變電站電力設(shè)備電氣絕緣綜合在線監(jiān)測方案設(shè)計與研究

劉 娜，陳金龍

（國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

變電站是整個輸變電系統(tǒng)運行過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)對電網(wǎng)的全面監(jiān)控。近年來，隨著電氣系統(tǒng)中相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步，生產(chǎn)力水平不斷提高，社會用電需求也逐漸提高，優(yōu)化變電站電力設(shè)備電氣絕緣綜合在線監(jiān)測方案成為電廠和相關(guān)管理部門中重點關(guān)注的問題，也是整個電力行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

1 變電站電力設(shè)備絕緣監(jiān)測特征典型參數(shù)

變電站中的設(shè)備較為復(fù)雜，其安全維護和設(shè)備管理過程十分繁雜，對工作人員的要求較高，需要嚴(yán)格遵守規(guī)章制度，按照相關(guān)的規(guī)定進行設(shè)備維護和檢測工作。當(dāng)前，氣體絕緣組合電器得到廣泛的應(yīng)用，為了高效設(shè)計和優(yōu)化變電站電力設(shè)備電氣絕緣綜合在線監(jiān)測方案，需要明確變電站各電力設(shè)備的監(jiān)測特征參量，如表1所示[1]。

表1 變電站電力設(shè)備絕緣監(jiān)測特征典型參數(shù)

2 變電站各電力設(shè)備電氣絕緣在線監(jiān)測方案

2.1 電力變壓器

電力變壓器是變電站電力設(shè)備的重要組成部分。目前，變電站對油浸式電力變壓器采用的監(jiān)測方法比較多，包括微量水分在線監(jiān)測法、微量水分局部放電監(jiān)測法、油中溶解氣體色譜分析法。微量水分在線監(jiān)測法主要反映油的受潮程度，微量水分局部放電監(jiān)測法主要檢測絕緣紙的過熱程度，油中溶解氣體色譜分析法主要區(qū)分放電類型和油過熱類型[2]。由于微水量的局部放電監(jiān)測能夠反映電暈、油中氣體放電等缺陷，本文以微水量局部放電測量法為探討對象，來說明電力變壓器的絕緣監(jiān)測設(shè)計方案。

通過對局部放電測量方案進行分析，需要有效利用射頻電流傳感器，分別在三相末屏接地線與鐵芯接地線或中性點接地線耦合局部放電信號，實現(xiàn)射頻法測量。為了減少外部干擾，還要運用高速數(shù)據(jù)采集卡對各單元信號進行同步采集，通過軟件實現(xiàn)調(diào)幅調(diào)相和差動算法，剔除外部干擾信息。將寬頻帶的微帶天線局部放電耦合傳感器分別安裝在適宜的監(jiān)測點上，便于接收變壓器上的電磁波信號，利用示波器實現(xiàn)4路信號的同步觸發(fā)采集[3]。電力壓器監(jiān)測方案如圖1所示。

圖1 電力壓器監(jiān)測方案

2.2 電力電纜

電力電纜是變電站的動力引出線，具備可靠安全和隱蔽耐用的優(yōu)點，主要由絕緣層、導(dǎo)電線芯與護套組成。以交聯(lián)聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene，XLPE）絕緣電纜為例，在該電力電纜絕緣監(jiān)測方案中，借助電阻測量的方法來檢查電纜絕緣的老化性問題，采用主絕緣tanδ值有效反映受潮和水樹惡化等缺陷。在外護套的絕緣電阻測量中，需要斷開鎧甲層接地線，從接地線位置接入低壓直流電源，進而測量外護套絕緣所泄露的電流，同時折算絕緣電阻[4]。電阻試驗要對電纜連段進行接線與屏蔽，如圖2所示。

圖2 電纜絕緣電阻接線及屏蔽方法

一般情況下，主絕緣電阻的測量主要依托直流疊加法。將低壓直流電源與電纜主絕緣上的交流電壓進行疊加，這一步操作的目的是實現(xiàn)監(jiān)測主絕緣的nA級直流泄漏電流，然后再折算出其相應(yīng)的絕緣電阻值。主絕緣tanδ值的測量是以坡莫合金的泄漏電流傳感器為主要測量工具，絕緣良好的情況下介質(zhì)損耗角很小。具體操作是將在電壓互感器處獲取的電源電壓與交流泄漏電流值進行對比，通過求取其相位差來計算主絕緣tanδ值。

為了更好地獲取局部放電信息，需要采用較高的采樣速率，通常以20 MS/s為主。局部放電信號經(jīng)調(diào)理后送至前置工控機上的數(shù)據(jù)采集卡或者是前置智能單元進行處理和采集，完成對數(shù)據(jù)以及智能單元運行狀況的采集，同時將射頻羅氏線圈傳感器與其進行耦合，便于捕捉和處理更完善的局部放電信息[5]。

3 綜合在線監(jiān)測方案設(shè)計

相較于單一的電力設(shè)備在線監(jiān)測，當(dāng)前國內(nèi)外實施的綜合在線監(jiān)測技術(shù)與方案更加復(fù)雜，涉及到集成監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)和信號采集、分類與模擬等。利用各種監(jiān)測技術(shù)、高新科技、信息傳播技術(shù)等促使監(jiān)測環(huán)節(jié)更加完善，主要包括前置機系統(tǒng)設(shè)計、主控機系統(tǒng)設(shè)計、監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計以及監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計等。

