幾種在線監(jiān)測技術(shù)在冀北電網(wǎng)500kV變電站中的應(yīng)用

張 偉 刁彥平 王建偉 魏海軍 田 霖

（國網(wǎng)冀北電力檢修分公司，北京 102488）

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷增大、互聯(lián)程度逐步提升，電力系統(tǒng)對設(shè)備安全可靠性的要求日益增強(qiáng)。為提高設(shè)備檢修工作的針對性和有效性，避免設(shè)備失修或過度檢修，合理降低生產(chǎn)成本，國內(nèi)外電網(wǎng)公司積極推進(jìn)狀態(tài)檢修工作。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，電力系統(tǒng)實(shí)施狀態(tài)檢修可以提高設(shè)備利用率 2%～10%，節(jié)約檢修費(fèi)用25%～30%，延長設(shè)備使用壽命 10%～15%，為電力企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益[1]。

通過持續(xù)規(guī)范的設(shè)備跟蹤管理，對各種離線、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確有效的設(shè)備狀態(tài)評價，是開展?fàn)顟B(tài)檢修工作的基礎(chǔ)[2]。相對于傳統(tǒng)的停電檢修模式，電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)為輸變電設(shè)備在運(yùn)行條件下的狀態(tài)診斷、缺陷部位的定位、缺陷程度的定量分析提供了有力依據(jù)，對避免設(shè)備事故具有重要價值[3]。

1 電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)介紹

近年來隨著電子技術(shù)的進(jìn)步和信息化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外已形成相對成熟輸變電設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)，如油中溶解氣體在線監(jiān)測、局部放電在線監(jiān)測、接地電流在線監(jiān)測、容性設(shè)備介質(zhì)損耗及電容量帶電檢測、避雷器泄漏電流在線監(jiān)測等，現(xiàn)場應(yīng)用中積累了大量數(shù)據(jù)和分析經(jīng)驗(yàn)，為保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮著巨大的作用。

電力設(shè)備狀態(tài)量的及時、準(zhǔn)確獲取是輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修工作有序開展的前提。除各類設(shè)備停電例行試驗(yàn)、帶電檢測工作外，冀北電網(wǎng)500kV變電站配置了在線監(jiān)測系統(tǒng)并逐步完善裝置覆蓋率、系統(tǒng)接入率，對油色譜、局部放電、接地電流、介損及電容量等狀態(tài)參量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。在線監(jiān)測系統(tǒng)由信號采集裝置、信號接收裝置、后臺服務(wù)器構(gòu)成，框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)框架

1.1 油中溶解氣體在線監(jiān)測

油中溶解氣體分析是診斷充油設(shè)備過熱性、電弧性、絕緣破壞等內(nèi)部潛伏性故障的有效方法。作為試驗(yàn)室DGA分析的補(bǔ)充和發(fā)展，油中溶解氣體在線監(jiān)測技術(shù)具有分析周期短、連續(xù)在線監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，已在冀北電網(wǎng)廣泛應(yīng)用。在變壓器等設(shè)備中安裝油中特性氣體傳感器，連續(xù)監(jiān)測油中氣相色譜數(shù)據(jù)，對特征氣體含量和增長率實(shí)時分析，可及時發(fā)現(xiàn)電力變壓器運(yùn)行過程中的潛在故障，實(shí)現(xiàn)變壓器故障的監(jiān)測和預(yù)警。

器油中溶解氣體在線監(jiān)測技術(shù)主要分為油中溶解單組分、多組分氣體在線監(jiān)測技術(shù)兩大類別。前者監(jiān)測油中H2、C2H2、微水等某一特征氣體組分含量或以之為主的混合氣體濃度，直接測量字體體積分?jǐn)?shù)而不進(jìn)行氣體組分分離；后者先對油中溶解氣體進(jìn)行油氣分離，再對利于診斷和判別變壓器故障的多種氣體組分（H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2）進(jìn)行分離、測量[4]。目前，冀北電網(wǎng) 500kV變電站中應(yīng)用的油中氣相色譜在線監(jiān)測裝置主要為上海思源、寧波理工、河南中分、武漢南瑞等廠家等廠商的全組分監(jiān)測產(chǎn)品，采集裝置對油中氣體進(jìn)行色譜分離，利用傳感器將氣體組分的濃度變?yōu)殡娦盘?，上傳至主站服?wù)器進(jìn)行分析和計算，實(shí)現(xiàn)變壓器故障的在線監(jiān)測。監(jiān)測界面如圖2所示。

