客运专线牵引变电所在线监测系统（周利军）

牵引变电所绝缘

在线监测技术周利军西南交通大学牵引变电所绝缘监测的必要性和迫切性提高供电系统可靠性要求发展在线监测

高速铁路供电系统的安全运行决定于牵引供电设备的可靠性，开展电气设备的在线监测及其故障诊断，发现运行设备中的隐患，防止突发性事故，将显著提高其运行可靠性，避免事故造成的直接和间接经济损失，从而带来巨大的经济和社会效益。牵引变电所绝缘监测的必要性和迫切性绝缘故障的普遍性要求发展绝缘在线监测美国对4.8kV配电系统1980~1989年统计，92%设备因绝缘劣化引起失效日本日新公司对故障变压器统计结果表明绝缘故障占45%我国1984~1990年对110kV主变压故障统计表明绝缘故障造成的事故占总事故的70%以上。

牵引变电所绝缘监测的必要性和迫切性绝缘故障的严重危害要求发展绝缘在线监测破坏大型设备，造成直接经济损失：如我国一地区1992年发生两起因绝缘故障而导致变压器失火，造成直接经济损失达200万元，间接损失超过500万元。破坏供电系统的安全性：2003年8月14日，北美大停电最初的原因就是由于绝缘故障引起的，美国的直接经济损失达40~100亿美元，加拿大当月国内生产总值下降0.7%牵引变电所绝缘监测的必要性和迫切性设备维修体制改革要求实施绝缘在线监测及故障诊断——预防性维修体制的局限性从经济的角度看，英国人P.J.达夫勒认为只有60%的维修费用是应该花的，90%换下来的设备是不应该换下来的；从技术角度看，离线监测的数据不能完全反映绝缘状态，因为试验条件和运行条件有较大的差异。介质损耗测试的试验电压一般为10kV，而工作电压则远远大于这个值，因此离线试验得到的介质损耗一般要比实际损耗小得多；从可靠性角度看，由于目前维修质量不高，出现了“不修不出事，一修就出事”的的怪事；牵引变电所绝缘监测的必要性和迫切性设备维修体制改革要求实施绝缘在线监测——状态维修的优点可更有效地使用设备，提高设备的利用率；降低备件的库存量以及更换部件与维修所需费用；有目标的进行维修，提高维修水平，使设备运行安全、可靠；可系统地对设备制造部门反馈设备的质量信息，用以提高产品的可靠性牵引变电所绝缘监测的必要性和迫切性状态维修和在线监测的经济效益英国中央发电局（CEGB）的统计表明，投运油中气体在线监测以后，变压器的维修费用从1000万英镑降低到200万英镑；日本资料表明，监测和诊断技术使每年的维修费用减少25%~50%；美国一发电厂统计表明，该发电厂投运在线监测设备后每年可获利125万美元。绝缘在线监测的国内外发展概况国外绝缘在线监测的发展历程1951年美国西屋公司JohnS.Johnson提出发电机槽放电在线监测；20世纪60年代，美国开展了大规模的绝缘在线监测和故障诊断工作，并开发了可燃性气体总量（TCG）检测装置（气体继电器中的可燃气体）；1975年Syprotec公司正式研制成功油中气体分析的在线监测装置；绝缘在线监测的国内外发展概况国外绝缘在线监测的发展历程20世纪70年代，日本绝缘在线监测技术开始起步，着重研究油中气体在线监测和局部放电在线监测；同一时期，前苏联在线监测快速发展，重点研究容性设备绝缘监测和局部放电在线监测；20世纪80年代，局部放电在线监测技术得到较大发展，加拿大安大略水局发电机局部放电监测仪，大规模推广应用；德国SIEMENS、瑞士ABB、法国ALSTOM、美国GE等欧美电气设备制造公司与加拿大SYPROTEC公司合作，使电气设备在出厂时就把SYPROTEC公司的HYDRAN系列电气设备绝缘油中溶解的故障气体智能监测装置作为标准附件。绝缘在线监测的国内外发展概况绝缘在线监测的国内外发展概况国内绝缘在线监测研究的主要机构清华大学高电压与绝缘技术研究所西安交通大学电气绝缘国家重点实验室西南交通大学铁道电气化铁道部重点实验室上海交通大学重庆大学电工电能新技术重点实验室北京电科院武汉高电压研究所绝缘在线监测的技术要求系统投入和使用不能影响一次设备的正常运行能自动连续进行监测、数据处理和存储具有自检和报警功能具有良好的抗干扰能力和合理的监测灵敏度监测结果应有较好的重复性和可靠性，以及合理的准确度具有在线标定的功能具有电气故障诊断功能，包括故障定位、故障性质、故障程度的判断和绝缘寿命的预测等绝缘在线监测系统的组成绝缘在线监测系统的分类按安装场所分类便携式：通用性强；针对性差，抗干扰性差，灵敏度不高。只能用于在线检测，而不能用于在线监测；固定式：可对设备连续监测，功能强，成本高，适合于重要场所；按监测功能分类单参数监测多参数综合监测按诊断方式分类：人工诊断与自动诊断电气设备综合在线监测系统普通牵引变电所绝缘在线监测主变压器的绝缘油中溶解气体分析；主变压器的局部放电量监测及定位；容性电气设备的介质损耗、电容电流、电容量的监测；避雷器泄漏电流的监测；瓷绝缘子的污秽泄漏电流的监测；少油开关绝缘拉杆泄漏电流的监测；系统母线电压的监测在线监测系统主柜变电所绝缘在线系统应具备的功能实现变电站全部一次电气设备（除隔离刀闸）绝缘参数的监测；实现变电站母线电压测量；一次电气设备绝缘参数越限自动报警；一次电气设备绝缘参数的管理和档案存贮；绝缘信息的网络化管理在线监测系统主柜常用变电所绝缘在线监测系统框架远程维护中心监测管理系统用户MIS系统服务器介质损耗在线监测模块避雷器在线监测模块铁芯接地电流监测模块油色谱在线监测模块局部放电在线监测模块检测点1检测点n检测点1检测点n检测点1检测点n检测点1检测点n检测点1检测点n常用变电所绝缘在线监测系统结构32/I开关主机显示器办公室计算机数据远传打印机程控放大精密交流放大器高频放大器高频放大器局放传感器局放传感器电压传感器电流传感器64/I开关油中气体监测主变压器绝缘在线监测绝缘油中溶解气体在线监测变压器局部放电在线监测变压器铁芯接地电流监测变压器油中含水量在线监测变压器绝缘套管介质损耗角正切在线监测变压器内部温升在线监测变压器油中溶解气体在线监测绝缘故障与绝缘油中溶解气体的关系油中溶解气体的产生：绝缘故障所产生的能量（热、电、光等）使高分子油纸绝缘裂解产生低分子气体，同时产生其他低分子有机物，如糠醛等；绝缘纸聚合度下降，降低绝缘寿命；故障气体部分溶解于油中，部分集中于气体继电器中。变压器油中溶解气体在线监测绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系——过热故障当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CH4和C2H4，他们的总和约占总烃的80%，且C2H4所占比例随着故障点温度的升高而增加；例如78台高温过热（温度高于700℃）故障变压器的C2H4占总烃的比例平均为62.5%，其次是C2H6和H2。据统计，C2H6一般低于20%；高、中温过热H2占氢烃总量（H2+C1+C2）的25%以下，低温过热时一般为30%左右；这是由于烃类气体随温度上升增长较快所致。过热故障一般不产生C2H2，只在严重过热时产生微量的C2H2;当故障涉及固体材料时，则还会产生大量的CO和CO2。

