電力設備在線監(jiān)測的現(xiàn)狀與發(fā)展分析

1、電力設備在線監(jiān)測的現(xiàn)狀與發(fā)展分析一.在線監(jiān)測的誕生 測量、監(jiān)視、控制等多功能二次設備以及現(xiàn)場測試或實時測量對電力設備運行可靠性起了重要作用。 現(xiàn)場測試或實時測量的發(fā)展而誕生了在線監(jiān)測。主要電力設備 耦合電容器、電容型套管、電容型電流互感器、電容型電壓互感器、避雷器、絕緣子、變壓器、GIS、電力電纜、發(fā)電機和高壓斷路器 q 在線檢測目前并不能完全取代常規(guī)預防性試驗： 大多局限于測量工頻運行電壓下的絕緣參量； 無法測量電力設備在高于運行電壓下的參量； 迄今尚未形成統(tǒng)一的判斷標準。電力設備試驗和維修策略的發(fā)展歷程電力設備試驗和維修策略的發(fā)展歷程 事故維修（壞了再修，第二次世界大戰(zhàn)之前） （盲目、不科

2、學） 定期維修（按固定時間周期維修，當前多數(shù)情況） （維修過量、維修不足） 狀態(tài)維修（以運行狀態(tài)決定維修周期，正在逐步開展） （以在線監(jiān)測為基礎，科學、可靠、經濟、可預見）在線監(jiān)測的真實性 電力設備在線監(jiān)測技術是一種利用運行電壓來對高壓設備絕緣狀況進行試驗的方法，它可以大大提高試驗的真實性與靈敏度，及時發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷 在線監(jiān)測的實時性 采用在線監(jiān)測的方法可以根據(jù)設備絕緣狀況的好壞來選擇不同的監(jiān)測周期，使試驗的有效程度明顯提高。在線監(jiān)測可以積累大量的數(shù)據(jù)。將被試設備的當前試驗數(shù)據(jù)（包括停電及帶電監(jiān)測）和以往的監(jiān)測數(shù)據(jù)相結合，用各種數(shù)值分析方法進行及時、全面地綜合分析判斷，就可以發(fā)現(xiàn)和捕捉早期缺陷、

3、確保安全運行，從而減小由于預防性試驗間隔長所帶來的誤差。在線監(jiān)測系統(tǒng)的構成二.在線監(jiān)測目前存在的問題 國家電網公司明確提出，要從2010年起開始全面推廣實施設備狀態(tài)檢修，全面提升設備智能化水平，推廣應用智能設備和技術，實現(xiàn)電網安全在線預警和設備智能化監(jiān)控。 國家電網公司2013年提出，暫停在線監(jiān)測產品，直到2015年?，F(xiàn)在只能以技術項目改造和創(chuàng)新來繼續(xù)研究在線監(jiān)測與故障診斷技術。2.1在線監(jiān)測的重要性與困難度 離線的預防性試驗結果的分析，已經積累了大量經驗，據(jù)此可以制訂出相應的規(guī)程推廣施行 在線診斷，現(xiàn)在仍還處于研究、試運行、積累經驗的階段。發(fā)展絕緣在線監(jiān)測和診斷技術，即需對絕緣結構及其老化機

4、理有深入的了解，也需應用傳感、微電子等高新技術。它是具有交叉學科性質的一門新興技術，也是當前智能電網發(fā)展的需要。q這幾種維修方法并不互相排斥，但在不同階段、不這幾種維修方法并不互相排斥，但在不同階段、不同要求的情況下，共存的形式有差別。同要求的情況下，共存的形式有差別。q維修的目的在于獲取各種信息，基于此得到設備狀維修的目的在于獲取各種信息，基于此得到設備狀況的結論；況的結論；q迄今為止，尚不能完全建立測量數(shù)據(jù)與設備狀況之迄今為止，尚不能完全建立測量數(shù)據(jù)與設備狀況之間的直接關系：間的直接關系：Ub f (R, tan, PD, DGA, )?事故維修、定期維修、狀態(tài)維修三種策略2.2 抗干擾問

