變電設備在線監(jiān)測方法的比較分析

變電設備在線監(jiān)測方法的比較分析

0變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)概述隨著電網規(guī)模的發(fā)展和供電設備質量的迅速提高，傳統(tǒng)的裝置定期維修模式不適應電網和設備的管理要求。目前,國家電網公司變電設備檢修正逐步從傳統(tǒng)的定期檢修模式向狀態(tài)檢修轉變。狀態(tài)檢修的基礎是設備的狀態(tài)評價,而在線監(jiān)測就是獲取設備狀態(tài)量進而對設備狀態(tài)進行評價的重要手段之一。2009年,國家電網公司提出了到2020年建成統(tǒng)一的“堅強智能電網”目標。智能電網的一個重要特征是“一次設備智能化”,即通過為電氣設備配置在線監(jiān)測及帶電檢測設備對設備狀態(tài)進行監(jiān)測。目前,一次設備的智能化主要通過“一次設備本體+傳感器+智能組件”的形式實現(xiàn)。不管是實行狀態(tài)檢修還是建設智能電網,我們都需要研究如何根據設備的具體情況配置適當的在線監(jiān)測裝置,以更好地掌握設備狀態(tài)。作為變電設備中最重要的設備之一,如何為變壓器選取合適的狀態(tài)監(jiān)測量及監(jiān)測方法的就成為一個急需解決的問題。目前市場上的變壓器在線監(jiān)測設備種類繁多,這些設備不僅監(jiān)測參量不同,監(jiān)測原理也不盡相同,令人難以選擇。2010年,國網公司發(fā)布了《Q/GDWZ410-2010高壓設備智能化技術導則》,2011年,又發(fā)布了《Q/GDW534-2010變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)技術導則》等一系列標準。這些標準對變電設備在線監(jiān)測的配置原則、監(jiān)測范圍及參量等進行了詳細規(guī)定。根據此規(guī)定,主變壓器需要配置的狀態(tài)監(jiān)測參量包括油中溶解氣體(多組分)、鐵芯接地電流、油中含水量、局部放電。本文對于目前比較成熟的狀態(tài)參量監(jiān)測技術進行綜合比較分析。下面分別一一介紹。1油中溶解氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)油中溶解氣體分析法(DGA)因不受外界電場和磁場的影響,且能夠在無需停電的情況下進行,已成為診斷油浸電力變壓器早期故障及預防災難性事故的最有效的方法之一。DGA能夠靈敏地反映變壓器的過熱、放電等缺陷,傳統(tǒng)的DGA都是采用離線方法,即定期從變壓器運行現(xiàn)場采集油樣后,在實驗室中使用氣相色譜儀檢測出油中溶解氣體,進而診斷變壓器的故障類型,但這種方式需要定期從變壓器取油樣進行分析,且檢測程序較復雜,存在較大人為誤差。而油中溶解氣體在線監(jiān)測,能夠實時地獲取變壓器的狀態(tài)信息,為設備的維修決策提供準確判據。因此正越來越受到重視。變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測可以分為兩大類:單組份監(jiān)測系統(tǒng)和多組份監(jiān)測系統(tǒng),其中單組分系統(tǒng)僅對油中溶解的某一種氣體成分或幾種氣體的綜合值定量檢測;多組份系統(tǒng)即對變壓器中幾種典型特征氣體均進行監(jiān)測。單組份系統(tǒng)因為反映的信息量太少而逐漸被淘汰,現(xiàn)在市場上的設備一般均為多組份系統(tǒng)。