基于套管壓力和溫度的在線監(jiān)測技術(shù)研究

張玉輝，唐 程，孫永剛，王玉強(qiáng)，魏 恒

目前西部地區(qū)已經(jīng)形成了以750kV 電網(wǎng)與特高壓電網(wǎng)為主的電力外送通道，其已累計外送超過100 億kW·h。掌握750kV 主設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、保證750 千伏主設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，顯得尤為重要。特別是750kV 高壓套管。由于充油套管結(jié)構(gòu)的特殊性，目前針對充油套管的有效檢測和監(jiān)測手段幾乎沒有。且近期800kV 高壓套管壓力異常導(dǎo)致的事故頻發(fā)，故研究出一種可以持續(xù)監(jiān)測主設(shè)備高壓套管方法顯得尤為重要。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，就是圍繞電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，充分應(yīng)用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機(jī)交互，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活特征的智慧服務(wù)系統(tǒng)，包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層四層結(jié)構(gòu)。通過對感知層的研究，最終實(shí)現(xiàn)對變電設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行環(huán)境的智能感知、異常設(shè)備重點(diǎn)監(jiān)測、設(shè)備狀態(tài)的智能預(yù)警研判等功能，從整體上提高運(yùn)檢工作效率，逐步實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)人工運(yùn)維模式向智能運(yùn)維模式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備運(yùn)檢從事后檢修到事前診斷及主動預(yù)警的轉(zhuǎn)化。

2 溫度和壓力監(jiān)測技術(shù)

2.1 技術(shù)研發(fā)背景

圖1 高壓絕緣套管油壓溫度在線監(jiān)測裝置示意圖

變壓器絕緣套管是變壓器的重要組成部分，它將變壓器內(nèi)部高、低壓引線引到油箱外部，既作為引線的對地絕緣，也起到了固定引線的作用。因此，它必須具有規(guī)定的電氣強(qiáng)度和足夠的機(jī)械強(qiáng)度。同時變壓器絕緣套管也是變壓器載流元件之一，必須具有良好的熱穩(wěn)定性，能承受變壓器正常運(yùn)行時工作電流產(chǎn)生的長期發(fā)熱和通過短路電流時的瞬間過熱。如果變壓器絕緣套管存在缺陷或發(fā)生故障，將直接危及變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。如果絕緣套管發(fā)生故障，介質(zhì)溫度將會升高，隨之油壓將會產(chǎn)生變化（符合力學(xué)的物理規(guī)律），所以在絕緣套管末端加裝絕緣油壓力在線監(jiān)測將會直接反應(yīng)設(shè)備內(nèi)部的壓力和溫度變化，提供設(shè)備的介質(zhì)壓力周期性數(shù)據(jù)支撐，方便檢修人員對高壓絕緣套管的故障進(jìn)行預(yù)判。如圖1 所示。

2.2 技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)方法

2.2.1 壓力密度溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)方便直觀

該系統(tǒng)采用專用耐腐蝕高精度數(shù)字式相對壓力傳感器芯體，溫補(bǔ)范圍寬（-40℃～80℃）精度高，且不受大氣壓力影響。

溫壓一體傳感器的基本原理：溫壓一體傳感器是基于硅壓阻微機(jī)械加工系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)和硅應(yīng)變片（Microfused、Krystal Bond）技術(shù)將壓力信號進(jìn)行處理，并集成了高穩(wěn)定性溫度芯片，將壓力、溫度數(shù)據(jù)通過微功耗（微瓦級）處理器進(jìn)行分析整理后并無線發(fā)送，供電電源采用軍工幣式電池，保證十年以上可靠供電。如圖2 所示。

圖2 壓力和溫度監(jiān)測傳感器原理

2.2.2 壓力溫度數(shù)據(jù)采集器（變送器）具有壓力及溫度采樣功能，數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確

便于后臺數(shù)據(jù)分析，密度數(shù)據(jù)采集器（變送器）設(shè)計了溫度采集功能。密度數(shù)據(jù)采集器（變送器）采用電池供電，無需外接電源，數(shù)據(jù)無線傳輸，方便現(xiàn)場施工研發(fā)人員采用微功耗采樣元件，專門設(shè)計研發(fā)一款具有休眠功能、幣式進(jìn)口長壽命電池供電、數(shù)據(jù)無線傳輸功能油壓變送器，供電電池采用高性能大容量鋰離子電池，在惡劣環(huán)境的條件使用壽命不低于5 年。無線傳輸模塊采用LoRa 低功耗數(shù)傳模塊，傳輸距離可達(dá)到10～500 米。

2.2.3 就地顯示儀既可實(shí)時顯示及溫密度度數(shù)據(jù)

又內(nèi)置經(jīng)過加密符合國網(wǎng)安全的GPRS 模塊，可以直接將數(shù)據(jù)整理發(fā)送至信息安全平臺就地顯示儀最多可連接油壓采樣模塊36 只，可循環(huán)顯示每個密度數(shù)據(jù)采集器的壓力及溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理整合加密后利用GPRS 模塊無線發(fā)送至安全平臺。

表1 壓力和溫度監(jiān)測傳感器參數(shù)

圖3 壓力和溫度監(jiān)測結(jié)構(gòu)