5、題 例如變壓器、GIS的局部放電監(jiān)測的抗干擾問題，在線監(jiān)測信號很微弱，受通訊、諧波和電壓突變等因素以及高電壓設各區(qū)的電磁場干擾，測量信號的精度和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性會受到影響，有一些測量信號甚至完全淹沒在干擾信號中。 提高在線監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾能力，使測量數(shù)據(jù)靈敏、穩(wěn)定、可靠是對在線監(jiān)測技術和產品的一個基本要求。 應該針對不同的變電站的強干擾信號采取不同的抗干擾措施主要是阻隔干擾傳播路徑，以及采用軟件進行數(shù)字濾波等2.3現(xiàn)場設備受運行條件影響和環(huán)境影響問題 例如，電容性設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)，當電網運行方式改變時介質損耗數(shù)據(jù)發(fā)生較大的突變，還有很多設備的介損值隨溫度變化呈現(xiàn)較大的波動。這些現(xiàn)象對正確地分析

6、判斷設備的狀態(tài)產生了一定的影響。 因此，現(xiàn)場測量設備的抗環(huán)境變化能力也是不容忽視的一個問題。2.4 在線監(jiān)測裝置的維護問題 有一些在線監(jiān)測裝置（比如色譜監(jiān)測）在運行前需要進行參數(shù)的設置或標定，在長時間運行后，內部元件特性發(fā)生變化使得工作狀態(tài)改變，測量數(shù)據(jù)就會產生較大的偏差，需要定期地進行重新設置或標定，使得一些在線監(jiān)測裝置常規(guī)的維護工作量加大，也使得在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的可信度降低。2.5 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析判斷及標準化問題 設備的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)是在運行條件下取得的，由于設備運行條件、環(huán)境條件以及電磁干擾的影響，各種在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與離線試驗數(shù)據(jù)之間通常都有一定的差別，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律和波動范圍各有不

7、同，在線監(jiān)測項目由于干擾問題測量靈敏度低于離線試驗。 離線試驗所用的預防性試驗規(guī)程所定的試驗標準不應生搬硬套到在線監(jiān)測中。 建議國網公司應該對電力設備在線監(jiān)測采用標準化規(guī)程。 盡快使電力設備在線監(jiān)測系統(tǒng)形成統(tǒng)一的技術規(guī)范。三.油浸電力設備色譜在線監(jiān)測的技術分析油色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)原理色譜在線監(jiān)測關鍵技術色譜在線監(jiān)測關鍵技術1 1 油氣分離快而全，縮短檢測周期油氣分離快而全，縮短檢測周期2 2 用一根柱高效分離用一根柱高效分離H H2 2、COCO、CHCH4 4、C C2 2H H2 2、C C2 2H H4 4、C C2 2H H6 6六種氣體，而且使用方便、易于維護六種氣體，而且使用方便、易

8、于維護3 3 采用新型傳感器，以得到更好的靈敏度、精度、采用新型傳感器，以得到更好的靈敏度、精度、穩(wěn)定性穩(wěn)定性4 4 設計抗干擾能力強、自動化程度高的監(jiān)控系統(tǒng)設計抗干擾能力強、自動化程度高的監(jiān)控系統(tǒng)5 5 研究基于研究基于ANNANN的色譜故障診斷技術，使判斷正確率的色譜故障診斷技術，使判斷正確率有所一定提高。有所一定提高。1.1.油氣分離技術油氣分離技術1 能滲透能滲透H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六種氣體，而且滲透飽和時間短的透氣膜六種氣體，而且滲透飽和時間短的透氣膜2振蕩脫氣法3超聲波脫氣法4.真空脫氣法 幾幾種種膜膜飽和時間比較飽和時間比較油氣分離用PTFE膜耐壓強度