油纸绝缘热故障时的产气情况变压器油热分解固体绝缘物受热产生气体变压器油中溶解气体在线监测绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系——电弧放电故障当变压器内部发生电弧放电故障时，油中溶解的故障特征气体主要是C2H2、H2，其次是大量的C2H4、CH4；由于电弧放电故障速度发展很快，往往气体来不及溶解于油中就释放到气体继电器内，因此，油中溶解气体组分含量往往与故障点位置、油流速度和故障持续时间有很大关系；固体绝缘材料发生高能量电弧放电时，不仅产生较多CO、CO2，而且因放电能量密度高，产生的高速电子流轰击固体绝缘材料，致使其受到严重破坏；若对电弧放电故障不及时处理，严重时有可能造成变压器的重大损坏或爆炸事故。变压器油中溶解气体在线监测绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系——火花放电故障当变压器内部发生火花放电时，油中溶解气体的特征气体以C2H2、H2为主，因故障能量小，一般总烃含量不高，但油中溶解的C2H2在总烃中所占比例可高达25%~90%，C2H4含量约占总烃的20%以下，H2占氢烃总量的30%以上。当H2和CH4的增长不能忽视时，如果接着又出现C2H2的情况，这时可能存在着由低能放电发展成高能放电的危险。因此，当出现这种情况时，即使是C2H2未达到注意值，也应给予高度重视。变压器油中溶解气体在线监测绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系——局部放电故障当变压器发生局部放电时，油中的气体组分含量随放电能量密度不同而异，一般总烃不高，主要成分是H2，其次CH4。通常H2占氢烃总量的90%以上，CH4占总烃的90%以上。当放电能量密度增高时也可出现C2H2，但在总烃中所占比例一般小于2%，这是与上述电弧放电和火花放电区别的主要标志。变压器油中溶解气体在线监测绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系——绝缘受潮当变压器内部进水受潮时，油中的水分和含湿气的杂质容易形成“小桥”，导致局部放电而产生H2。水分在电场作用下的电解以及水和铁的化学反应均可产生大量的H2。所以受潮设备中，H2在氢烃总量中占比例更高。有时局部放电和绝缘受潮同时存在，并且特征气体基本相同，所以单靠油中气体分析难以区分，必要时根据外部检查和其它试验结果（如局部放电测试结果和油中微量水分分析）加以综合判断。变压器油中溶解气体在线监测变压器油中溶解气体在线监测系统的分类测量可燃性气体含量（TGG），包括H2、CO和各类气体烃类含量的总和，例如日本三菱电力公司研制的TGG监测装置。测量单种气体浓度，如H2或C2H2，最具典型的装置有加拿大SYPROTEC的HYDRAN系列装置，加拿大骏达国际有限公司的AMS-500PLUS-Calisto，由于以检测氢气作为第一特征量，因此只适合用于现场故障的初步诊断，要了解故障的详细信息还需进一步做色谱分析。测量多种气体组分的浓度。如美国GE公司NRPS在线监测装置；美国AVO公司TrueGas；英国凯尔曼公司研制的Tranfix、MINITRANS监测产品等，西南交通大学的TTMS监测产品等。变压器油中溶解气体在线监测监测对象：氢气；监测范围：0～2000μL/L；监测间隔时间：连续监测油中早期故障特征气体绝缘油中氢气气体在线监测变压器油中溶解氢气在线监测为什么测H2发现故障？用什么传感器，每种传感器均有什么优缺点？系统如何组成变压器油中溶解氢气在线监测总体框架变压器油中溶解氢气在线监测工程布线变压器油中多组分溶解气体在线监测系统组成与在线监测流程自动油气分离自动气体进样气体浓度检测故障诊断自动混合气体分离变压器油中多组分溶解气体在线监测油气分离技术顶空脱气法

