關(guān)鍵詞：水電站，主變壓器，在線監(jiān)測(cè)，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(duì)高壓電氣設(shè)備進(jìn)行絕緣試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的絕緣缺陷。電力生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采用的監(jiān)測(cè)方法一般為預(yù)防性試驗(yàn)這種離線監(jiān)測(cè)的方式進(jìn)行。預(yù)防性試驗(yàn)廣泛使用為設(shè)備的成功投運(yùn)發(fā)揮了積極的作用，但這種監(jiān)測(cè)方式也有一定的局限性，主要表現(xiàn)為：需停電試驗(yàn)，大部分涉網(wǎng)電氣設(shè)備在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用，不能輕易停止運(yùn)行；按規(guī)定周期試驗(yàn)，不能連續(xù)進(jìn)行監(jiān)視，設(shè)備絕緣可能在試驗(yàn)間隔期發(fā)生故障；設(shè)備停電后狀態(tài)與運(yùn)行實(shí)際情況不同，且由于試驗(yàn)設(shè)備的局限性，影響對(duì)設(shè)備實(shí)際情況的綜合診斷。例如針對(duì)高電壓、大容量的設(shè)備在預(yù)防性試驗(yàn)的電容型套管介損與電容量監(jiān)測(cè)中，按現(xiàn)行規(guī)程所加的電壓一般要求為10kV，但在實(shí)際試驗(yàn)過程中由于試驗(yàn)設(shè)備的容量或電源容量不足等原因會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)實(shí)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(jīng)發(fā)生擊穿現(xiàn)象，而仍能通過低電壓試驗(yàn)。因此，離線監(jiān)測(cè)對(duì)設(shè)備在運(yùn)行電壓下的絕緣情況難以真實(shí)反映。在線監(jiān)測(cè)是在設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)下進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可避免上述離線監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)，設(shè)備在運(yùn)行中實(shí)時(shí)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的多元化分析提供依據(jù)，并且有利于推進(jìn)電氣設(shè)備由離線試驗(yàn)這種計(jì)劃性檢修轉(zhuǎn)向根據(jù)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)和診斷情況來綜合判斷而進(jìn)行的狀態(tài)檢修，從而提高設(shè)備在電力生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)備概況

龍灘水電站位于紅水河上游的廣西天峨縣境內(nèi), 目前在役總裝機(jī)容量490萬千瓦。電站按“無人值班、少人值守”原則設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。電站共裝有7臺(tái)500kV電壓等級(jí)的三相雙圈強(qiáng)迫油循環(huán)水冷無載調(diào)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(chǎn)的DB25環(huán)烷基石油。變壓器高壓側(cè)采用ABB公司生產(chǎn)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(cè)采用ABB公司生產(chǎn)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(shè)置，引出后分別在箱體外殼接地。本文主要以在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在主變壓器的應(yīng)用進(jìn)行探究分析。

2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)分析

龍灘水電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用一套綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可集成水電站內(nèi)多項(xiàng)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元，實(shí)時(shí)的多通道采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，提供對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析與診斷的綜合數(shù)據(jù)。且在基于綜合數(shù)據(jù)的比對(duì)情況下，能提供不同的分析方法發(fā)現(xiàn)并佐證設(shè)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(tái)數(shù)據(jù)庫采用SQL Sqlserver2005數(shù)據(jù)庫，支持標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展系統(tǒng)規(guī)模，有利于選配不同類型的設(shè)備組成規(guī)?；南到y(tǒng)，有利于與其它系統(tǒng)或數(shù)據(jù)平臺(tái)集成。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1油色譜監(jiān)測(cè)單元

該單元按絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測(cè)定法進(jìn)行測(cè)定。其應(yīng)用動(dòng)態(tài)頂空吹掃-捕集脫氣技術(shù)和高靈敏度微橋式檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)判斷充油電氣設(shè)備內(nèi)部故障有價(jià)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(cè)。

系統(tǒng)工作開始前，主機(jī)首先開機(jī)自檢，待整機(jī)穩(wěn)定后，采集絕緣油進(jìn)入脫氣裝置，油中各組分隨載氣經(jīng)反復(fù)多次萃取，被收集到捕集器中進(jìn)行濃縮，然后被迅速吹掃到色譜柱中，脫出的樣品氣體經(jīng)色譜柱分離，依次進(jìn)入雙臂結(jié)構(gòu)式的高靈敏度固態(tài)微橋式檢測(cè)器，經(jīng)檢測(cè)器把樣品濃度信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。電信號(hào)經(jīng)24位A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，主機(jī)就地采集單元輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)RS485轉(zhuǎn)換器隔離放大后傳輸?shù)胶笈_(tái)監(jiān)控工作站，監(jiān)控工作站統(tǒng)計(jì)所有數(shù)據(jù)，并通過三比值法、產(chǎn)氣速率計(jì)算、立體圖示法、大衛(wèi)三角形法、譜圖等智能診斷手段進(jìn)行綜合分析。