9、正常正常使用幾年后后，使用幾年后后，膜表面已膜表面已膨脹膨脹破裂破裂。* 振蕩脫氣就是在一個容器里，加入一定量的含有氣體油樣。在一定的溫度下，經過充分振蕩，油中溶解的各種氣體必然會在氣油兩相間建立動態(tài)平衡。分析氣相組分的含量，根據(jù)道爾頓亨利定律就可計算出油中原來氣體的濃度。 *超聲脫氣法是采用超聲波裝置，使氣液兩相迅速達到平衡。利用電聲換能器，對壓電晶體的逆壓電效應，通過施加交變電壓，使之發(fā)生交替的壓縮和拉伸而引起振動，使所加頻率在超聲的頻率范圍內（即大于20Hz），超聲波在介質中所引起的介質微粒振動，即使振幅極小，也足可使介質微粒間產生很大的相互作用力，使氣體分子從油中逸出。2.2.混合氣體

10、分離技混合氣體分離技術術1 氣相色譜分析原理氣相色譜分析原理2 柱結構基本形式柱結構基本形式3 色譜柱設計的關鍵：復合固定相色譜柱設計的關鍵：復合固定相（a）（b）圖 3-6 HAYESEP D 出峰圖Fig 3-6 The peak of HAYESEP DHAYESEP D, PorapakT兩種固定相兩種固定相比例比例2, 211 , 2112WWttRRR分離度：分離度：3. 傳感器技術1 幾種傳感器比較1 半導體傳感器適合多種可燃性氣體的監(jiān)測。2 熱線型半導體傳感器對H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六種氣體靈敏度、線性度和反應速度俱佳,優(yōu)于普通半導體傳感器。多組分氣體

11、監(jiān)測系統(tǒng)外形多組分氣體監(jiān)測系統(tǒng)外形4.在線色譜監(jiān)測存在的問題 1. 開始正常，運行幾個月后或一年后，數(shù)據(jù)差別很大。 2.據(jù)悉，國網定標準時，國內幾家大的色譜企業(yè)建議準確度不應小于30%. 3.維護工作量較大，更換載氣，定標校核等（有些國產儀器無定標功能）。5. 分析 1.油氣分離不是全脫氣，或部分脫氣沒有計算準確。 2.混合氣分離的色譜柱沒有定期標定、更換和老化處理。 3.氣敏傳感器壽命不長，沒有定期標定和更換。6. 建議 1. 國網成立在線色譜儀器定標中心，檢測國產儀器。 2. 國網應針對在線色譜另外制定超標注意值，如C2H2應丁為1ppm,在線色譜不可能監(jiān)測到 1ppm的值。 3.準確度不

12、應10%。 4.CO/CO2這一指標需檢測，國外已認為此值涉及固體絕緣的壽命。四。變壓器的另外的監(jiān)測方法1.光聲光譜法多組分監(jiān)測儀2.變壓器局部放電的在線監(jiān)測B 電超聲聯(lián)合法 圖719 電超聲法原理圖4 個超聲通道, 1 個電測通道便攜式的設備50 300 kHz64 MB 內存路由特性可進行局放定位多用途，可用于變壓器，發(fā)電機，GIS等多種電力主設備3.甚高頻法監(jiān)測變壓器的局放30300MHz 采用內置式超高頻傳感器放入變壓器的放油閥里，監(jiān)測信號通過光纖傳到監(jiān)測中心。 抗干擾能力大大增強，較好的解決了外置式傳感器的弱點。4.超高頻法的基本原理是使用UHF天線（330GHz）1.5GHz 以上