1）静态顶空法；

2）动态顶空法注意：顶空法的影响因素真空脱气法（完全脱气法）

1）水银真空脱气法

2）变颈活塞脱气高分子半透膜脱气法变压器油中多组分溶解气体在线监测混合气体分离——气相色谱分离柱烃类在异氰酸苯酯多孔硅（HGD-201）上的分离次序

变压器油中多组分溶解气体在线监测气体检测技术热导检测器氢焰离子检测器电化学气敏传感器半导体气敏传感器红外气敏传感器接触燃烧式气体传感器变压器油中多组分溶解气体在线监测监测对象：氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔最小灵敏度：

H2<2μL/L；

C2H2<0.1μL/L；CO<5μL/L；

CH4<5μL/L；

C2H4<5μL/L；C2H6<2μL/L；检测周期<24小时TTMS绝缘油中六组分气体在线监测变压器油中多组分溶解气体在线监测TTMS在线监测系统气路结构变压器油中多组分溶解气体在线监测TTMS在线监测系统在线油气分离器

a)外观图b)透气膜压板c)透气膜衬板油气分离装置图油气分离装置安装图根据Fick第一定律，采用聚四氟乙烯平板膜作为透气膜（厚度0.2mm和孔径10nm）。油室和气室装在直径为55mm的圆筒状指中，为提高膜的抗压能力，用一个布满3mm直径小孔的铜板作为支撑。膜的有效分离面积699.435mm2，气室体积为4.6ml。变压器油中多组分溶解气体在线监测TTMS在线监测系统油气分离器效果气体H2COCH4平衡系数k0.980.4670.261气体C2H2C2H4C2H6平衡系数k0.0520.0350.022故障气体透出过程

