煉化企業(yè)電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初探

劉維功 吳冠霖 劉志良

摘 ? ? ?要：總結(jié)了煉化企業(yè)中常用的電氣設(shè)備（包括發(fā)電機(jī)、變壓器、GIS、電纜、電動(dòng)機(jī)）在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀。對(duì)煉化企業(yè)電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的選型提出了建議，初步設(shè)計(jì)了煉化企業(yè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，展望了煉化企業(yè)常用電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān) ?鍵 ?詞：電氣設(shè)備;在線監(jiān)測(cè)技術(shù);在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM 930 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）10-2268-04

Abstract： The status of on-line monitoring technology for the common electrical equipments in refinery was summarized， including generator， transformer， GIS， cable， motor. The selection of on-line monitoring technology in refinery was suggested. The on-line monitoring system in refinery was preliminary designed. The development trend of electrical equipment on-line monitoring technology in refinery was prospected.

Key words： Electrical equipment; On-line monitoring technology; On-line monitoring system

電氣設(shè)備的故障，如絕緣劣化、機(jī)械損傷等，通常具有較長(zhǎng)的發(fā)展期，設(shè)備故障前期會(huì)在電氣、物理、化學(xué)等特性表現(xiàn)出少量漸進(jìn)的變化。在線監(jiān)測(cè)是對(duì)設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行連續(xù)或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)各種電氣、物理或化學(xué)等信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，根據(jù)監(jiān)測(cè)信息的大小、類型及變化趨勢(shì)，分析計(jì)算設(shè)備的可靠性，預(yù)測(cè)設(shè)備的剩余壽命，實(shí)現(xiàn)故障的早期發(fā)現(xiàn)，及時(shí)故障預(yù)警并按規(guī)進(jìn)行操作[1]。電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的投資收益十分顯著，英國(guó)2 000個(gè)大型工廠的調(diào)查結(jié)果表明，采用投資成本約為0.5億英鎊的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備，每年節(jié)約3億英鎊，收益投資比為6。據(jù)日本企業(yè)統(tǒng)計(jì)，采用狀態(tài)檢修技術(shù)，降低設(shè)備維修費(fèi)用約25%～50%，減少故障停電時(shí)間約75%。

1 ?電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

煉化企業(yè)發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)裝置主要包括直讀型和解讀型兩類。直讀型在線監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：線棒層間溫度，定子鐵芯溫度，氣體冷卻器的運(yùn)行參數(shù)（進(jìn)出風(fēng)溫度等），轉(zhuǎn)子大軸的軸振、瓦振，冷卻器漏水監(jiān)測(cè)，絕緣部件過熱煙氣，定子鐵芯振動(dòng)等[2]。解讀型在線監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：定子繞組局部放電[3]，定子繞組端部振動(dòng)[4]，轉(zhuǎn)子繞組匝間短路[5]，軸電

壓[6]。目前，直讀型裝置的選用、維護(hù)和運(yùn)行已越來越規(guī)范，但解讀型裝置的選用、維護(hù)和運(yùn)行則相對(duì)混亂，主要原因包括：解讀型裝置工作原理復(fù)雜，信息需專業(yè)人員試驗(yàn)分析;部分裝置技術(shù)不成熟、質(zhì)量不可靠。因此，部分解讀型裝置在安裝后逐漸無人問津甚至退出運(yùn)行[7]。

變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)比較成熟，大容量變壓器在線監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括6項(xiàng)：油色譜、鐵芯接地、局部放電、溫度、套管介損、振動(dòng)[8]。油色譜在線監(jiān)測(cè)采用氣相色譜法，對(duì)油中溶解的氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)持續(xù)色譜分析，分析7種故障氣體的含量，建立模式識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)識(shí)別，是最有效的方法之一。鐵芯接地、局部放電、溫度在線監(jiān)測(cè)裝置也有比較廣泛的應(yīng)用，套管介損、振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用較少。

GIS在線監(jiān)測(cè)技術(shù)非常成熟，“DL/T 1403變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則”對(duì)不同電壓等級(jí)GIS的監(jiān)測(cè)內(nèi)容做了明確的規(guī)定。主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容有：SF6氣體泄漏量[9]，SF6微水含量[9]，局部放電[10]，斷路器狀態(tài)[11]。其中，斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用相對(duì)較少，可分為斷路器動(dòng)觸頭行程特征的監(jiān)測(cè)、分（合）閘線圈電流的監(jiān)測(cè)和振動(dòng)信號(hào)在線監(jiān)測(cè)。

