特高壓變電站在線監(jiān)測系統的實踐與分析

常勇，謝佳妮，張雍赟

(1.國家電網公司運行分公司，北京市，100052;2.國家知識產權局專利審查協作中心，北京市，100190)

0 引言

目前我國電網骨干網架以500 kV交流和±500 kV直流系統為主，使得進一步增加電力輸送能力和規(guī)模受到嚴重制約，以1 000 kV級交流和±800 kV級直流系統為核心的特高壓骨干電網建設，是實現“西電東送、南北互供、全國聯網”戰(zhàn)略目標的必由之路［1-5］。1 000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程于2009年1月正式投入商業(yè)運行，3個變電站內一次設備包括特高壓主變、調壓補償變、線路并聯高抗、氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas insulated switchgear，GIS)。特高壓工程電壓等級高、現場運行環(huán)境復雜，其絕緣部分缺陷及劣化將會對電網的安全運行產生不可估量的影響，特高壓主變高抗核心設備如果因故障損毀，經濟損失巨大。為此，特高壓變電站主設備加裝了相對完備的在線監(jiān)測系統，搭建了可靠的故障檢測與診斷平臺，有助于提前發(fā)現危害設備運行的潛伏性故障，防止突發(fā)性事故的發(fā)生，并為今后實現狀態(tài)檢修提供了必要的技術支持。在線絕緣監(jiān)測系統在國內的應用已有先例，但應用效果及經驗尚需總結，本文將介紹特高壓工程絕緣在線監(jiān)測系統的結構，并結合實際運行經驗就其應用提出意見。

1 在線監(jiān)測系統的概念

隨著電網容量的增大，高壓電氣設備的數量不斷增加，傳統的預防性試驗及檢修已不能滿足電網的運行要求，狀態(tài)檢修勢必成為新的運行維護方式的核心理念。同時，由于高壓電氣設備的絕緣老化是一個累積和發(fā)展的過程，在很多情況下預防性試驗已無法發(fā)現設備潛在的缺陷。因此，高壓電氣設備絕緣在線監(jiān)測系統可以對反映電氣設備絕緣特性的關鍵對象進行在線、實時以及長期的監(jiān)測，從而在不影響電氣設備正常運行的前提下，對電氣設備絕緣老化趨勢進行評估和診斷［6］。

目前，高壓電氣設備絕緣在線監(jiān)測采用的方法有絕緣油在線色譜分析、交流泄漏電流、介質損耗角正切、局部放電及放電位置監(jiān)測、電容型設備電容值和絕緣子動態(tài)污穢等，通常對以下幾類設備進行在線監(jiān)測［7］。

(1)電容式電壓互感器(capacitor voltage transformer，CVT)、耦合電容器、電流互感器、套管等容性設備。目前，測量CVT、耦合電容器、電流互感器、套管等容性設備的在線監(jiān)測技術已日漸成熟，也取得了很多的應用效果。主要測試項目有介質損耗、泄漏電流、電容量、三相不平衡電流等。

(2)變壓器。變壓器的絕緣狀態(tài)通常用以下幾個電氣特征量來表示:油中溶解氣體、局部放電量及放電位置、介質損耗值、泄漏電流和設備電容值等。變壓器油中氣體濃度需要檢測濃度的氣體包括H2、CH4、C2H4、C2H2、C2H6、CO、CO2等 7 種氣體。根據這些氣體濃度，可評估變壓器的絕緣狀態(tài)。為了更準確地判斷故障類型及故障元件，可將氣相色譜法與電氣試驗結合起來，共同診斷設備所產生的故障。

(3)GIS。高壓開關設備內部絕緣部分的缺陷或劣化、導電連接部分的接觸不良等，使得其在事故潛伏期絕緣都可能產生放電現象，故可以通過對放電的監(jiān)測得到相關絕緣狀況。