油中溶解氣體在線監(jiān)測的一般流程為:變壓器本體油經循環(huán)管路循環(huán)進入脫氣裝置,油氣分離后,根據氣體檢測單元的需要進行氣體分離,處理后的氣體由檢測器檢測并轉換為與氣體含量成正比的電信號,經模數轉換后將氣體的組分與濃度信息存儲在終端計算機的存儲單元內,供就地分析或遠程調用。由此可以看出,油中溶解氣體在線監(jiān)測的關鍵技術在于油氣分離和氣體檢測。目前的油氣分離技術包括半透膜滲透法、真空泵脫氣法、動態(tài)頂空法等。半透膜滲透法基于氣體的擴散原理,使用只滲透氣體分子而不能滲透油的高分子膜,利用膜兩側(變壓器油和氣室)氣體壓力的不平衡性,使氣體自動從油中向氣室擴散而實現(xiàn)油氣分離。這種方式存在脫氣效率低,半透膜容易老化等缺點。真空泵脫氣法利用離線色譜分析中的抽真空脫氣原理,用真空泵抽空氣來抽取油中溶解氣體,由于受現(xiàn)場條件的限制,目前利用該方法只能做到檢測四種氣體,而且真空泵的磨損使抽氣效率降低,導致測試結果偏低。動態(tài)頂空法在脫氣的過程中,采樣瓶內的磁力攪拌子不停的旋轉,攪動油樣脫氣,析出的氣體經過檢測裝置后返回采樣瓶的油樣中。在這個過程中,測量模塊間隔測量氣樣的濃度,當前后測量的值一致時,認為脫氣完畢。這種方法脫氣效率較高。目前比較成熟的氣體檢測技術有兩類:第一是將油氣分離后的混合氣體首先用色譜柱分離,然后使用單一的廣譜型傳感器依次檢測被分離出的氣體。色譜進樣的特性不僅延長了檢測時間,而且溫度對色譜柱分離效果的影響以及色譜柱使用一段時間后需要清洗等固有特性也在一定程度上限制了色譜柱技術在現(xiàn)場在線監(jiān)測中的應用。目前市場上大部分產品都是采用色譜法。第二為光聲光譜法。密閉于光聲池中的氣體分子吸收特定波長的電磁輻射后,引起氣體分子的無輻射弛豫過程,由于光聲池的體積一定,如果對光源進行周期性調制,那么將導致池中壓力的周期性變化(即引起聲波)。氣體的光聲光譜檢測就是利用光吸收和聲激發(fā)之間的對應,通過對聲信號的檢測來了解氣體對光的吸收過程。由于聲波的頻率與光源的調制頻率相同,而其強度則與吸收氣體的濃度有關,因此,建立氣體濃度與聲波強度的定量關系,就可以準確計量光聲池中各氣體成分的濃度。目前,市場上采用光聲光譜法的產品為GE公司的Tranfix色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)同時還能夠測量油中微水含量。經過實驗室對比試驗,光聲光譜法具有較高的準確度,同時該方法不需要更換載氣及色譜柱,大大減輕了維護工作量。因此,光聲光譜法代表了發(fā)展的趨勢。但是相對于色譜法產品,光聲光譜產品的造價較高。2監(jiān)測技術分析測量局部放電能有效地發(fā)現(xiàn)變壓器內部絕緣的固有缺陷和因長期運行使絕緣老化而產生的局部隱患。測試局部放電是及時發(fā)現(xiàn)變壓器潛伏故障的重要手段。目前,交接及預試標準要求變壓器出廠及大修后必須進行局部放電試驗。離線局部放電試驗采用的是脈沖電流法,即通過接在套管末屏處檢測阻抗檢測變壓器絕緣中由于局部放電而產生的脈沖電流。但如果將這種方法用于局部放電的在線監(jiān)測,就會因為測量頻率低、頻帶窄(幾十至幾百kHz)而造成獲得的信息量少,因此抗干擾性能很差。目前比較成熟的變壓器局部放電在線監(jiān)測技術為超聲法和超高頻法。當變壓器內部發(fā)生局部放電時,不僅產生電脈沖信號,同時還產生超聲波信號,因此可通過同時產生的超聲波信號和電信號判斷變壓器內部的絕緣狀況。超聲傳感器的頻帶約為70~300kHz,以避開鐵心的鐵磁噪聲和變壓器的機械振動噪聲(一般在45kHz以下)。超聲波法常用的傳感器為AE傳感器。近年來開始出現(xiàn)利用光纖傳感器檢測超聲波信號的技術。