13、的電磁波主要通過外殼輻射 采用CBM和自動分析軟件，可以將新信息提供給若干通用組。 GPS同步攜帶的控制電路信號波形的精確記錄。這將為維護人員提供斷路器運行狀態(tài)的詳細動作，可對一個或多個斷路器修復或執(zhí)行日常維護做出更可靠的決策。5.變壓器故障診斷中的氣體光纖型光聲光纖型光聲光譜技術光譜技術現(xiàn)有光學檢測技術還存在氣體池體積大的弊端，增加了樣氣現(xiàn)有光學檢測技術還存在氣體池體積大的弊端，增加了樣氣的需求量，增加了油氣分離的難度并延長了氣體的平衡時間，的需求量，增加了油氣分離的難度并延長了氣體的平衡時間，導致氣體分析時間的延長。開發(fā)具有更小氣體池，分析時間導致氣體分析時間的延長。開發(fā)具有更小氣體池，分

14、析時間更短的氣體分析技術顯然具有重要意義。更短的氣體分析技術顯然具有重要意義。優(yōu)點優(yōu)點: : 1 1）光聲能量集中在共振音叉處，而不是在光聲池，具有更）光聲能量集中在共振音叉處，而不是在光聲池，具有更高的高的Q Q因子；因子；2 2）對環(huán)境聲波噪聲免疫；）對環(huán)境聲波噪聲免疫；3 3）需要更少的氣樣，幾個毫升的氣樣體積，大大縮短油氣）需要更少的氣樣，幾個毫升的氣樣體積，大大縮短油氣分離的難度；分離的難度；變壓器故障診斷中的氣體檢測技術光聲光譜技術原理：光聲光譜技術原理：采用頻率調制或幅度調制的激光在音叉的叉指間聚焦，氣體采用頻率調制或幅度調制的激光在音叉的叉指間聚焦，氣體對激光的吸收產生頻率為對

15、激光的吸收產生頻率為f0的聲波，這種主動振動模式所產生的聲波，這種主動振動模式所產生的壓電信號可利用的壓電信號可利用f0的鎖相檢測來測量的鎖相檢測來測量,并通過激光器的波長并通過激光器的波長掃描獲得光譜數(shù)據(jù)?？蓪⒁粋€由石英毛細管構成的微型聲波掃描獲得光譜數(shù)據(jù)?？蓪⒁粋€由石英毛細管構成的微型聲波諧振器置于被測氣體中。諧振器置于被測氣體中。LTPSALTPSdIIC)()()ln(0光纖氣體傳感技術光纖氣體傳感技術光纖傳感器n 不帶電；n 不受潮濕影響；n 校正周期長：6個月n 靈敏度高（+/-0.05%）n 測量范圍大（0-10%;0-40%;0-100%）五。GIS在線檢測與診斷項目局部放電在

16、線檢測1. 外部電極法局部放電在線檢測2. 接地線電磁耦合法局部放電在線檢測3. 絕緣子中預埋電極法局部放電在線檢測4. 超高頻檢測法4個超聲通道，1個電通道輸入便攜裝置50 300 kHz可用于局放定位AR 70012 個局放通道0.5 10 MHz 帶寬48 相位窗口32 幅值窗口所有通道同時測量R 2100 專家級局放分析儀便攜式GIS局放測試 采用相對較低的1-20MHz的測量頻段，在這個頻段內可以取得更高的信號強度和較低的噪聲，某些廠家所采用的40MHz以上的高頻段測量方法雖然可以降低噪聲，但是相應的局放信號強度也降得很低，對于發(fā)生在主設備內部離傳感器稍遠的地方的局放活動無法進行檢測

17、，使靈敏度和監(jiān)測范圍都受到了很大的局限。在1-20MHz頻率范圍內進行的測量，可以取得最大限度的信噪比，并且由于相對低頻范圍內的信號衰減要比高頻信號小得多，從而大大提高了靈敏度和監(jiān)測范圍。測量頻段 實踐證明：由于靈敏度低和現(xiàn)場抗干擾能力差的原因，脈沖電流檢測法主要用于GIS制造廠家的實驗室局放試驗和現(xiàn)場的驗收試驗，不適用于GIS 在線局放的監(jiān)測。 由于超聲波在GIS中的傳播復雜，故在故障監(jiān)測上很難做到定量判斷，可作為一種輔助的測量方法。超聲波監(jiān)測法主要用于定位監(jiān)測。5.超高頻法 采用超高頻（Ultra High-Frequency，UHF）法檢測GIS 中的局部放電是20世紀80年代初期由英國