與手動(dòng)取油樣化驗(yàn)方式相比，油色譜在線監(jiān)測(cè)最大的優(yōu)勢(shì)在于所取油樣在油氣分離后，能經(jīng)油管路真空循環(huán)回主變內(nèi)部，減少了手動(dòng)方式對(duì)絕緣油的損耗，使油霧等油處理工作量大幅度降低，同時(shí)有利于縮短油色譜分析周期，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室分析監(jiān)測(cè)周期長的不足。

2.2鐵芯、夾件接地監(jiān)測(cè)單元

該單元采用含信號(hào)調(diào)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(shí)際應(yīng)用中會(huì)導(dǎo)致測(cè)試值與實(shí)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(cè)試過程中mA級(jí)電流信號(hào)的采集。

其主要運(yùn)用的零磁通電流傳感器原理如下圖，在回路中的磁勢(shì)平衡方程為：

電流傳感器零磁通原理圖

產(chǎn)生的激磁磁通在兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，并加到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)電源D的輸入端，通過有源網(wǎng)絡(luò)G產(chǎn)生二次電流1提供給二次繞組，所產(chǎn)生的磁通對(duì)鐵芯去磁，使鐵芯達(dá)到磁勢(shì)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(wǎng)絡(luò)G供給，而不從感應(yīng)電勢(shì)取電流。D高速動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)兩端電勢(shì)差，當(dāng)電勢(shì)差足夠小時(shí)，鐵芯中的磁通近似為零磁通。若檢測(cè)值偏離允許值，G則自動(dòng)高速調(diào)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(chǎng)應(yīng)用中，由于磁場(chǎng)、噪聲等因素的干擾，傳感器還會(huì)獲得其它高頻分量，因此在傳感器內(nèi)還集成了一套信號(hào)調(diào)理單元，以對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波預(yù)處理。如圖：

信號(hào)預(yù)處理電路圖

放大電路由兩級(jí)構(gòu)成，第一級(jí)是由運(yùn)算放大器構(gòu)成的固定增益同向放大器。同向放大器具有高阻抗特點(diǎn)，當(dāng)傳感器中出現(xiàn)過電壓時(shí)，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(jí)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況控制其增益倍數(shù)。

2.3電容型套管監(jiān)測(cè)單元

電容型套管主要是監(jiān)測(cè)其末屏電流、在線電容、介損。該監(jiān)測(cè)方法有別于傳統(tǒng)的西林電橋測(cè)量法，主要采用數(shù)字積分法。電壓采樣單元分別取主變壓器高低壓側(cè)的PT的二次電壓信號(hào)。電流采樣單元是將電容型套管末屏接地點(diǎn)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(cè)單元傳感器，并增加屏蔽層，可有效降低相位的絕對(duì)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(jù)傅里葉分析法進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，以求得tanδ值。其運(yùn)算方法主要如下。

在電路中，當(dāng)一個(gè)周期性函數(shù)滿足狄里赫利條件時(shí)，它可以展開成三角式的傅里葉級(jí)數(shù)：

其中 為基波角頻。若只取基波即 時(shí)，其幅值:

利用在電路原理中均已證明的系數(shù)：

利用采集的電壓信號(hào)和電流信號(hào) ，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(zhì)損失角正切：

電容為：

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

2.4接入多組態(tài)數(shù)據(jù)平臺(tái)

設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)判斷是基于大量的運(yùn)行、維護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行的。龍灘水電站依托計(jì)算及監(jiān)控系統(tǒng)及定期維護(hù)工作等，開發(fā)了一套多組態(tài)數(shù)據(jù)平臺(tái)。該平臺(tái)能通過大量模擬量、開關(guān)量信號(hào)，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，設(shè)計(jì)并利用數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)運(yùn)算模型、報(bào)表和圖表模型、模型組態(tài)工具，通過不同手段對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及定性、定量分析。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接入多組態(tài)數(shù)據(jù)平臺(tái)是依據(jù)被檢測(cè)設(shè)備功能，主要分為油色譜檢測(cè)分析、鐵芯夾件接地檢測(cè)分析、套管檢測(cè)分析三大塊。設(shè)計(jì)初期即考慮該表格要區(qū)別于數(shù)據(jù)記錄的功能，主要挖掘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及在線檢測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)信息量來對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面分析。該平臺(tái)在數(shù)據(jù)大量發(fā)掘的的情況下，根據(jù)被檢測(cè)設(shè)備功能，利用在線檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)成果和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)形成散點(diǎn)分析圖、偏差分析、趨勢(shì)分析、相關(guān)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(nèi)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、與設(shè)備不同相別間進(jìn)行比較、與同型號(hào)設(shè)備進(jìn)行比較。形成對(duì)設(shè)備的全面監(jiān)測(cè)分析。