傳感器需要安放在設備外殼上,聲波從放電源傳到測量點。由于超聲波信號定向型強,當入射角超過26°時信號將發(fā)生全反射,傳感器不能接受到信號,因此安裝傳感器時要注意角度,讓可接受范圍覆蓋當前監(jiān)測的對象。超高頻檢測法是通過檢測變壓器局部放電產生的超高頻電磁波信號來獲得局部放電信息。在變壓器局部放電測量時,現(xiàn)場干擾信號的頻譜一般小于300MHz,超高頻檢測法是在300MHz~1500MHz寬頻帶內接收局部放電所產生的超高頻電磁脈沖信號。由于超高頻信號在空間傳播時衰減很快,故變壓器箱體外部的超高頻電磁干擾信號(如空氣中的電暈放電),不僅頻帶比油中局部放電信號的窄,其強度也會隨頻率增加而迅速下降,進入變壓器金屬油箱內部的超高頻分量相對較少,因而可以避開絕大多數的空氣放電脈沖干擾。但該方法一般需要對變壓器進油管閥門進行改造以安裝傳感器。綜合比較這兩種方法,這兩種方法都屬于非電量測量,不影響設備正常運行。超高頻法的精度更高,抗干擾能力更強,但是造價更高,同時需要對變壓器油管閥門進行改造。超聲波法發(fā)展時間相對較長,技術比較成熟,安裝比較方便,同時可以使用聲-電聯(lián)合法可以發(fā)揮各自的優(yōu)點,保證局放檢測的可靠性。目前在現(xiàn)場應用情況較好的是英國PowerPD型超聲檢測系統(tǒng)。3鐵芯接地電流過變壓器在正常運行時必須單點接地,一旦出現(xiàn)鐵芯兩點接地或多點接地,在鐵芯內部會產生環(huán)流,引起局部過熱,嚴重時會造成鐵芯局部燒損,甚至使接地片熔斷,導致鐵芯電位懸浮,產生放電性故障,嚴重威脅變壓器安全運行。正常情況下,鐵芯接地電流一般為幾mA或幾十mA,一旦出現(xiàn)多點接地,鐵芯接地電流將急劇增大。鐵芯接地電流在線監(jiān)測就是通過在鐵芯接地引線處安裝電流測量裝置,然后將電流數值傳送到主機進行處理?，F(xiàn)在很多鐵芯接地電流在線監(jiān)測裝置還可以根據電流數值大小串入大小不同的電阻,以限制鐵芯接地電流。鐵芯接地電流在線監(jiān)測裝置原理簡單,技術成熟,目前市場上的產品也比較多。4鐵心振動信號變壓器的振動主要是由變壓器本體(主要是鐵心和繞組)和冷卻裝置的振動引起的。振動的來源主要包括:①硅鋼片的磁致伸縮引起鐵心的振動。②硅鋼片接縫處和疊片之間存在著因漏磁而產生的電磁吸引力,從而引起鐵心的振動。③電流通過繞組時,在繞組間、線餅間、線匝間產生動態(tài)電磁力,引起繞組的振動。④漏磁引起油箱壁(包括磁屏蔽等)的振動。隨著變壓器制造工藝及鐵心疊加方式的改進,硅鋼片接縫處和疊片之間的電磁吸引力引起的鐵心振動,比硅鋼片磁致伸縮的鐵心振動要小的多。因此,變壓器的振動主要是由于由磁致伸縮引起的鐵心振動和繞組振動構成。在空載條件下,變壓器負載電流為零,因此繞組的振動可忽略不計,器身振動主要是勵磁電流作用下鐵心的振動引起的。因此,測量空載條件下運行的變壓器器身振動信號即可得到變壓器鐵心的振動特性。在負載條件下,繞組中有負載電流流過,因此除了鐵心的振動之外,變壓器器身振動還包括負載電流作用下的繞組的振動。從負載的振動信號中分離出空載時的振動信號顯然可以得到繞組的振動信號。由于變壓器的鐵心的振動與硅鋼片的磁致伸縮有密切關系,所以硅鋼片的壓緊力減小或者發(fā)生扭曲變形都會使硅鋼片之間的電磁力增大,進而導致鐵心的振動增加,此外,當發(fā)生短路或者發(fā)生鐵心多點接地時,導致硅鋼片的磁致伸縮加大,鐵心溫度升高,振動也會加大。對于繞組來說,當變壓器的負載電流變大時,繞組匝與匝或層與層之間的電場力變大,繞組的振動會增大。繞組發(fā)生松動或扭曲變形時,也會導致繞組的振動增加。