论高压电气设备绝缘在线监测装置的应用

摘要: 对高压电气设备绝缘的在线监测技术的应用现状和最新进展进行了较为全面的介绍,本文介绍了高压电气设备绝缘在线监测系统的监测方法、主要绝缘信号采集处理以及监测系统功能 ,对变电站中主要设备(避雷器、电容型设备、变压器、GIS等)的监测要点进行了分析 ,这对电力企业提高设备的运行可靠性 ,减小设备的运行维护成本 ,延长设备绝缘寿命有其参照意义。

关键词:在线监测;诊断;高压电气设备

1.引言

高压电气设备在电网中具有举足轻重的地位 ,如果其绝缘部分缺陷或劣化 ,将会发生影响设备和电网安全运行的绝缘故障或事故。因此 ,在设备投运后 ,传统的做法是定期停电进行预防性试验和检修 ,以便及时检测出设备内部的绝缘缺陷 ,以防止发生绝缘事故。但是 ,随着电网容量的增大 ,高压电气设备的急剧增加 ,传统的预防性试验和事后维修已不能满足电网高可靠性的要求。同时 ,由于高压电气设备的绝缘劣化是一个累积和发展的过程 ,在很多情况下预防性试验已无法发现潜在的缺陷。

2.高压电气设备的绝缘在线监测

2.1.1 发电机的绝缘在线监测

绝缘是发电机事故概率最高的部分。就目前国内情况来看 , 200MW 以上的发电机定子绕组的故障率高达 40 %, 其中电气方面占主要因素 , 国内外均把绝缘作为发电机在线监测的主要项目。现在广泛采用局部放电来监测发电机绝缘状况。在发电机中 , 楔形体松动、槽放电、绕组断股放电、端部电晕放电、绝缘过热和污染都能通过局部放电试验检测出来。由于抗干扰技术和检测技术的不同 , 也就有了不同形式的局部放电监测仪器 , 它们之间监测效果也有差异。目前 , 在发电机绝缘局部放电监测仪方面 , 西方的一些国家 , 如加拿大 RIS公司和ADWEL 公司的 PDA 产品、德国 LDIC 公司的 PD产品、瑞士PDTech公司的PDM产品较为成熟 , 不仅能监测局部放电幅值 , 还能检测出放电的相位、频率等参数 并有相应的波形显示,这些产品在世界很多大中型发电机上组运用。国内的部分大专院校、科研机构、电力试验研究院 (所) ,也相继开发了一些发电机绝缘局部放电监测产品,投运于一些发电机组 并取得了一定的运行经验。

2.1.2变压器的绝缘在线监测

目前,变压器绝缘在线监测主要监测其绝缘油中分解气体含量和的局部放电。一种监测变压器油中溶解气体分析 (DGA) 的装置 , 利用聚合物薄膜实现将特征气体 H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6 从油中分离 , 采用新型催化酶气体传感器检测气体含量 , 能判断变压器是否存在过热、放电等异常及故障类型。

2.1.3电容型高压电气设备的绝缘在线监测

对于电容型高压电气设备 (CT、CVT、OY、变压器套管) 主要监测其交流泄漏电流、等值电容、tgδ值。研究和大量试验充分证明 , 监测交流泄漏电流可以灵敏反映容性设备的整体受潮程度 ,监测检测介质损耗角正切值 (tgδ) 对早期局部缺陷反映灵敏。俄罗斯、乌克兰等国家对超高压 CT已不采用 10kV 下测量tgδ的离线测量方法。

2.1.4氧化锌避雷器的绝缘在线监测

氧化锌避雷器主要监测其阀片受潮及老化。从80 年代开始 , 日本的LCD - 4 型阻性电流测试仪和东北电力试验研究院研制的MOA - RCD 型阻性电流测试仪在电力系统广泛使用 , 这两种产品既能带电检测 , 又能在线检测运行电压下的阻性电流和其它参数。目前 , 一种能安装于避雷器接地引下线上测量运行电压下泄漏电流和记录避雷器动作次数的避雷器在线监测仪大量投入运行。

2.1.5GIS 的绝缘在线监测

GIS 的在线监测有机械、化学、电的检测方法。机械方法采用一个高灵敏性的压电加速传感器和超声波传感器 , 来检测在局部放电或在绝缘故障时产生的机械振动和弹性波 , 德国LDA - 5/ S超声探测器能有效地检测 GIS内的危险局放源。化学方法采用 SF6 分解产物的气体分析 , 来检测局部放电和局部过热。