2.2.4 油壓采集器加裝不觸動設(shè)備本體，連接三通嚴(yán)格設(shè)計生產(chǎn)，取樣方便快捷

經(jīng)過嚴(yán)格測繪設(shè)計，采用316L 標(biāo)號不銹鋼材質(zhì)或銅質(zhì)，氬弧焊接方式加工出連接設(shè)備本體的三通接頭。經(jīng)過氦質(zhì)譜檢漏后方可進(jìn)行現(xiàn)場安裝，嚴(yán)格保證現(xiàn)場不漏油，不滲油，在原來的放油閥門上加裝三通連接油壓采集器且預(yù)留取樣孔，方便取樣人員取樣（本公司借鑒了SF6 設(shè)備的三通閥生產(chǎn)工藝）。

3 應(yīng)用案例

2019 年07 月19 日，750kV 煙墩變1 號和3 號主變壓器間隔停電檢修安裝ABC 三相高壓套管壓力溫度監(jiān)測裝置，設(shè)備投運(yùn)后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集上傳階段，通過PMS與就地巡視，套管壓力溫度監(jiān)測實(shí)現(xiàn)全覆蓋，數(shù)據(jù)正常，能夠準(zhǔn)確反映套管內(nèi)部工作狀況。

3.1 應(yīng)用情況

3.1.1 煙墩1 號和3 號主變高壓套管壓力溫度上傳情況

使用就地觀察和PMS 生產(chǎn)管理系統(tǒng)在線巡視方式，記錄套管的溫度和壓力情況，從2019 年7 月19 日至2019 年8 月5 日期間數(shù)據(jù)如圖4、圖5 所示。

從監(jiān)測數(shù)據(jù)上看，兩臺設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠相對準(zhǔn)確的反應(yīng)套管內(nèi)部壓力和溫度的變化情況。一天內(nèi)的最大溫度變化為10.1℃，壓力最大變化量均在3kPa 以內(nèi)，符合充油設(shè)備內(nèi)部壓力與溫度變化關(guān)系，無異常變，壓力值無報警。

圖4 煙墩1號主變高壓套管壓力和溫度監(jiān)測趨勢圖

圖5 煙墩3號主變高壓套管壓力和溫度監(jiān)測趨勢圖

3.1.2 哈密2 號高抗高壓套管壓力溫度上傳情況

使用就地觀察和PMS 生產(chǎn)管理系統(tǒng)在線巡視方式，記錄套管的溫度和壓力情況，從2018 年9 月19 日至2019 年3 月16 日期間數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6 哈密2號高抗高壓套管壓力和溫度監(jiān)測趨勢圖

3.1.3 吐魯番高壓套管壓力溫度上傳情況

吐魯番在2 號主變壓器和吐天一、二線高壓電抗器使用就地觀察和PMS 生產(chǎn)管理系統(tǒng)在線巡視方式，記錄套管的溫度和壓力情況，從2018 年11 月26 日至2019 年3 月16 日期間數(shù)據(jù)如圖7、圖8、圖9 所示。

圖7 吐魯番2號主變高壓套管壓力和溫度監(jiān)測趨勢圖

圖8 吐魯番吐天一線高抗高壓套管壓力和溫度監(jiān)測趨勢圖

圖9 吐魯番吐天二線高抗高壓套管壓力和溫度監(jiān)測趨勢圖

3.1.4 伊犁高壓套管壓力溫度上傳情況

伊庫一線高壓電抗器使用就地觀察和PMS 生產(chǎn)管理系統(tǒng)在線巡視方式，記錄套管的溫度和壓力情況，從2018 年8 月28 日至2019 年3 月16 日期間數(shù)據(jù)如圖10 所示。

圖10 伊庫一線高抗高壓套管壓力和溫度監(jiān)測趨勢圖

3.2 應(yīng)用案例總結(jié)

在750kV 設(shè)備高壓套管安裝壓力溫度傳感器后，收集近一年的設(shè)備運(yùn)行工況下的壓力溫度數(shù)據(jù)，通過圖表可以看出，壓力與溫度擁有相同的趨勢，各數(shù)據(jù)在相應(yīng)的趨勢上成離散性分布，如溫度為38.5℃時對應(yīng)壓力為157.5kPa，溫度為39.3℃時對應(yīng)壓力為157.9kPa，溫度為39.9℃時對應(yīng)壓力為158.1kPa，充分的證明壓力與溫度成正比關(guān)系。根據(jù)此結(jié)論為后續(xù)設(shè)備運(yùn)維檢修提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)束語

套管壓力與溫度在線裝置的應(yīng)用為提高設(shè)備故障隱患診斷水平，將故障消滅于萌芽狀態(tài)，提高供電可靠性，對套管內(nèi)部壓力和溫度進(jìn)行研究，研究不同情況下壓力和溫度的關(guān)聯(lián)系，在設(shè)備本體建立監(jiān)測終端，實(shí)現(xiàn)各種信號的同步采樣，并在后臺實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)而捕捉套管內(nèi)部狀態(tài)特點(diǎn)，為設(shè)備狀態(tài)故障診斷提供可靠的依據(jù)，現(xiàn)階段的研究對于外界的氣溫，陽光直射和設(shè)備運(yùn)行工況還有不足，在后期將繼續(xù)對感知層精度進(jìn)行研究。