電纜在線監(jiān)測(cè)可分為電纜主絕緣的在線監(jiān)測(cè)（包括直流成分法、直流疊加法、低頻疊加法、在線介質(zhì)損耗角正切法和局部放電在線監(jiān)測(cè)法等），電纜護(hù)層的在線監(jiān)測(cè)（包括接地容性電流監(jiān)測(cè)、電纜護(hù)層綜合監(jiān)測(cè)和接地電流監(jiān)測(cè)等），電纜溫度在線檢測(cè)，電纜終端的紅外和紫外在線檢測(cè)等[12]。目前，局部放電、電纜護(hù)層接地電流監(jiān)測(cè)、電纜護(hù)層綜合監(jiān)測(cè)及分布式光纖測(cè)溫成為高壓電纜在線監(jiān)測(cè)的主流技術(shù)。紅外熱成像檢測(cè)電纜附件發(fā)熱缺陷和紫外成像檢測(cè)電纜終端電暈放電技術(shù)也得到較大的發(fā)展。直流成分法、直流疊加法、低頻疊加法及介質(zhì)損耗角正切的測(cè)量由于無法獲取電纜局部劣化信息等缺點(diǎn)，應(yīng)用逐漸減少。

電動(dòng)機(jī)在線檢測(cè)方法可分為3類[13-14]：

1）基于信號(hào)監(jiān)測(cè)的診斷方法，主要通過傳感器監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的溫度、絕緣狀態(tài)（局部放電、介質(zhì)損耗因數(shù)、泄漏電流、設(shè)備電容值）、振動(dòng)、電壓電流等電氣特征、軸電壓和軸向漏磁通、滾動(dòng)軸承等信號(hào);

2）基于數(shù)學(xué)解析模型的故障識(shí)別方法，主要通過識(shí)別轉(zhuǎn)子、定子的電阻預(yù)測(cè)其內(nèi)部溫度;

3）基于人工智能的方法，最近模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)逐步應(yīng)用到電機(jī)故障診斷中，但應(yīng)用甚少。目前，振動(dòng)分析法是電動(dòng)機(jī)故障診斷中運(yùn)用最廣泛、最有效的方法。電氣特征分析法通過采集電動(dòng)機(jī)電流和電壓信號(hào)，分析和判斷故障的性質(zhì)和程度，具有在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、技術(shù)成熟可靠的優(yōu)點(diǎn)，在不方便安裝振動(dòng)傳感器時(shí)應(yīng)用較廣。近年來，紅外線測(cè)溫診斷、局部放電監(jiān)測(cè)在電動(dòng)機(jī)故障診斷中得到一定應(yīng)用，已發(fā)展成為比較可靠的技術(shù)。

2 煉化企業(yè)電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)選型

煉化企業(yè)電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)遵循以下原則：

1）傳感器安裝方便。以不對(duì)設(shè)備產(chǎn)生影響為宜。

2）技術(shù)成熟、可靠。應(yīng)選取廣泛應(yīng)用的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備。

3）收益投資比高。一般安裝在重要的電氣設(shè)備上。

4）全面監(jiān)測(cè)，無死區(qū)。對(duì)重要設(shè)備，可安裝多種在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同故障類型的全面診斷。

5）不能取代繼電保護(hù)設(shè)備。在線監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)早期故障，使傳統(tǒng)的保護(hù)功能得以延伸，與繼電保護(hù)設(shè)備并不排斥。

表1給出了某煉化企業(yè)電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的安裝范圍和技術(shù)選型，以供參考。對(duì)某企業(yè)的所有發(fā)電機(jī)，都安裝直讀型設(shè)備，解讀型設(shè)備選擇了定子繞組局部放電、定子繞組端部振動(dòng)和軸電壓監(jiān)測(cè)，放棄安裝轉(zhuǎn)子繞組匝間短路監(jiān)測(cè)的原因是，該方法需要將探測(cè)線圈固定在定子上，并使其盡量靠近轉(zhuǎn)子鐵芯，這在已經(jīng)投運(yùn)的發(fā)電機(jī)上十分困難，也較難被電廠所接受。國(guó)家電網(wǎng)通過“Q/GDW 534變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則”，對(duì)變壓器、GIS的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)做了比較明確的規(guī)定，目前變壓器、GIS的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在投運(yùn)時(shí)已經(jīng)比較健全。由于煉化企業(yè)電纜數(shù)量很多，考慮到經(jīng)濟(jì)性，建議僅對(duì) ? ?110 kV以上電纜安裝局部放電監(jiān)測(cè)設(shè)備和電纜護(hù)層接地電流監(jiān)測(cè)設(shè)備。煉化企業(yè)內(nèi)電動(dòng)機(jī)種類繁多，質(zhì)量參差不齊，建議僅對(duì)10 MW及以上電動(dòng)機(jī)或重要電機(jī)安裝電壓電流等電氣特征分析設(shè)備，這種不需要在電動(dòng)機(jī)本體額外增加傳感器的方法應(yīng)首先考慮，同時(shí)增加振動(dòng)監(jiān)測(cè)或紅外測(cè)溫、局部放電監(jiān)測(cè)等其他監(jiān)測(cè)設(shè)備。

3 ?煉化企業(yè)電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

煉化企業(yè)電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，由基于B/S模式的“專家系統(tǒng)層-企業(yè)分析層-裝置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析層”3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

