变电站设备在线监测的现状及发展

变电站设备在线监测的现状及发展

1在线监测技术是电力系统发展的要求在线电气设备监测是指使用传感器、电子、计算机等技术，通过对高压设备运行中的信号采集、传输、数据处理和逻辑评估，对电气设备的运行状态进行区域或实时监测和诊断。我国对电力设备的检修维护执行的是以预防性试验规程为基础的计划检修制度(TBM),在我国已有40多年的历史,其主要依据是现行试验标准“DL/T596—1996《电力设备预防性试验规程》”。随着电力系统朝着高电压、大容量的方向发展和社会对电力系统的安全可靠性指标的提高以及计划检修(TBM)向状态检修(CBM)模式的转变,在线监测装置可为状态检修(CBM)提供可靠的设备状态信息,因此,开展在线监测技术是电力系统发展的要求。随着电力电子技术、传感技术、信息处理技术、计算机和网络技术的快速发展,使得在线监测技术在广泛使用这些先进技术的基础上取得了较大突破,开始进入实用化阶段。2在线监测的主要实现形式2.1外围电路等这种在线监测系统是将各种传感器安装于所检测设备上,而将A/?D转换,CPU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、分析以判断设备状态。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,也难以实现实时检测、远程检测和集中管理。目前,许多电力科研所都开发了类似产品并投入使用。2.2在线监测的方法主要是利用确立一个模拟量和转换流式设备等工艺线这种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诊断系统组成。在被测设备上装设各种传感器(电流、电压、温度、湿度等),集中采集不同的模拟量,通过屏蔽电缆将微弱模拟信号导入多路选择开关,通过选择开关将信号传入数字波形装置进行模数转换,然后由主机进行信号处理。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,然后通过一根多芯屏蔽总线电缆把选择的模拟信号传入主机,由主机进行循环检测和处理。集中式在线监视系统检测设备多、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。2.3分布多监控结构的分层级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,由主机进行循环检测及处理。分层(级)分布多CPU结构采用模块化结构和现场总线技术,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,再通过公共电话网络,把若干个变电站的监测数据汇集到位于供电企业相关管理部门的数据管理诊断系统,实现对多个变电站内的电气设备状态的实时在线监测。分层(级)分布多CPU结构的每一层完成不同的功能,每一层由不同的设备或系统组成,一般来说,整个系统分为4层:本地模块层、通信模块层、主控模块层、局管模块层。这种在线监测系统可用于无人值班变电站。3在线监测的现状和研究方向3.1主电源的在线监控变压器的在线监测主要项目有:油中溶解气体测量和分析、局部放电测量和定位、绕组变形、有载分接开关的触头磨损和电气回路的完整性测量等。3.1.1油中特征气体传感器在线监测监测变压器油中特征气体量——油中溶解气体分析(DGOA)已被证明对于发现油浸变压器内部潜伏性故障,特别是过热性、电弧性、绝缘破坏性故障相当有效和可靠。DGOA作为变压器的主要试验项目被列为《DL/T596—1996预防性试验规程》D的变压器项目首位。根据模拟试验和现场试验得出以下结论:电弧性放电能使油分解出乙炔、氢及少量的甲烷;局部放电分解出氢和甲烷;变压器油过热分解出氢、甲烷、乙烯、丙烯;绝缘材料过热还会分解出一氧化碳和二氧化碳。《变压器油中溶解气体分析和判断导则》对一些特征气体的注意值和产气率也作了规定,如表1所示。产气速率不大于0.25ml/h(开放式)和0.5ml/h(密封式)。目前DGOA主要根据试验周期采用离线形式进行测量,但是,有些发展周期短的故障在两次定期取样期间可能监测不到。安装油中特征气体传感器对油中气相色谱实施在线监测,就可以解决这个问题。现在,国内安装较多的油气相色谱在线监测装置是加拿大Syprotec的HYDRAN20I智能变压器早期故障监测系统,其监测组分和响应为100%H2+15%CO+8%C2H2+1%C2H4,这是一种以氢气为主的监测仪,但对乙炔反映不敏感,也无法用三比值等判据进行判断分析。美国MM公司的TRVEGASTM全组分DGOA监测仪,可以监测H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8、C3H6、CO、CO2等9种气体,所采集数据经处理后可使用三比值、四比值、谱图法等进行分析和故障诊断。这是一种性能较好的在线监测系统,但成本较高,价格昂贵。国内此类在线监测装置开发不多,某单位研制的变压器油色谱在线监测和诊断系统能对H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2七种气体进行监测,其中乙炔监测灵敏度达1ppm,其余气体为10ppm,并包含有故障诊断系统,当特征气体超标时,可以使用三比值法进行分析判断。