平衡系数

变压器油中多组分溶解气体在线监测TTMS在线监测系统混合气体分离1号色谱柱的气体分离效果图变压器油中多组分溶解气体在线监测2号色谱柱的气体分离效果图TTMS在线监测系统混合气体分离变压器油中多组分溶解气体在线监测TTMS在线监测系统采集控制电路

以油中气体分析为基础的故障诊断判断变压器是否存在故障（1）阈值判断法

220kV及以上电压等级的变压器油中溶解气体超过如下值时需引起注意：氢气>150μL/L或总烃>150μL/L或乙炔>5μL/L；（2）产气速率判断法

绝对产气速率相对产气速率注：根据规程要求，变压器的总烃绝对产气速率大于0.25mL/h和相对产气速率大于10％/月时可以认定有故障存在。故障气体的增长模式以油中气体分析为基础的故障诊断变压器故障种类的判断——特征气体法序号故障性质特征气体的特点1一般过热性故障总烃较高，C2H2<5μL/L2严重过热性故障总烃较高，C2H2>5μL/L，但C2H2未构成主要成分，H2含量较高3局部放电总烃不高，H2>100μL/L，CH4占总烃的主要成分4火花放电总烃不高，C2H2>10μL/L，

H2含量较高5电弧放电总烃高，C2H2高并构成总烃中的主要成分，H2含量较高以油中气体分析为基础的故障诊断变压器故障种类的判断——特征气体法例：某240MVA220kV进口变压器（TDQ315F22W9K-99）属三绕组五柱铁心式结构。在正常运行情况下突发内部故障，主变压器重瓦斯及差动保护均动作，事故发生时系统无任何操作。事故发生后现场检查：故障录波器图上发现有2次短路故障。绝缘油色谱数据如表，请用特征气体法分析可能发生的故障种类。

时间C2H2CH4C2H6C2H4H2总烃COCO2事故前三个月0.6499762565.65601528事故当天81115115570726266731564以油中气体分析为基础的故障诊断变压器故障种类的判断——特征气体法

例题答案解析：乙炔与总烃浓度急剧上升，表明变压器内部发生了电弧性放电事故。对变压器抽油后开盖检查，发现箱底有部分散落烧焦的绝缘纸，内部故障已较严重。分析表明由于该变压器的a、b、c相的引出线（铜棒）均并在一起走线，因相互间距较长，引线也很长，中间采用外包纸绝缘后，再用U形木夹进行固定。由于U形木夹的空隙是固定的，不可能将引线夹的很紧，因此在复杂的电动力作用下，在夹紧处绝缘又相互直接摩擦，最终导致绝缘击穿事故。以油中气体分析为基础的故障诊断变压器故障种类的判断——三比值法过热性故障产生的骨故障特征气体主要是CH4和C2H4，而放电性故障主要的特征气体是C2H2和H2，为此可以采用CH4/H2来区分是放电故障还是过热故障。当温度升高或绝缘纸也过热时，CH4的含量还要增加。而温度的高低可以用体积之比C2H4/C2H6来区分，原因是随着故障点温度的升高，C2H4的比例将增加。C2H2的产生与高能量放电有关，低能量的局部放电一般无C2H2，所以可以用C2H2/C2H4判断放电故障的类型。以油中气体分析为基础的故障诊断变压器故障种类的判断——其他故障诊断法

除了特征故障气体法和三比值法，还存在立体图示法、大卫三角法、四比值法等其他一些传统的故障诊断法。近年来，神经网络、模糊技术、粗糙集等数学工具开始广泛应用于故障诊断，并建立了一些以人工智能为基础的故障诊断专家系统。在实际应用中，由于变压器故障表现形式以及故障起因均比较复杂，所以在进行故障诊断时，常常综合利用多种方法以求得到尽可能准确的诊断结果。