1.2 局部放電在線監(jiān)測

電氣設(shè)備制造安裝過程產(chǎn)生的局部缺陷、運(yùn)行過程中油質(zhì)劣化、材料局部老化分解等原因會導(dǎo)致局部放電的發(fā)生，使絕緣進(jìn)一步劣化甚至擊穿，造成設(shè)備故障。局部放電在線監(jiān)測通過檢測局部放電水平，考察設(shè)備內(nèi)部絕緣發(fā)生的變化，是發(fā)現(xiàn)潛在絕緣故障的有效方法[5]。

圖2 油中溶解氣體在線監(jiān)測界面

現(xiàn)有局部放電在線監(jiān)測方法主要分電測法、非電測法兩類。其中，電測法以局部放電時的電磁信號作為輸入，包括脈沖電流法、超高頻檢測法、超寬頻檢測法等[6-7]；非電測法以局部放電過程產(chǎn)生的聲、光、熱等非電氣信號作為輸入，包括超聲波法、光測法等[8-9]。超高頻/超聲波結(jié)合法因具有較強(qiáng)的抗干擾能力、定位能力和經(jīng)濟(jì)性，在電氣設(shè)備局部放電監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用[10]。

1.3 鐵心接地電流在線監(jiān)測

變壓器、高抗等設(shè)備運(yùn)行過程中，鐵心、夾件等金屬構(gòu)件處于交變電場中。如鐵心未可靠接地，則會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，破壞絕緣；如鐵心出現(xiàn)多點(diǎn)接地，則會在接地點(diǎn)間形成閉合回路，造成過熱性故障。鐵心接地電流大小是鐵心接地故障的重要指標(biāo)。根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)的不同，正常狀態(tài)下鐵心接地電流在幾毫安至幾十毫安的范圍內(nèi)，規(guī)程要求，接地電流大于100mA時應(yīng)予注意[11-12]。目前，基于穿心電流傳感器取樣測量的在線監(jiān)測裝置已開始應(yīng)用于冀北電網(wǎng)500kV變電站中，為設(shè)備鐵心接地故障的及時發(fā)現(xiàn)以及故障、缺陷跟蹤監(jiān)測提供了重要依據(jù)。監(jiān)測界面如圖3所示。

圖3 鐵心接地電流在線監(jiān)測界面

1.4 電容型設(shè)備介損及電容量在線監(jiān)測

電力系統(tǒng)中含有大量的容性設(shè)備，如電容器、電容式電壓互感器、電流互感器、電容式套管等。通過介質(zhì)損耗、電容量測量可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備絕緣整體受潮、劣化變質(zhì)等缺陷。目前，容性設(shè)備在線監(jiān)測方法大致分為絕對法、相對法兩種。絕對法以容性設(shè)備末屏電流信號為輸入，利用電壓互感器二次端子電壓信號作為參考，測量介損和電容量的絕對值。由于電壓互感器二次端子的角差遠(yuǎn)大于現(xiàn)有測試儀分辨率，絕對法數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較差[13]。相對法利用同相、同種設(shè)備末屏電流信號作為參考，計算相對介損和電容量，通過其變化趨勢判斷設(shè)備的劣化情況，是介損及電容量在線監(jiān)測的成熟方法。公司現(xiàn)采用的電容型設(shè)備在線監(jiān)測裝置通過安裝在現(xiàn)場的無線同步電流電壓傳感器、無線同步控制器完成各種在線監(jiān)測信號的傳感、采集、預(yù)處理，無線數(shù)據(jù)采集裝置將信息送給數(shù)據(jù)服務(wù)器，運(yùn)維檢修人員通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)施監(jiān)控查詢。監(jiān)測界面如圖4所示。