该系统应能满足现场在线监测的要求。但仍需进一步完善专家诊断功能。3.1.2局部放电在线监测系统的应用局部放电(PD)是变压器常见故障的主要原因。据统计,我国110kV及以上电力变压器事故中,有50%属于正常运行电压下,发生匝间短路,其原因大都是局部放电所致。变压器绝缘结构复杂,如果设计不当,可能造成局部区域场强过高,工艺上存在某些缺点可能会使绝缘中含有气泡,运行中油质劣化分解脱出气泡,机械振动和局部材料过热也会分解出气泡,以上几种情况都会导致局部放电,而局部放电又会进一步导致绝缘恶化乃至击穿。因此,在线监测局部放电具有重要意义。国内许多单位都在进行高压电器设备的PD研究,目前,基于模式识别方法的局部放电数字化检测装置及三维图谱很有特色,但由于现场干扰源的相异性及复杂性,使在线监测的信噪比仍需进一步提高。现在现场使用较多的是JFD—2B局部放电在线监测装置,它采用“直线插入定位法”加数字滤波定位,在绕组首端、末端获取信号,并用数字滤波、逻辑判断排除外部干扰;其次采用干扰平衡装置在变压器各绕组末屏、中性点和铁心接地线获取信号,排列成数组“平衡对”,使所测信号反向相加消除外部干扰,获得变压器局部放电量值和脉冲个数。但是,也存在所测数据重复性较差的问题。3.2在线监测,自动监测目前,国内开展最多、最早的就是容性设备的在线监测,这方面的技术已逐渐成熟,也取得了很好的应用效果。主要测试项目有:泄漏电流、电容量、介质损耗、不平衡电流等。3.2.1材料的稳定性和抗干扰性电容性设备泄漏电流的测量信号是从末屏采集的,一般为毫安级,由于在现场易受强电场的干扰,因此要求传感器具有较高的稳定性和抗干扰性,材料一般使用线性度和稳定性高的披莫合金,结构采用零磁通传感器,并用钢质外壳屏蔽,传输线则采用双屏蔽或多屏蔽电缆来减少电磁干扰。现在倾向于将采集信号就地进行数字化处理以消除干扰,电容量的测量是根据泄漏电流和采集的母线电压换算得到的。国内泄漏电流和电容量在线监测装置数据准确、稳定,可以满足现场需要。3.2.2介质损耗测量中谱波分析法对于容性高压设备,介质损耗的测量是一项灵敏度很高的试验项目,对于发现设备绝缘整体受潮、劣化变质以及小体积被试设备的贯通和未贯通局部缺陷非常有效。介质损耗的在线监测项目开展很早,最初根据介损电桥原理选取合适的高压标准电容Cx、R3等进行现场带电测试,但受电场干扰严重。后来运用单片机,采用“过零补偿法”进行在线测量,这种方法受电网谐波和元件零漂影响使得测试数据极不稳定。介质损耗测试示意图如图所示。近年来,在介损测量的数据处理上取得突破,主要使用谱波分析法,将含有谐波分量的电压函数通过付里叶变换展开。U(t)=C0+∑n=1∞Cnsin(nω1t+φn)U(t)=C0+∑n=1∞(ansinnω1t+bnsinnω1t)φn=tg−1anbnC0=1T∫T0f(t)dtan=2T∫T0f(t)cosnω1tdtbn=2T∫T0f(t)sinnω1tdtU(t)=C0+∑n=1∞Cnsin(nω1t+φn)U(t)=C0+∑n=1∞(ansinnω1t+bnsinnω1t)φn=tg-1anbnC0=1Τ∫0Τf(t)dtan=2Τ∫0Τf(t)cosnω1tdtbn=2Τ∫0Τf(t)sinnω1tdt在计算机中将连续信号离散为数字信号,并进行数字运算,就可从电压、电流信号中求取U1m、I1m,及初相角φ1u、φ1i,从而得到介质损耗值tgδ=tg(φ1u-φ1i)。这种采集信号处理方法应该是合理可行的,消除了谐波的影响,因此介质损耗测量结果存在一些波动的原因,不应该是数据处理方法不当的缘故。目前,普遍认为是由于受大气条件(温度、湿度)的影响,以及PT二次负载变化、电网波动所致。如何消除这些影响,还需进一步研究。3.3交流交流几何质量和在线监测高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备,因此断路器的在线监测非常重要,其项目应包括:绝缘特性、开断能力(剩余寿命)、机械特性。其中绝缘特性通过测量断路器外绝缘和拉杆绝缘泄漏电流可以很好地实现;触头磨损和剩余寿命评估是通过测量I2t的累积量来实现的,电流取自电流互感器的二次侧,时间则由开关的辅助接点的动作时间确定,开关的I2t数据则由生产厂家提供;断路器机械特性和真空泡真空度的在线监测目前还都没有很好的实现方法;GIS的局部放电在线监测已有产品开发成功,是采用“振动法”的原理来检测局部放电。从以上可以看到:断路器机械特性在线监测是今后研究应用的重点。3.4阻性电流的测定全电流监测实现较为容易,阻性电流监测则是从电压互感器取得电压信号,经微分前移90°后,模拟氧化锌阀片电压中的容性分量,并调整大小使其与容性电流相同,与避雷器总电流一起输入差分放大器,将容性分量补偿掉,从而测得阻性电流。从检测数据上看,数据很稳定,可以实现正常的监测目的。3.5小体积、小体积、小体积、小体积、小体积、杂散电流时测量误差与测量误差目前主要是通过叠加直流电压法进行监测,但是存在以下两个缺点:一是杂散电流变化或端部表面漏电阻下降时,会使测量误差变大;二是接地变压器(GPT)长期流过直流电流,会发生磁饱和产生零序电压,引起继电保护误动。3.6电压广来电压测量目前的实现方法是测量一次励磁电流来判断一次绕组的好坏,通过测量一、二次绕组之间的泄漏电流