(4)避雷器。檢測金屬氧化物避雷器(metal oxide arrester，MOA)泄漏全電流和阻性電流能有效地反映MOA的絕緣狀況，目前一般采用對運行中避雷器的全電流或阻性電流進行監(jiān)測的手段，并將所得數據與出廠及歷史數據相比較，即可發(fā)現避雷器的絕緣缺陷。

2 特高壓變電站絕緣在線監(jiān)測系統結構

隨著變電站自動化技術的發(fā)展，通過豐富的通信手段，絕緣在線監(jiān)測系統可以將變電站內所有在線監(jiān)測設備所采集的絕緣特性測量值綜合到變電站絕緣在線監(jiān)測工作站內，并對數據提供綜合瀏覽、存儲及分析服務，從而更全面地掌握變電站內電氣設備的運行狀況［8-9］。

晉東南變電站的各種在線測量裝置采集現場狀態(tài)量后，分別通過各種通信方式與1 000 kV繼電器小室的NSC300通信控制器通信，由NSC300通信控制單元對監(jiān)測數據進行規(guī)約轉換，然后上送站控層絕緣在線監(jiān)測工作站，由工作站完成對數據的處理和顯示。絕緣在線監(jiān)測系統單獨組網，與變電站自動化監(jiān)控系統網絡彼此獨立，其結構如圖1所示［10］。

圖1 1 000 kV特高壓變電站絕緣在線監(jiān)測系統Fig.1 Configuration of insulated online monitoring system for 1 000 kV UHV substation

3 變壓器絕緣在線監(jiān)測

3.1 TM8在線油色譜

TM8系列變壓器油中氣體色譜在線監(jiān)測儀是華電云通原裝進口美國Serveron公司的產品。TM8可以進行全面的變壓器絕緣溶解氣體分析(dissolved gas analysis，DGA)診斷，包括可以對8種關鍵故障氣體成分(H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、O2)、油中水分、油溫、環(huán)境溫度、變壓器負載等進行相關分析。TM8數據支持所有IEEE和IEC中的變壓器故障診斷工具，能達到快速報警和對故障的演示進行分析，在診斷工具上使用在線DGA數據給出了新的視角。TM8系統工作原理如圖2所示。

圖2 TM8系統工作原理Fig.2 Operating principle of TM8 system

圖2中變壓器油在油箱內部進行循環(huán)流動。TM8監(jiān)測系統在變壓器油箱中部通過油泵抽取流動的油樣，注入氣體分離器，在分離器中通過毛細管束實現油中氣體和真空空間的動態(tài)平衡，并且在油壓作用下油樣一直處于流動狀態(tài)。氣體被氣路部分的微泵抽入注入池，通過和載氣混合，并在載氣的壓力下推入色譜柱。從色譜柱分離出來的各種氣體進入熱導池進行定量監(jiān)測，監(jiān)測結果通過微控制器進行就地數字轉換，并進行外部通信上傳。

通過對油中氣體色譜分析、變壓器負載以及環(huán)境度的定時測量可以實現產氣與外部事件的關聯。對所有關鍵故障氣體的連續(xù)測量可以給出變壓器故障的早期預報，避免發(fā)生變壓器事故，減少非計劃停電次數。通過長期、全面的在線監(jiān)測積累足夠的信息，使持續(xù)的變壓器狀態(tài)評估成為可能，進而形成專家知識庫，最終實現狀態(tài)檢修降低維修成本?，F場安裝的TM8監(jiān)測終端如圖3所示。

圖3 現場安裝的TM8監(jiān)測終端Fig.3 Field installation of TM8 Monitor terminal

3.2 TMB套管絕緣在線監(jiān)測設備

該設備主要監(jiān)測高壓設備套管、高壓電容式電壓互感器、高壓電流互感器、耦合式電容器。采用高性能單匝穿心式微小電流傳感器技術，測量高壓套管的介質損耗、等效電容與泄漏電流等參量。利用高靈敏度電流傳感器，不失真地采集套管末屏對地電流信號，同時從相應的PT取得電壓信號，通過對數字信號的運算和處理，得出介質損耗和等效電容量等信息。最終利用專家系統分析、判斷、預測套管絕緣的健康狀況。

