關鍵詞：水電站，主變壓器，在線監(jiān)測，多組態(tài)

Abstract：On-line monitoring system for large-capacity insulation monitoring of electric equipment has a positive meaning. Helpful in large capacity equipment in operation of the system in the timely detection of defects such as insulation deterioration, and to monitor the process and provide analysis. Monitoring results analysis of preventive test combined with the existing, and promote the equipment operation and maintenance to the better direction. This paper introduces the application of on-line monitoring system for Longtan hydropower station, described differs from traditional monitoring methods in on-line monitoring system of principles and solutionsprovides support for device analysis. Through experience, can provide lessons for similar installations put into operation.

Key words：Hydropower station, Main transformer, Online monitoring , IMC

0 引言

定期對高壓電氣設備進行絕緣試驗可以發(fā)現(xiàn)設備的絕緣缺陷。電力生產現(xiàn)場實際采用的監(jiān)測方法一般為預防性試驗這種離線監(jiān)測的方式進行。預防性試驗廣泛使用為設備的成功投運發(fā)揮了積極的作用，但這種監(jiān)測方式也有一定的局限性，主要表現(xiàn)為：需停電試驗，大部分涉網電氣設備在國民經濟發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用，不能輕易停止運行；按規(guī)定周期試驗，不能連續(xù)進行監(jiān)視，設備絕緣可能在試驗間隔期發(fā)生故障；設備停電后狀態(tài)與運行實際情況不同，且由于試驗設備的局限性，影響對設備實際情況的綜合診斷。例如針對高電壓、大容量的設備在預防性試驗的電容型套管介損與電容量監(jiān)測中，按現(xiàn)行規(guī)程所加的電壓一般要求為10kV，但在實際試驗過程中由于試驗設備的容量或電源容量不足等原因會導致試驗實際所加電壓更低，以致即使在工作電壓下絕緣所含缺陷已經發(fā)生擊穿現(xiàn)象，而仍能通過低電壓試驗。因此，離線監(jiān)測對設備在運行電壓下的絕緣情況難以真實反映。在線監(jiān)測是在設備運行的狀態(tài)下進行監(jiān)測，可避免上述離線監(jiān)測的缺點，設備在運行中實時提供監(jiān)測數據，為設備運行狀態(tài)的多元化分析提供依據，并且有利于推進電氣設備由離線試驗這種計劃性檢修轉向根據設備運行監(jiān)測和診斷情況來綜合判斷而進行的狀態(tài)檢修，從而提高設備在電力生產中的經濟效益。

1 設備概況

龍灘水電站位于紅水河上游的廣西天峨縣境內, 目前在役總裝機容量490萬千瓦。電站按“無人值班、少人值守”原則設計，在系統(tǒng)中擔任調峰、調頻和事故備用任務。電站共裝有7臺500kV電壓等級的三相雙圈強迫油循環(huán)水冷無載調壓組合式升壓變壓器，額定容量均為780MVA。絕緣油采用新疆克拉瑪依生產的DB25環(huán)烷基石油。變壓器高壓側采用ABB公司生產的RTKJ系列合成樹脂浸漬紙絕緣油-SF6套管與500kV SF6管線連接，低壓側采用ABB公司生產的 RTXF系列合成樹脂浸漬紙絕緣油-空氣純瓷套管與18kV離相封閉母線相連接。變壓器鐵心及夾件接地套管分相設置，引出后分別在箱體外殼接地。本文主要以在線監(jiān)測系統(tǒng)在主變壓器的應用進行探究分析。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)功能結構及數據分析

龍灘水電站在線監(jiān)測系統(tǒng)采用一套綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結構，可集成水電站內多項設備的狀態(tài)監(jiān)測單元，實時的多通道采集設備運行數據，提供對變電站內設備狀態(tài)進行分析與診斷的綜合數據。且在基于綜合數據的比對情況下，能提供不同的分析方法發(fā)現(xiàn)并佐證設備的故障類型及狀態(tài)。該系統(tǒng)具有良好的兼容性和穩(wěn)定性，后臺數據庫采用SQL Sqlserver2005數據庫，支持標準通訊協(xié)議IEC61850，使系統(tǒng)的配置方案更開放，有利于靈活的擴展系統(tǒng)規(guī)模，有利于選配不同類型的設備組成規(guī)模化的系統(tǒng)，有利于與其它系統(tǒng)或數據平臺集成。

在線監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

2.1油色譜監(jiān)測單元

該單元按絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法進行測定。其應用動態(tài)頂空吹掃-捕集脫氣技術和高靈敏度微橋式檢測器，實現(xiàn)對判斷充油電氣設備內部故障有價值氣體：即氫氣（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）的監(jiān)測。