18、中央電力局（Central Electricity Generating Board，CEGB）提出，并應用于英國Torness 420kV GIS 的檢測。Torness 電站的多年運行經驗驗證了該方法的可行性，使超高頻法得到了行業(yè)的認可。在2000年修訂的IEC60270及IEC50517標準中，均將這一方法作為GIS局放檢測的主要方法之一。 超高頻法的基本原理是使用UHF天線而不是脈沖電流法的耦合電容來檢測GIS 局部放電產生的電磁波。超高頻最主要的優(yōu)點是抗干擾能力強、靈敏度高，并能夠通過放電源到不同傳感器的時間差對放電源進行定位。它對傳感器的設計、阻抗匹配、放大器的帶寬和噪聲要求很高，

19、同時又要求有多通道寬帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所以，相比于脈沖電流法，它的技術難度較大。局部放電源故障類型識別與定位 GIS 中有可能出現(xiàn)的主要絕緣缺陷包括：固定缺陷、GIS 腔體內可以移動的自由金屬微粒、傳導部分的接觸不良、絕緣子制造時造成的內部空隙、實驗閃絡引起的表面痕跡和因電極的表面粗糙或是來自制造時嵌入的金屬微粒等局部放電源故障類型識別與定位 。 局部放電模式識別的兩個關鍵環(huán)節(jié)是特征提取和模式分類與識別。局部放電信號的特征有很多，常用的特征主要有：譜圖特征、頻譜和波形特征，模式分類與識別方法主要有：人工神經網絡方法、模糊專家系統(tǒng)、小波分析方法等及其上述各種方法相聯(lián)合的方法。監(jiān)測方法耦合電容法高頻

20、法甚高頻法超高頻法超聲波法化學法光學法優(yōu)點簡單；靈敏度較高，可對放電量進行校準易于實現(xiàn)；靈敏度較高靈敏度較高靈敏度高；可用于運行中設備靈敏度高；抗電磁干擾能力強不受電磁干擾不受電磁干擾缺點運行設備不能使用；信噪比低信噪比低，如用內電極需事先埋設造價較高，如用外電極則靈敏度低造價高結構復雜；要求豐富經驗的人操作靈敏度差；不能長期監(jiān)測靈敏度差；需多個傳感器可達精度很高很高很高很高較高很差差適用監(jiān)測的放電源固定微粒；懸浮物；氣隙和裂紋各種缺陷類型都適用各種缺陷類型都適用各種缺陷類型都適用自由移動的微粒；懸浮物放電情況嚴重時的缺陷固定微粒；針狀突出物能否故障定位不能不能能精確度較高：0.1m適用，但條

21、件苛刻，需多個傳感器僅能判斷哪個氣室發(fā)生放電不能能否判別故障類型能能能能能不能不能是否已應用早期應用早期應用早期應用應用應用極少應用極少應用 通過對以上7種GIS 局部放電檢測方法特點的分析比較可以得出以下結論：在GIS局部放電信號的檢（監(jiān)）測方法中，超高頻法和超聲波法是比較實用可行的方法 。 國內外對UHF的研究主要集中在超高頻傳感器研制、超高頻信號傳輸特性分析與建模、超高頻檢測系統(tǒng)研制、局放源類型識別和定位等幾個方面。 用超高頻法對GIS局部放電進行在線監(jiān)測在國外已有多年的運行經驗，充分證明了超高頻法的有效性，而在國內還處于研究探索階段，是一重點發(fā)展方向。SF6絕緣氣體放電分解研究 針對氣