局部放电在线监测什么是局部放电？在电场作用下，绝缘系统只有部分区域发生放电而没有贯穿导体之间，即尚未击穿，这种现象称为局部放电；包括表面放电、电晕放电、内部放电。随着该过程中能量的释放，会伴随有电力，声音，光，热量和化学反应；其中电效应是可以测量的最有效部分。为什么要监测局部放电？局部放电是电压过高的标志，它最终会导致绝缘击穿或是更大的灾难性事故；局部放电测试可帮助您发现问题并可帮助您设计，生产，设置和维护高压设备（电力基础设施）；局部放电在线监测局部放电的在线监测方法电量监测法脉冲电流监测法微带天线监测法光纤传感器监测法非电量监测法油中气体在线监测超声监测法局部放电在线监测局部放电的脉冲电流在线监测方法局部放电在线监测脉冲电流在线监测方法——电流传感器为不改变被测设备的一次接线方式，一般采用穿心式高频电流互感器作为监测脉冲电流的传感器。且其一次侧大部分为一匝（有些情况也有采用多匝的），检测时将磁芯（圆形或方形）穿过被测设备的接地线或其他导线上，如图所示。磁性材料根据频率进行选择，当测量局部放电信号时选用铁氧体磁芯，其最高使用频率为500kHz～1MHz，相对磁导率为2000；传感器设计时必须注意其他一些问题。局部放电在线监测TTMS系统局部放电监测最小可测放电量：500pC测量频带：40K～3M放电脉冲的时间分辨率：10us相位分辨率0.18°32/132/18bit/D8bit/D总线模拟开关变压器首端传感器变压器末端传感器局部放电在线监测TTMS系统总体连线局部放电在线监测TTMS系统多路放大器便携式局部放电检测系统的应用国外发电厂局部放电在线监测应用国外变电站局部放电在线监测应用，局部放电在线监测的干扰线路或其它领近设备的电晕放电和内部的局部放电电力系统的载波通信和高频保护信号对监测的干扰可控硅整流设备引起的干扰无线电广播的干扰。这种干扰也是连续的周期性干扰，其频率在500kHz以上。其他周期性干扰。如开关、继电器的断合，电焊操作，荧光灯、雷电等的干扰以及旋转电机的电刷和滑环间的电弧引起的干扰等，这是一种无规律的随机性脉冲干扰。局部放电在线监测的抗干扰措施选择合适的监测频带系统的监测频带（△f=f2-f1，f2为上限频率，f1为下限频率）的选择原则是：能避开现场主要的干扰频带，使之在此监测频带下，监测灵敏度和信噪比最高。这可通过合理选择滤波器和电流传感器的带宽来实现。对于固定式监测系统，可实测现场连续的周期性干扰的频带。

局部放电在线监测的抗干扰措施差动平衡法（两台变压器）

差动平衡系统要求从CT1和CT2上输出的两路干扰信号完全一致，方能得到较高的抑制比。例如不少变电站常用两台结构完全相同或基本一致的主变压器，当CT1和CT2分别套接在各自得外壳接地线上时，等值电容Cx1与Cx2基本相同，这对干扰的抑制比较有效。但要判断哪台变压器发生局部放电时，还需借助其他的监测手段。

局部放电在线监测的抗干扰措施差动平衡法（单台变压器）

局部放电在线监测的抗干扰措施其他方法

采用脉冲极性鉴别法屏蔽接地硬件滤波和软件数字滤波

局部放电在线监测小结measurementofpartialdischargeisoftenadelicatetask-

liketryingtoweighabutterflythatalightsmomentarilyonscalesdesignedforanelephant(sometimesduringanearthquake)局部放电测试是一个精密的过程；就好象在一个称象的称上测量蝴蝶的体重arelativelylowlevelofpartialdischargeistakenasapositiveindicationofremainingservicelifeforHVequipment一个相关的局部放电测试可以预示高压设备的寿命11/5/20225:58PM67为什么要监测介质损耗介质损耗正切在线监测

高压西林电桥法介质损耗正切在线监测高压西林电桥法的优缺点

电桥法的优点：较准确、可靠，与电源波形频率无关，数据重复性好。缺点：接入了R3，改变了设备原有的运行状态，其他元件的接入也增加了PT1发生故障的概率。要选择可靠性高的元件和采取一些保护措施。介质损耗正切在线监测相位差法

介质损耗正切在线监测全数字监测法

容性设备在线监测一般的技术指标介质损耗正切：范围-100%～+100%，误差±0.1%（绝对值）；等值电容：50pF～10000pF，误差±0.5%（绝对值）；；传感器主机办公室计算机数据远传程控放大精密交流放大器电压传感器电流传感器64/I开关用tanδ判断绝缘状态的局限性例1:假设a绝缘的体积与b绝缘体积的受潮部分体积相同,a绝缘体积为b绝缘