系統(tǒng)工作開始前，主機首先開機自檢，待整機穩(wěn)定后，采集絕緣油進入脫氣裝置，油中各組分隨載氣經反復多次萃取，被收集到捕集器中進行濃縮，然后被迅速吹掃到色譜柱中，脫出的樣品氣體經色譜柱分離，依次進入雙臂結構式的高靈敏度固態(tài)微橋式檢測器，經檢測器把樣品濃度信息轉化成電信號。電信號經24位A/D轉換芯片轉換為數字信號，主機就地采集單元輸出數字信號經RS485轉換器隔離放大后傳輸到后臺監(jiān)控工作站，監(jiān)控工作站統(tǒng)計所有數據，并通過三比值法、產氣速率計算、立體圖示法、大衛(wèi)三角形法、譜圖等智能診斷手段進行綜合分析。

與手動取油樣化驗方式相比，油色譜在線監(jiān)測最大的優(yōu)勢在于所取油樣在油氣分離后，能經油管路真空循環(huán)回主變內部，減少了手動方式對絕緣油的損耗，使油霧等油處理工作量大幅度降低，同時有利于縮短油色譜分析周期，彌補實驗室分析監(jiān)測周期長的不足。

2.2鐵芯、夾件接地監(jiān)測單元

該單元采用含信號調理單元的零磁通電流傳感器串聯(lián)安裝在鐵芯、夾件接地線上。傳統(tǒng)傳感器由于存在溫度漂移、抗干擾能力差等缺陷，在實際應用中會導致測試值與實際值之間存在較大誤差。零磁通電流傳感器有助于減小上述影響，滿足測試過程中mA級電流信號的采集。

其主要運用的零磁通電流傳感器原理如下圖，在回路中的磁勢平衡方程為：

電流傳感器零磁通原理圖

產生的激磁磁通在兩端產生感應電勢，并加到動態(tài)監(jiān)測電源D的輸入端，通過有源網絡G產生二次電流1提供給二次繞組，所產生的磁通對鐵芯去磁，使鐵芯達到磁勢平衡。因此，在理想狀態(tài)下傳感器的二次繞組電流全部由有源網絡G供給，而不從感應電勢取電流。D高速動態(tài)監(jiān)測兩端電勢差，當電勢差足夠小時，鐵芯中的磁通近似為零磁通。若檢測值偏離允許值，G則自動高速調整，使鐵芯始終保持在逼近零磁通狀態(tài)，以保證傳感器的精度。

現(xiàn)場應用中，由于磁場、噪聲等因素的干擾，傳感器還會獲得其它高頻分量，因此在傳感器內還集成了一套信號調理單元，以對信號進行放大和濾波預處理。如圖：

信號預處理電路圖

放大電路由兩級構成，第一級是由運算放大器構成的固定增益同向放大器。同向放大器具有高阻抗特點，當傳感器中出現(xiàn)過電壓時，同向放大器可限制其輸入電壓最大值，在回路中起到一定的安全隔離作用。第二級放大器采用程控增益放大器，通過I/O口控制其增益，可根據現(xiàn)場實際情況控制其增益倍數。

2.3電容型套管監(jiān)測單元

電容型套管主要是監(jiān)測其末屏電流、在線電容、介損。該監(jiān)測方法有別于傳統(tǒng)的西林電橋測量法，主要采用數字積分法。電壓采樣單元分別取主變壓器高低壓側的PT的二次電壓信號。電流采樣單元是將電容型套管末屏接地點引出接地，利用穿心式電流傳感器取樣套管末屏的泄漏電流。該電流傳感器原理類似鐵芯、夾件接地監(jiān)測單元傳感器，并增加屏蔽層，可有效降低相位的絕對誤差和溫度變化引起的相位漂移。采集的電壓電流波形根據傅里葉分析法進行數字運算，以求得tanδ值。其運算方法主要如下。

在電路中，當一個周期性函數滿足狄里赫利條件時，它可以展開成三角式的傅里葉級數：

其中 為基波角頻。若只取基波即 時，其幅值:

利用在電路原理中均已證明的系數：

利用采集的電壓信號和電流信號 ，通過上述三式可求得各自的電流及電壓基波幅值 ， 和基波相位 和 。即可求得介質損失角正切：

電容為：

上述計算表明：通過電壓電流信號基波分量幅值可計算出設備的電容量，通過兩信號相位和電壓信號差分量可以計算電容設備的泄漏電流和主回路電壓的相位差，進而求得介損。

2.4接入多組態(tài)數據平臺

設備的運行狀態(tài)判斷是基于大量的運行、維護數據進行的。龍灘水電站依托計算及監(jiān)控系統(tǒng)及定期維護工作等，開發(fā)了一套多組態(tài)數據平臺。該平臺能通過大量模擬量、開關量信號，采用數據挖掘技術，設計并利用數據模型、數據運算模型、報表和圖表模型、模型組態(tài)工具，通過不同手段對設備狀態(tài)進行實時監(jiān)測及定性、定量分析。