3.1 前置機系統(tǒng)設(shè)計

電力設(shè)備的監(jiān)測應(yīng)使用分級集成方式，劃分在線監(jiān)測設(shè)備區(qū)域，通過面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展（PCI eXtensions for Instrumentation，PXI）的前置機系統(tǒng)來對各個單元中的電力設(shè)備進行監(jiān)測與控制。通過交換機的運作，實現(xiàn)多個電氣設(shè)備的絕緣參量綜合在線監(jiān)測。在前置機系統(tǒng)中，PXI總線前置機與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的運行至關(guān)重要，通過PXI總線前置機系統(tǒng)中的接口模塊、機箱與硬件采集模塊等設(shè)備，計算出絕緣參量特征的具體數(shù)值后，再將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，然后發(fā)送至監(jiān)控站，以保證絕緣數(shù)據(jù)的時效性[6]。

3.2 主控機系統(tǒng)設(shè)計

綜合監(jiān)測設(shè)計方案中的主控機系統(tǒng)包括交換機、計算機以及全球定位系統(tǒng)（Global PositioningSystem，GPS）衛(wèi)星時鐘等，這些電力設(shè)備能夠?qū)ψ冸娬镜木C合絕緣狀態(tài)特征值進行實時監(jiān)測與管控。主控機系統(tǒng)的運行是以PXI系統(tǒng)的絕緣數(shù)據(jù)信息為前提，數(shù)據(jù)庫作為連接2者的中轉(zhuǎn)站，將查詢到的絕緣狀態(tài)數(shù)據(jù)作為電氣設(shè)備運行狀態(tài)的判斷依據(jù)。如果參量數(shù)據(jù)超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的報警閾值，相關(guān)工作人員就會第一時間注意到故障的出現(xiàn)，便于及時采取措施補救。與此同時，通過在線監(jiān)控系統(tǒng)還能夠查詢?nèi)我鈺r間段中某設(shè)備的絕緣參量數(shù)據(jù)，利用計算機技術(shù)繪制出絕緣參數(shù)趨勢圖。主控機監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信來轉(zhuǎn)變PXI系統(tǒng)信號的采集方式，改善局域網(wǎng)GPS系統(tǒng)的對時操作。

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

前置機系統(tǒng)主要包含PXI總線的前置單元與設(shè)備智能監(jiān)測點，通過安放在變電站工作現(xiàn)場附近的前置單元與設(shè)備智能監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)采集和處理工作。主控機系統(tǒng)會對前置機的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行管理及查詢，當(dāng)主控機對多臺前置機進行管理時，需要接入相應(yīng)交換機進行聯(lián)網(wǎng)通信。將系統(tǒng)操作及監(jiān)測數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，接入GPS衛(wèi)星時鐘，同時還要設(shè)計常規(guī)電源的隔離變壓器與后備不間斷電源，以加強監(jiān)測系統(tǒng)的科學(xué)性。

3.4 監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的運行不僅依靠過硬的硬件技術(shù)，還要融合軟件管理技術(shù)，以此來保障監(jiān)測系統(tǒng)的高效運行。變電站的電力設(shè)備復(fù)雜、參量特征較多，進行綜合在線監(jiān)測時要以即插即用作為主導(dǎo)思想，對每種設(shè)備參數(shù)的測量模塊軟件進行集成技術(shù)實現(xiàn)。根據(jù)功能的不同來劃分監(jiān)測軟件系統(tǒng)，以滿足前置機、主控機以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的需要。軟件系統(tǒng)集成過程中，要遵循結(jié)構(gòu)合理、延伸空間大、操作簡便等原則。

首先要分析電力設(shè)備及其子系統(tǒng)模型，用擴展標(biāo)記語言（eXtensible Markup Language，XML）格式來存儲系統(tǒng)信息，將子系統(tǒng)中真實的動態(tài)運行狀態(tài)記錄下來，再利用樹視圖系統(tǒng)搭配模型-視圖-控制器（Model-View-Controller，MVC）設(shè)計系統(tǒng)來監(jiān)測子系統(tǒng)中的節(jié)點信息。其次，要克服連續(xù)監(jiān)測環(huán)節(jié)中的沖突控制問題，以實現(xiàn)對多個電氣設(shè)備的在線連續(xù)監(jiān)測。再次，利用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）的雙機通信協(xié)議來管理PXI子系統(tǒng)，用1臺監(jiān)控系統(tǒng)對多臺電力設(shè)備同時進行管理，克服系統(tǒng)集成的多機通信問題。最后，開發(fā)NET軟件平臺，改善監(jiān)測軟件系統(tǒng)環(huán)境，提高監(jiān)測軟件的集成能力和在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，保障電網(wǎng)運行的安全經(jīng)濟性。

4 結(jié) 論

變電站電力設(shè)備是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其運行質(zhì)量影響著整個電網(wǎng)的運行效果。電力設(shè)備電氣絕緣情況在線監(jiān)測工作比較復(fù)雜，專業(yè)性要求高，涉及到諸多相關(guān)機械原理和設(shè)計方案，為了防止變電站電力設(shè)備出現(xiàn)故障，需要優(yōu)化設(shè)備電氣絕緣綜合在線監(jiān)測方案。此外，變電站電力運行維護工作人員要不斷提高自身的專業(yè)素質(zhì)和實際操作技能，通過高質(zhì)量的在線監(jiān)測和運行維護保證電力設(shè)備的運行安全性。