TMB系統的安裝不改變原有電力設備的接線、接地模式，監(jiān)測系統和電氣系統只有磁聯系，沒有電聯系，不會對一次系統造成任何干擾和影響。同時系統具備自校準功能，在規(guī)定的時段內主動校準由于硬件電路老化、溫度變化帶來的誤差。系統同時具備多路PT信號采集，使得系統在計算介損和電容值時，有效避免了以往采取的單一PT信號以及現場取用220 V電源信號做參考時帶來的誤差。同時PT信號數字化傳輸到各個計算節(jié)點，有效抑制了監(jiān)測系統對PT的負載效應。TMB系統工作原理如圖4所示。

圖4 TMB系統工作原理Fig.4 Operating principle of TMB system

3.3 GIS絕緣在線監(jiān)測

GIS絕緣在線監(jiān)測設備采用的是日本東芝公司的NCT裝置。該裝置通過安裝在GIS設備內部的多個傳感器，采集GIS開關觸點電流、觸點損耗、觸點溫度、絕緣氣體溫度和氣體壓力，并根據采樣值發(fā)送相應告警信息。同時，該設備還記錄GIS設備每次開關動作信息。

GIS設備的設計理念是免維護的，然而實際運行中由于設備制造、運行環(huán)境等原因GIS的設備故障并不少見。因此實際運行中對于GIS設備在每次大修中仍會開展一些檢修工作。如果能夠充分利用GIS在線檢測系統，實現設備狀態(tài)檢修，對于設備健康水平和減少不必要的重復性工作大有益處。

4 運行實際經驗

特高壓主變及高抗是整個變電站內最重要也是最昂貴的設備，運行單位從防止重大停電事故和設備損失的角度出發(fā)，尤其重視對主變高抗的絕緣監(jiān)測。實際運行經驗表明，如果使用維護得當，并結合一段時間的運行經驗，主變高抗的絕緣監(jiān)測系統對于主變高抗內部絕緣故障的早期診斷發(fā)現有重要作用。特高壓變電站某臺高抗的故障處理過程很好地佐證了這一觀點。圖5～6是該高抗投運后一段時間內C2H2在線監(jiān)測的紀錄結果，圖5～6中采樣檢測間隔為10 min。其中A相高抗在投運后的很長時間內C2H2含量很低，在1 mg/ml以下。但是在第3 784個采樣點附近可以明顯觀察到C2H2含量有一個突然的躍變，測量數值躍變?yōu)? mg/ml。而將A相與B相監(jiān)測結果相比較可以看出，隨著運行時間的增加，B相高抗C2H2含量基本穩(wěn)定在0值附近。檢修人員對高抗A相進行了色譜取樣分析，分析發(fā)現高抗的色譜數據確實發(fā)生了突變(由之前的1.29 mg/ml變?yōu)?.12 mg/ml)，利用三比值法對色譜數據進行分析，高抗A相的比值為“1，0，2”，為低能量放電。

這次故障的處理過程中，在線絕緣監(jiān)測系統發(fā)揮了顯著的作用，實時連續(xù)的監(jiān)測結果雖然在測量精度上有一定局限，但是足以作為故障趨勢判斷的依據。結合離線的精確油色譜分析可以迅速準確地進行故障判定，避免故障擴大、損壞在運設備、破壞系統安全運行。

5 結語

特高壓交流試驗示范工程一次設備加裝了完善的在線監(jiān)測系統，特別是變壓器在線油色譜儀對于及時掌握變壓器運行健康水平、及早發(fā)現設備故障發(fā)揮了良好作用。 本文介紹了特高壓長治站的在線監(jiān)測系統的總體結構，詳述了在線監(jiān)測各分系統的結構及原理。結合實際運行經驗，分析了一次故障處理過程中主變高抗在線監(jiān)測系統發(fā)揮的故障前期預警功效，為在線監(jiān)測系統的推廣應用積累了經驗。

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