22、體絕緣設備絕緣缺陷產生局部放電引起SF6氣體分解問題進行研究，尋找有效表征突發(fā)性故障的特征氣體組分，建立氣體組分濃度、產氣率、體積分數(shù)比與絕緣缺陷性質、程度及發(fā)展趨勢等的定量關系 對SF6放電分解氣體的常用檢測方法有以下幾種：氣相色譜法氣相色譜法，可以對SOF2、SO2F2、SO2和CF4進行檢測，但不能檢測HF和 SOF4，并且色譜進樣的特性決定了檢測時間較長，不能做到連續(xù)在線監(jiān)測，不適于現(xiàn)場在線監(jiān)測應用。 檢測管法，檢測管法，目前國內外實用的僅有HF，SO2檢測管，檢測精度可達1ppm，但其易受溫度、濕度、存放時間影響，存在交叉敏感問題，且不適合作為放電的在線監(jiān)測。 化學分析法，化學分析法

23、，僅能測定分解氣體中可水解氟化物及酸度，對分解物的類型和濃度無法判斷。 紅外吸收光譜法紅外吸收光譜法，它能檢測SOF2、SO2F2、SO2、SF4、SOF4、H2O和CF4，但SF6會影響其它氣體的吸收峰，有交叉干擾現(xiàn)象；紅外光源強度低，檢測器靈敏度低，定量精度不足。 采用碳納米管制作氣體傳感器檢測采用碳納米管制作氣體傳感器檢測SF6放放電分解氣體組分。電分解氣體組分。碳納米管(CNT，Carbon Nanotube)作為一種新的材料自從1991年被發(fā)現(xiàn)以來，其物理化學性質和應用得到了廣泛的研究。 CNTs可作為微型氣體傳感器，具有常規(guī)傳感器不可比擬的優(yōu)點：一是靈敏度高，一是靈敏度高，其靈敏度

24、可高達10ppb；二是大大降低了二是大大降低了傳感器的工作溫度；三是大大縮小了傳傳感器的工作溫度；三是大大縮小了傳感器的尺寸；四是氣敏選擇性強。感器的尺寸；四是氣敏選擇性強。因此，它在生物、化學、機械、航空、軍事等方面具有廣泛的發(fā)展前途。 可行性分析 SF6放電分解組分與絕緣缺陷關系研究的可行性 研究氣體設備內部各種缺陷產生的局部放電對SF6氣體分解組分的關系，通過分子仿真軟件計算和實驗數(shù)據(jù)分析處理，構建氣體絕緣設備絕緣缺陷產生局部放電引起SF6氣體分解組分的數(shù)據(jù)庫， 通過研究GIS設備絕緣缺陷產生局部放電程度和發(fā)展變化趨勢以及影響因素，揭示導致突發(fā)性故障的機理和條件，根據(jù)理論計算和實驗研究的

25、結果，采用統(tǒng)計、擬合和數(shù)據(jù)挖掘等方法，總結出有實用價值的經驗計算公式或曲線是可能的。特色與創(chuàng)新特色與創(chuàng)新 研究SF6氣體分解組分及濃度與不同絕緣缺陷類型產生的局部放電水平及發(fā)展趨勢的內在聯(lián)系，通過分解氣體組分測定與分析，解決氣體絕緣設備內部絕緣缺陷產生局部放電的故障診斷和狀態(tài)評估的難題。 針對SF6分解組分氣體分子特性，進行碳納米管多細微氣敏傳感器響應機理的研究，可研制功能性強的碳納米管氣敏傳感器。 綜上所述， SF6放電分解組分與絕緣缺陷關系的監(jiān)測和研究，也是GIS故障在線監(jiān)測的另一個重要的發(fā)展方向。六.電力設備在線監(jiān)測技術發(fā)展6.1 在線監(jiān)測裝置的智能化 。智能傳感器將傳感測量、補償計算、工程量處理與控