3系統(tǒng)運(yùn)行情況分析

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

a）在進(jìn)行4號(hào)主變油色譜在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)中發(fā)現(xiàn)：手動(dòng)取油樣測(cè)得油中有輕微乙炔含量，但在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)油色譜監(jiān)測(cè)單元所測(cè)得值為0。雖然手動(dòng)取油樣所測(cè)值并未達(dá)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(shè)備運(yùn)行過程中逐步劣化的。在電壓等級(jí)為330kV以上的設(shè)備應(yīng)用中，乙炔含量的發(fā)展情況對(duì)設(shè)備內(nèi)部絕緣變化的分析有重要作用。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能在短周期內(nèi)對(duì)油樣進(jìn)行化驗(yàn)，若在乙炔含量較低時(shí)，油色譜監(jiān)測(cè)單元不能反映乙炔含量的增長，將不利于設(shè)備絕緣的分析。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)采用的固態(tài)微橋式檢測(cè)器有別于手動(dòng)取油樣化驗(yàn)設(shè)備采用的TCD熱導(dǎo)檢測(cè)器和FID氫離子火焰檢測(cè)器。目前已知的FID氫離子火焰檢測(cè)器的最小檢測(cè)精度已達(dá)到0.1uL/L，而在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的固態(tài)微橋式檢測(cè)器檢測(cè)精度約為0.5～0.7 uL/L。固態(tài)微橋式檢測(cè)器技術(shù)的精度有待進(jìn)一步提高。

b）電力系統(tǒng)的頻率是在一定范圍內(nèi)變動(dòng)的，在電容型套管監(jiān)測(cè)單元中電流、電壓實(shí)現(xiàn)同步采樣是比較困難的。同步采樣是指被采樣信號(hào)真正周期等于等間隔采樣周期的整倍數(shù)。不能實(shí)現(xiàn)同步采樣就會(huì)產(chǎn)生非同步采樣差。且由于設(shè)備安裝原因，易使被測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生一定的偏移，妨礙數(shù)據(jù)分析的可靠性。

c)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)目前在不斷發(fā)展，設(shè)備軟、硬件更新較快，該系統(tǒng)也是首次在龍灘水電站應(yīng)用。由于設(shè)備軟、硬件的運(yùn)行的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致前期調(diào)試、維護(hù)工作量較大。應(yīng)在后期發(fā)展中有所改進(jìn)。

d)目前監(jiān)控工作站的分析，主要是根據(jù)采集數(shù)據(jù)及電氣設(shè)備相關(guān)參量，結(jié)合規(guī)程規(guī)定的方法進(jìn)行分析。但在實(shí)際應(yīng)用中，其它因素也可能對(duì)設(shè)備運(yùn)行造成影響，如環(huán)境因素中的溫度、濕度、電磁場(chǎng)等要素也具有一定的分析意義。

4 結(jié)論

a）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用有助于提高電力系統(tǒng)絕緣監(jiān)督的自動(dòng)化水平，在目前的應(yīng)用中，結(jié)合定期離線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的結(jié)果，可以為大容量設(shè)備技術(shù)監(jiān)督工作提供可靠依據(jù)。

b）監(jiān)控工作站以其自動(dòng)診斷功能為依托，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備絕緣信息的可控、在控、多元化、信息化的綜合管理分析，對(duì)設(shè)備絕緣狀態(tài)實(shí)施動(dòng)態(tài)跟蹤，以提高電氣設(shè)備絕緣劣化缺陷在初期發(fā)展時(shí)的診斷能力。

c）多組態(tài)數(shù)據(jù)平臺(tái)的引入，可以與在線檢測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)形成互補(bǔ)。為設(shè)備運(yùn)行情況分析提供可靠依據(jù)。

d）在目前科技發(fā)展的背景下，在線監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，可考慮引入具備其它功能的監(jiān)測(cè)單元，如變壓器局部放電監(jiān)測(cè)、氧化鋅避雷器帶電監(jiān)測(cè)等，以加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的監(jiān)督和管理。

h）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功應(yīng)用，以及與多組態(tài)數(shù)據(jù)平臺(tái)的整合，有利于推動(dòng)電氣設(shè)備由計(jì)劃性檢修向狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變，從而提高設(shè)備管理水平。

參考文獻(xiàn)

北京：清華大學(xué)出版社，楊保初.劉曉波.戴玉松編著.高電壓技術(shù)