在裝置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析層，對(duì)重要裝置的電氣設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)技術(shù)選型，確定需要安裝傳感器的位置和數(shù)量，合理安排傳感器的安裝。電壓、電流、振動(dòng)、局放等信息經(jīng)傳感器檢測(cè)后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)同軸電纜進(jìn)入信號(hào)預(yù)處理單元，進(jìn)行信號(hào)放大、信號(hào)去噪、信號(hào)整形等操作，數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制之后，進(jìn)入到PLC數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)的采集，通過RS-232/RS-422/RS-485通訊接口和通訊通道，進(jìn)入到企業(yè)局域網(wǎng)。每套被監(jiān)測(cè)裝置均配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及在線監(jiān)測(cè)終端，實(shí)現(xiàn)裝置中電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

企業(yè)分析層實(shí)現(xiàn)對(duì)煉化企業(yè)內(nèi)所有裝置電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。企業(yè)分析層通過防火墻與企業(yè)局域網(wǎng)相連，獲取每套被監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)信息，并設(shè)置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲(chǔ)企業(yè)的電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)置數(shù)套電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)客戶端供運(yùn)行維護(hù)人員、設(shè)備管理人員使用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)警和診斷，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將各被監(jiān)測(cè)裝置的事件記錄傳送到專家系統(tǒng)層。

專家系統(tǒng)層設(shè)置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器接收各煉化企業(yè)被監(jiān)測(cè)設(shè)備的事件記錄，并開發(fā)電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)專家系統(tǒng)，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，為各企業(yè)提供遠(yuǎn)程診斷和輔助決策，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各企業(yè)電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集中存放管理，增強(qiáng)企業(yè)間的信息共享，為中國(guó)石化電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)軟硬件平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化提供基礎(chǔ)。

4 ?煉化企業(yè)電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1）在線監(jiān)測(cè)新技術(shù)得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。隨著傳感器和數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)的高速發(fā)展，電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)會(huì)不斷地應(yīng)用先進(jìn)的現(xiàn)代化技術(shù)手段。近年來，利用超聲波和超高頻測(cè)量局部放電等，已經(jīng)獲得了較廣的應(yīng)用，利用紅外線測(cè)量設(shè)備的溫度影響、利用紫外線監(jiān)測(cè)設(shè)備的局部放電、利用X射線探測(cè)設(shè)備的損傷等也獲得了較大的發(fā)展和應(yīng)用。

2）多種在線、離線監(jiān)測(cè)技術(shù)相互融合。單純的某種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，并不能完全保證電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。近年來，對(duì)至關(guān)重要的電氣設(shè)備，如發(fā)電機(jī)、大型電動(dòng)機(jī)等，多使用多種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，并與離線檢測(cè)相互配合，實(shí)現(xiàn)多尺度、全面無死區(qū)的監(jiān)測(cè)，綜合診斷設(shè)備的不同故障類型及原因。

3）智能算法和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的應(yīng)用。人工智能技術(shù)的發(fā)展與完善，極大地促進(jìn)了在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。高效率的運(yùn)算處理器和人工智能技術(shù)（如機(jī)器學(xué)習(xí)算法等），逐步應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。分布式計(jì)算機(jī)技術(shù)、5G技術(shù)、數(shù)據(jù)庫及云平臺(tái)等技術(shù)的迅速發(fā)展，使設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性逐步提升。在企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可靠地采集數(shù)據(jù)，完成設(shè)備的前期現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和檢修，同時(shí)通過互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建遠(yuǎn)程診斷分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)專家智能診斷和數(shù)據(jù)共享分析已成為主流趨勢(shì)。

4）電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)的建立。目前，各生產(chǎn)行業(yè)、監(jiān)測(cè)設(shè)備供應(yīng)商和研究機(jī)構(gòu)都在構(gòu)建自主的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，將多種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和診斷方法融入一個(gè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，利于實(shí)時(shí)調(diào)用多種檢測(cè)信息，對(duì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行多尺度的狀態(tài)診斷。通過綜合分析設(shè)備的監(jiān)測(cè)信息、運(yùn)行信息、檢維修記錄等，有利于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警模型的完善，通過大數(shù)據(jù)分析和智能算法的完善，促進(jìn)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的完善。當(dāng)某區(qū)域在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)樣本較少或非常難以診斷時(shí)，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，有利于獲取不同領(lǐng)域和地區(qū)電氣專家的分析咨詢和技術(shù)支持。

5 ?結(jié) 論

本文對(duì)煉化企業(yè)電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀、選型建議、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了全面綜述，得到以下結(jié)論：

1）煉化企業(yè)中，變壓器和GIS遵循國(guó)家電網(wǎng)的相關(guān)規(guī)范，一般都配置了可靠的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。發(fā)電機(jī)、電纜、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)配置狀況較差，應(yīng)提高在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用水平，長(zhǎng)遠(yuǎn)看來，這是經(jīng)濟(jì)合理的。

2）對(duì)至關(guān)重要的電氣設(shè)備，可使用多種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，并與離線檢測(cè)相互配合，同時(shí)維持繼電保護(hù)裝置。

3）新型傳感器及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，促進(jìn)了電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的完善。在選取技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的同時(shí)，要勇于嘗試新技術(shù)。

4）建議煉化企業(yè)電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，按“專家系統(tǒng)層-企業(yè)分析層-裝置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析層”3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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