所以,通過測量變壓器的振動信號可以分析出鐵心狀態(tài)及繞組狀態(tài)。振動在線監(jiān)測所用的傳感器一般采用壓電式加速度傳感器,傳感器將振動加速度信號轉換成正比的電壓信號,經過放大后進行測量處理。現(xiàn)在也出現(xiàn)了一種光纖振動傳感器,其原理是將振動轉化成光纖光柵的應變,進而使光柵中心反射波長發(fā)生變化,通過波長解調系統(tǒng)可將波長變化轉化成電壓的變化,即可實現(xiàn)振動信號的傳感。振動在線監(jiān)測目前還沒有比較成熟的產品,而且現(xiàn)在也缺少相關的判斷標準。振動除用于在線監(jiān)測外,還可用于離線檢測。上海交通大學等單位目前正在研究利用振動頻響分析法檢測變壓器繞組狀態(tài)的方法。利用該方法能夠有效檢測大型電力變壓器繞組墊塊脫落和局部徑向變形故障,比短路阻抗法的靈敏度更高且較為有效。5光纖直接測量組變壓器在運行時,鐵心中的磁通會在鐵心中產生損耗,繞組中的電流會在繞組上產生損耗。除此之外,還有諸如漏磁通以及冷卻裝置等產生的附加損耗。各種損耗都轉化為熱。絕緣材料在熱的作用下會逐漸分解老化,直至喪失其機械強度和絕緣性能。變壓器的絕緣屬于A級絕緣,其繞組平均工作溫度應不超過105℃。變壓器的絕緣是按照熱點溫度98℃為基準的,溫度每升高6℃,絕緣壽命降低1倍。反之,溫度降低6℃,壽命提高1倍。因此,變壓器的運行溫度直接影響變壓器的絕緣壽命。變壓器運行時一般都需要監(jiān)測頂層油溫和繞組溫度。油溫一般是采用壓力式溫度計直接測量,而測量繞組溫度時,都是采用“油溫+銅油溫差”的方法間接測量,而不是直接測量繞組熱點溫度得出的,因此這種方法具有很大的誤差。而且其指示的溫度是基于整個變壓器的油箱內平均油溫的變化,所以很難反映出繞組或餅間油道溫度的快速變化。隨著光纖技術的發(fā)展,采用光纖直接測量繞組熱點溫度的技術已經比較成熟。光纖溫度傳感器可分為兩類:半導體吸收式傳感器和光纖光柵傳感器。半導體吸收式光纖溫度傳感器測溫的基本原理為:在光源的光譜輻射強度不變的前提下,半導體材料GaAs(砷化鎵)總透射率就隨其溫度發(fā)生變化,溫度越高,透射率越低,溫度越低,透射率越高。通過測量透過GaAs光的強弱就可達到測溫的目的。光纖光柵傳感器測溫的工作原理如圖1所示:寬帶光源輸入,經過光纖光柵后,在布拉格波長的窄帶光譜被反射到光纖的輸入端;其余的波長透射通過。當把光纖光柵封裝在絕緣外殼內部時,外界環(huán)境溫度,經過殼體傳導到光纖光柵,使其波長發(fā)生變化。通過精確地測量反射信號的波長,可以實現(xiàn)對溫度的檢測。目前采用這兩種傳感器的光纖測溫系統(tǒng)都已經比較成熟。采用半導體傳感器的加拿大neoptix公司的T/guard光纖測溫系統(tǒng)產品已經獲得了廣泛的應用,山東科學院激光所研制的基于光纖光柵傳感器的測溫系統(tǒng)技術也比較成熟,但現(xiàn)在還沒有市場化的產品。與傳統(tǒng)的測溫方式相比較,光纖測溫測量系統(tǒng)具有很多的技術優(yōu)勢:包括可以實時測量、抗干擾性能強、可以直接測量繞組熱點溫度因此測量更加準確。變壓器繞組溫度的最高點通常位于繞組中上部,但在這個位置進行測量很不方便,因此一般采用繞組的上表面溫度作為變壓器繞組溫度的最高點。在變壓器的繞組的上表面,局部有較大的測量平面,將光纖光柵溫度傳感器可以比較方便地粘貼于繞組表面。6在線監(jiān)測系統(tǒng)的比較1)油中溶解氣體在線監(jiān)測主要有光聲光譜法和色譜法,光聲光譜法設備準確度較高,不需要更換載氣及色譜柱,大大減輕了維護工作量。但是相對于色譜法,光聲光譜法設備的造價較高。2)局部放電在線監(jiān)測主要有