圖4 介損及電容量在線監(jiān)測界面

1.5 避雷器泄漏電流在線監(jiān)測

金屬氧化物避雷器是電力系統(tǒng)中限制雷擊過電壓和操作過電壓的主要設(shè)備。運(yùn)行過程中，包含阻性電流分量和容性電流分量的泄漏電流在避雷器閥片中持續(xù)流過。當(dāng)金屬氧化物閥片受潮、老化時，阻性電流分量顯著增長。因此，監(jiān)測全電流及阻性電流分量可以及時發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的避雷器可能存在的絕緣問題。監(jiān)測界面如圖5所示。

圖5 避雷器泄漏電流在線監(jiān)測界面

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 某站主變低壓側(cè)磁屏蔽絕緣破損問題分析

2008年1月9日，某500kV變電站2號主變在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，A 相油中出現(xiàn)乙炔（0.3μL/L）。通過局部放電在線監(jiān)測裝置獲得的變壓器本體局放超聲數(shù)據(jù)顯示，1月11日至3月28日期間，高壓側(cè)、低壓側(cè)傳感器多次收到間斷性信號，且幅值變化較大；每次低壓側(cè)出現(xiàn)大的超聲信號后，油中乙炔含量均經(jīng)過一段延時后上升，且脈沖持續(xù)時間越長乙炔增量越大。后續(xù)跟蹤測試表明，油中乙炔緩慢、非連續(xù)性上升；低壓側(cè)出現(xiàn)間斷性大脈沖超聲信號，最強(qiáng)達(dá)到基線值的900多倍。超聲局放、油中溶解氣體跟蹤測試結(jié)果如圖 6、圖 7所示。由于鐵心接地線上未監(jiān)測到局放脈沖信號，該故障與重要部位放電規(guī)律有別。分析認(rèn)為，變壓器內(nèi)部可能存在某種特殊的間歇性放電。

圖6 超聲波在線局放監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖7 油中C2H2含量變化

2008年11月21日，該主變退運(yùn)，專業(yè)人員對其行了解體檢查。檢查發(fā)現(xiàn)，低壓側(cè)油箱磁屏蔽層出現(xiàn)破損，在第4塊油箱磁屏蔽絕緣紙板斷裂處有放電痕跡，如圖8所示。綜合各項(xiàng)在線、離線測試數(shù)據(jù)及設(shè)備解體情況，分析認(rèn)為：低壓側(cè)油箱磁屏蔽在漏磁場作用下形成閉環(huán)，導(dǎo)致緣破損處產(chǎn)生不斷拉開、接觸的放電，最終導(dǎo)致變壓器油分解、特征氣體產(chǎn)生。

圖8 低壓側(cè)油箱磁屏蔽破損

2.2 某站電容式電壓互感器缺陷分析

2012年12月6日，某站500kV線路電容式電壓互感器C相在線取樣裝置測得末屏電流為0，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。末屏帶電測試儀測試顯示，末屏部位無放電現(xiàn)象，電容末端未出現(xiàn)懸浮電位的情況，設(shè)備內(nèi)部可能存在其他缺陷。

經(jīng)過帶電檢查發(fā)現(xiàn)，二次端子箱內(nèi)電容末端絕緣支柱的穿心螺栓斷裂，且斷開后恰與保護(hù)間隙另一端搭接，使電容末端經(jīng)由保護(hù)間隙不可靠接地，如圖9所示。設(shè)備運(yùn)維部門對該電容式電壓互感器進(jìn)行了停電檢修處理，消除斷裂部分偏移造成高懸浮電位進(jìn)而燒毀設(shè)備的可能，防止了事故的發(fā)生。

圖9 電容末端支柱螺栓斷裂

3 在線監(jiān)測工作相關(guān)經(jīng)驗(yàn)