在線監(jiān)測系統(tǒng)接入多組態(tài)數據平臺是依據被檢測設備功能，主要分為油色譜檢測分析、鐵芯夾件接地檢測分析、套管檢測分析三大塊。設計初期即考慮該表格要區(qū)別于數據記錄的功能，主要挖掘計算機監(jiān)控系統(tǒng)及在線檢測系統(tǒng)的相關信息量來對設備進行全面分析。該平臺在數據大量發(fā)掘的的情況下，根據被檢測設備功能，利用在線檢測系統(tǒng)監(jiān)測成果和計算機監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控數據形成散點分析圖、偏差分析、趨勢分析、相關量分析、特征綜合分析等不同的分析表格。并且可在同一表格內，可實現(xiàn)對被監(jiān)測設備歷史監(jiān)測數據進行比較、與設備不同相別間進行比較、與同型號設備進行比較。形成對設備的全面監(jiān)測分析。

3系統(tǒng)運行情況分析

龍灘水電站在線監(jiān)測系統(tǒng)自安裝運行以來，為設備絕緣分析提供了良好的依據，但在此中也存在一些不足之處。

a）在進行4號主變油色譜在線監(jiān)測數據比對中發(fā)現(xiàn)：手動取油樣測得油中有輕微乙炔含量，但在線監(jiān)測系統(tǒng)油色譜監(jiān)測單元所測得值為0。雖然手動取油樣所測值并未達到GB/T 7252規(guī)程規(guī)定的乙炔注意值1 uL/L，但由于油絕緣是在設備運行過程中逐步劣化的。在電壓等級為330kV以上的設備應用中，乙炔含量的發(fā)展情況對設備內部絕緣變化的分析有重要作用。在線監(jiān)測系統(tǒng)能在短周期內對油樣進行化驗，若在乙炔含量較低時，油色譜監(jiān)測單元不能反映乙炔含量的增長，將不利于設備絕緣的分析。經比較發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)采用的固態(tài)微橋式檢測器有別于手動取油樣化驗設備采用的TCD熱導檢測器和FID氫離子火焰檢測器。目前已知的FID氫離子火焰檢測器的最小檢測精度已達到0.1uL/L，而在線監(jiān)測系統(tǒng)采用的固態(tài)微橋式檢測器檢測精度約為0.5～0.7 uL/L。固態(tài)微橋式檢測器技術的精度有待進一步提高。

b）電力系統(tǒng)的頻率是在一定范圍內變動的，在電容型套管監(jiān)測單元中電流、電壓實現(xiàn)同步采樣是比較困難的。同步采樣是指被采樣信號真正周期等于等間隔采樣周期的整倍數。不能實現(xiàn)同步采樣就會產生非同步采樣差。且由于設備安裝原因，易使被測數據發(fā)生一定的偏移，妨礙數據分析的可靠性。

c)在線監(jiān)測技術目前在不斷發(fā)展，設備軟、硬件更新較快，該系統(tǒng)也是首次在龍灘水電站應用。由于設備軟、硬件的運行的不穩(wěn)定性，導致前期調試、維護工作量較大。應在后期發(fā)展中有所改進。

d)目前監(jiān)控工作站的分析，主要是根據采集數據及電氣設備相關參量，結合規(guī)程規(guī)定的方法進行分析。但在實際應用中，其它因素也可能對設備運行造成影響，如環(huán)境因素中的溫度、濕度、電磁場等要素也具有一定的分析意義。

4 結論

a）在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用有助于提高電力系統(tǒng)絕緣監(jiān)督的自動化水平，在目前的應用中，結合定期離線監(jiān)測試驗的結果，可以為大容量設備技術監(jiān)督工作提供可靠依據。

b）監(jiān)控工作站以其自動診斷功能為依托，實現(xiàn)對設備絕緣信息的可控、在控、多元化、信息化的綜合管理分析，對設備絕緣狀態(tài)實施動態(tài)跟蹤，以提高電氣設備絕緣劣化缺陷在初期發(fā)展時的診斷能力。

c）多組態(tài)數據平臺的引入，可以與在線檢測數據平臺形成互補。為設備運行情況分析提供可靠依據。

d）在目前科技發(fā)展的背景下，在線監(jiān)測系統(tǒng)的各單元模塊有很大的發(fā)展空間。

f）在現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定的情況下，可考慮引入具備其它功能的監(jiān)測單元，如變壓器局部放電監(jiān)測、氧化鋅避雷器帶電監(jiān)測等，以加強對設備的監(jiān)督和管理。

h）在線監(jiān)測系統(tǒng)的成功應用，以及與多組態(tài)數據平臺的整合，有利于推動電氣設備由計劃性檢修向狀態(tài)檢修的轉變，從而提高設備管理水平。

參考文獻

北京：清華大學出版社，楊保初.劉曉波.戴玉松編著.高電壓技術