有： 谱图特征、频谱和波形特征，模式分类 与识别方法主要有：人工神经网络方法、 模糊专家系统、小波分析方法等及其上 述各种方法相联合的方法。 监测方法 耦合电容 法 高频法 甚高频 法 超高频法 超声波 法 化学法光学法 优点 简单；灵 敏度较高， 可对放电 量进行校 准 易于实 现；灵 敏度较 高 灵敏度 较高 灵敏度高； 可用于运 行

22、中设备 灵敏度 高；抗 电磁干 扰能力 强 不受电 磁干扰 不受电 磁干扰 缺点 运行设备 不能使用； 信噪比低 信噪比 低，如 用内电 极需事 先埋设 造价较 高，如 用外电 极则灵 敏度低 造价高 结构复 杂；要 求丰富 经验的 人操作 灵敏度 差；不 能长期 监测 灵敏度 差；需 多个传 感器 可达精度很高很高很高很高较高很差差 适用监测 的放电源 固定微粒； 悬浮物； 气隙和裂 纹 各种缺 陷类型 都适用 各种缺 陷类型 都适用 各种缺陷 类型都适 用 自由移 动的微 粒；悬 浮物 放电情 况严重 时的缺 陷 固定微 粒；针 状突出 物 能否故障 定位 不能不能能 精确度较 高： 0.

23、1m 适用， 但条件 苛刻， 需多个 传感器 仅能判 断哪个 气室发 生放电 不能 能否判别 故障类型 能能能能能不能不能 是否已应 用 早期应用 早期应 用 早期应 用 应用应用 极少应 用 极少应 用 通过对以上7种GIS 局部放电检测方法特 点的分析比较可以得出以下结论：在GIS 局部放电信号的检（监）测方法中，超 高频法和超声波法是比较实用可行的方 法 。 国内外对UHF的研究主要集中在超高频 传感器研制、超高频信号传输特性分析 与建模、超高频检测系统研制、局放源 类型识别和定位等几个方面。 用超高频法对GIS局部放电进行在线监测 在国外已有多年的运行经验，充分证明 了超高频法的有效性

24、，而在国内还处于 研究探索阶段，是一重点发展方向。 SF6绝缘气体放电分解研究 针对气体绝缘设备绝缘缺陷产生局部放 电引起SF6气体分解问题进行研究，寻找 有效表征突发性故障的特征气体组分， 建立气体组分浓度、产气率、体积分数 比与绝缘缺陷性质、程度及发展趋势等 的定量关系 研制对SF6主要分解气体检测灵敏度高、 选择性强的碳纳米管气敏传感器；通过 传感器阵列和数据融合算法研究，解决 传感器对各组分交叉敏感及定量问题。 为气体绝缘设备的在线监测和安全评估 提供技术依据。 对SF6放电分解气体的常用检测方法有以下几 种：气相色谱法气相色谱法，可以对SOF2、SO2F2、SO2 和CF4进行检测，

25、但不能检测HF和 SOF4，并 且色谱进样的特性决定了检测时间较长，不能 做到连续在线监测，不适于现场在线监测应 用。 检测管法，检测管法，目前国内外实用的仅有HF， SO2检测管，检测精度可达1ppm，但其易受温 度、湿度、存放时间影响，存在交叉敏感问题， 且不适合作为放电的在线监测。 化学分析法，化学分析法，仅能测定分解气体中可 水解氟化物及酸度，对分解物的类型和 浓度无法判断。 红外吸收光谱法红外吸收光谱法，它 能检测SOF2、SO2F2、SO2、SF4、SOF4、 H2O和CF4，但SF6会影响其它气体的吸收 峰，有交叉干扰现象；红外光源强度低， 检测器灵敏度低，定量精度不足。 采用碳

26、纳米管制作气体传感器检测采用碳纳米管制作气体传感器检测SF6放放 电分解气体组分。电分解气体组分。碳纳米管(CNT， Carbon Nanotube)作为一种新的材料自从 1991年被发现以来，其物理化学性质和 应用得到了广泛的研究。 CNTs可作为微型气体传感器，具有常规 传感器不可比拟的优点：一是灵敏度高，一是灵敏度高， 其灵敏度可高达10ppb；二是大大降低了二是大大降低了 传感器的工作温度；三是大大缩小了传传感器的工作温度；三是大大缩小了传 感器的尺寸；四是气敏选择性强。感器的尺寸；四是气敏选择性强。因此， 它在生物、化学、机械、航空、军事等 方面具有广泛的发展前途。 在实验室气体分解

27、模拟试验装置、真实 GIS试验研究平台的不同部位，设置人工 绝缘缺陷，并由此获取大量的实验数据， 对于实验获取的气体样本用红外光谱分 析仪和气相色谱仪综合分析，确保试验 数据的可靠。 ，研究GIS设备绝缘缺陷产生局部放电程度和 发展变化趋势以及影响因素，揭示导致突发性 故障的机理和条件，根据理论计算和实验研究 的结果，用统计、拟合和数据挖掘等方法，总 结出有实用价值的经验计算公式或曲线，揭示 局部放电量、固体绝缘状态与分解气体组分浓 度、产气率、各组分间体积分数比的定量关系。 可行性分析 SF6放电分解组分与绝缘缺陷关系研究的 可行性 研究气体设备内部各种缺陷产生的局部 放电对SF6气体分解组

28、分的关系，通过分 子仿真软件计算和实验数据分析处理， 构建气体绝缘设备绝缘缺陷产生局部放 电引起SF6气体分解组分的数据库， 通过研究GIS设备绝缘缺陷产生局部放电程 度和发展变化趋势以及影响因素，揭示导致 突发性故障的机理和条件，根据理论计算和 实验研究的结果，采用统计、拟合和数据挖 掘等方法，总结出有实用价值的经验计算公 式或曲线是可能的。 特色与创新特色与创新 研究SF6气体分解组分及浓度与不同绝 缘缺陷类型产生的局部放电水平及发展 趋势的内在联系，通过分解气体组分测 定与分析，解决气体绝缘设备内部绝缘 缺陷产生局部放电的故障诊断和状态评 估的难题。 针对SF6分解组分气体分子特性，进行

29、 碳纳米管多细微气敏传感器响应机理的 研究，可研制功能性强的碳纳米管气敏 传感器。 综上所述， SF6放电分解组分与绝缘缺陷 关系的监测和研究，也是GIS故障在线监 测的另一个重要的发展方向。 八.电力设备在线监测技术发展 8.1 在线监测装置的智能化 。智能传感器将传感测量、补偿计算、工程量 处理与控制等功能一起实现。 智能传感器采用标准化总线接口进行通讯，能 与计算机网络直接进行信息交换，使传感器由 孤立的元件向系统化、网络化发展。 智能传感器有自诊断和自校推功能，并可随时 诊断设备的运行状态，可以提高在线监测系统 的可靠性。 8.2在线监测系统数据传输网络的 标准化 在线监测领域应该尽早确定一个通用的现场总 线标准，编制一个通用的在线监测数据通讯规 约，开发带通讯接