在線監(jiān)測實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段部分在線監(jiān)測技術(shù)已趨于成熟，為設(shè)備異常分析、缺陷處理提供了更加豐富的數(shù)據(jù)參考，逐步推進(jìn)著檢修模式的轉(zhuǎn)變[14]。冀北電網(wǎng)500kV變電站中在線監(jiān)測工作開展過程中歸納總結(jié)了一定的經(jīng)驗(yàn)，并展現(xiàn)出了部分亮點(diǎn)，可為狀態(tài)檢修工作的深化提供參考依據(jù)。

1）狀態(tài)監(jiān)測模式多樣化

目前，公司部署的在線監(jiān)測裝置提供了多種狀態(tài)監(jiān)測模式。監(jiān)測位置方面，可在站端、遠(yuǎn)端客戶端或?yàn)g覽器監(jiān)視實(shí)時數(shù)據(jù)；監(jiān)測方式方面，可通過在線監(jiān)測分析軟件、數(shù)字化電網(wǎng)系統(tǒng)、狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查閱、分析、導(dǎo)入與導(dǎo)出等功能。

2）在線與帶電檢測協(xié)同作業(yè)

在線監(jiān)測系統(tǒng)信號采集裝置采用通用接口設(shè)計，為特殊時期帶電巡檢、異常跟蹤、在線監(jiān)測與帶電檢測數(shù)據(jù)對比提供了便利條件。以電容型設(shè)備相對介損及電容量測試為例，運(yùn)維檢修人員可在大負(fù)荷期間、特殊保電、設(shè)備異常時期使用在線裝置通用接口進(jìn)行帶電檢測，及時發(fā)現(xiàn)絕緣老化、受潮、破損等缺陷。

3）狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)深度融合

在線監(jiān)測裝置為狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)提供了多種設(shè)備狀態(tài)參量。綜合投運(yùn)前信息、帶電檢測數(shù)據(jù)、設(shè)備缺陷記錄、故障跳閘情況、不良工況記錄、家族性缺陷等，狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備類型全覆蓋、設(shè)備狀態(tài)評價信息全覆蓋，為運(yùn)維檢修工作提供故障診斷、狀態(tài)預(yù)警、狀態(tài)評價、檢修決策等方面的建議，有效降低了傳統(tǒng)檢修過程的人財物資源消費(fèi)。

4 結(jié)論

現(xiàn)階段在線監(jiān)測工作正在良性發(fā)展并取得了一定成果，但相關(guān)裝置的應(yīng)用、管理、可靠性等仍需進(jìn)一步完善，在線監(jiān)測工作將從以下三個方面深入推進(jìn)。

1）加強(qiáng)在線監(jiān)測裝置入網(wǎng)管理

在線監(jiān)測技術(shù)正處于快速發(fā)展期，相關(guān)裝置類型眾多。需要制定標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備可靠性、有效性進(jìn)行篩選與驗(yàn)證，確保在線裝置滿足測量誤差、絕緣性能、電磁兼容性、環(huán)境適應(yīng)性、機(jī)械性能等相關(guān)要求，防止質(zhì)量低劣的產(chǎn)品掛網(wǎng)使用后對電網(wǎng)穩(wěn)定性造成不良影響。

2）提高監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行可靠性

在線監(jiān)測裝置靈敏度、內(nèi)部元件性能、抗干擾性等指標(biāo)影響著其可靠性的提升。設(shè)備運(yùn)維管理部門應(yīng)及時分析對比在線、離線監(jiān)測數(shù)據(jù)，將相關(guān)問題反饋給廠商，不斷優(yōu)化設(shè)備性能；強(qiáng)化裝置校驗(yàn)工作，防止在線監(jiān)測裝置運(yùn)行過程中老化、精度下降等影響監(jiān)測數(shù)據(jù)、狀態(tài)評價、檢修決策結(jié)果準(zhǔn)確性。

3）完善數(shù)據(jù)分析決策模塊功能

結(jié)合數(shù)字化電網(wǎng)系統(tǒng)，對各種設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、梳理，深入挖掘數(shù)據(jù)倉庫，加強(qiáng)數(shù)據(jù)集成、統(tǒng)計分析功能，形成信息化的輔助決策系統(tǒng)，為輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修提供有效參考。

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