3.高压电气设备在线绝缘监测系统的软件研究

3.1 开发软件的选用

对电力设备的介质损耗、泄漏电流、等值电容、运行电压等参数实施不间断的在线监测 ,其数据量是非常庞大的。以半小时采集50 条数据计算 ,一个月的数据累计就达36000 条。程序设计语言选用 C++Builder3 ,它是Borland公司推出的程序开发软件 。利用它开发的应用程序具有较强的数据库功能。在一个由10000 条纪录组成的数据库中寻找一条纪录 ,仅需几秒种。

3.2 主控程序结构

主控程序主要包括数据查询、自动分析、远程通讯、系统管理、帮助五大程序模块。

1) 数据查询该模块包含设备选择、查询时间选择和检则参数选择三项。可对避雷器的 A、B、C 三项的泄漏电流、运行电压和主变套管、耦合电容器、电流互感器的A、B、C、O 四相的介质损耗、泄漏电流、运行电压、等值电容等参数的任意时间段内的数据进行实时分析。并可根据分析数据画出相应图像 ,监测者可根据图像准确地分析出设备的运行情况。当监测设备的数据超过警戒值时 ,程序会自动启动报警装置 ,提醒值班人员对事故进行及时处理。

2) 自动分析系统对每一种设备的A、B、C、O四相的所有参数数据进行自动分析 ,并列“数据自动分析系统”表中。

3) 远程通讯远程通信是由调制解调器(MODEM)联接到电话公共交换网络或企业局域网(INTRANET)上来完成计算机之间的远程数据传输的。使技术人员不必亲临现场就可在管理部门的计算机系统中根据最新数据对变电站设备的运行情况作出分析 ,并可远程遥控监测程序的执行方式。

4) 系统管理系统管理模块包含设备管理和数据管理两部分。设备管理允许管理人员添加或删除监测设备 ,数据管理提供了删除和备份数据功能。

4.在线绝缘监测设备要点分析

高压电气绝缘在线监测系统主要选择了氧化锌避雷器、套管、铁芯、电容式电压互感器、电流互感器、变压器、高压开关和 GIS等主要被测设备 ,其中避雷器主要测量泄漏全电流及其容性和阻性分量变压器套管、电容式电压互感器、电流互感器测量其泄漏电流和介质损耗相对变化量 ,铁心检测泄漏电流 ,同时监测和记录现场温度、湿度及瓷裙表面污秽电流等环境参数。

4.1.1 避雷器

目前变电站使用的氧化锌避雷器绝大部分不再有串联间隙。MOA 运行期间总有一定的泄漏电流通过阀片 ,加速阀片老化;而受潮和老化是MOA 阀片劣化的主要原因。正常情况下泄露电流中容性电流占主要成分 ,阻性电流约为10 %220 %左右。阻性分量主要包括:瓷套内、外表面的沿面泄漏 ,阀片沿面泄漏及其本身的非线性电阻分量和绝缘支撑件的泄漏等。当避雷器出现故障时 ,阻性电流逐步增大而成为全电流中的主要成分 ,全电流也会增大。避雷器绝缘事故主要原因是阻性电流增大后 ,损耗增加 ,引起热击穿。因此 ,只要对运行中避雷器的全电流或阻性电流进行监测 ,并将所得数据与出厂及历史数据相比较 ,即可发现避雷器的绝缘缺陷。检测MOA泄漏全电流和阻性电流能有效地反应MOA 的绝缘状况。所以测量交流泄漏电流及其有功分量是现场检测避雷器的主要方法 ,预防性试验规程也将氧化锌避雷器(MOA)“运行中泄漏电流”的测量列入预试项目。

4.1.2CVT、耦合电容器、电流互感器、套管等容性设备

现在 ,测量 CVT、耦合电容器、电流互感器、套管等容性设备的在线监测技术已日渐成熟 ,也取得了很多的应用效果。主要测试项目有:介质损耗、泄露电流、电容量、三相不平衡电流等。对于高压容性设备来说 ,介质损失角正切值是一项灵敏度很高的试验项目 ,它可以发现电气设备绝缘整体受潮、绝缘劣化以及局部缺陷。绝缘受潮缺陷占用电容型设备缺陷的8514 %,这是由于电容型结构是通过电容分布强制均压的 ,其绝缘利用系数较高 ,一旦绝缘受潮往往会引起绝缘介质损耗增加 ,导致击穿。对于具有电容式绝缘的设备 ,通过其介电特性的检测可以发现尚处于比较早期发展阶段的缺陷。

4.1.3 变压器

变压器的绝缘状态通常用以下几个电气特征量来表示:油中溶解气体、局部放电量及放电位置、介质损耗值、泄露电流和设备电容值等。在线氢气浓度和在线局部放电量可分别用来评估变压器的即时绝缘状态 ,在线局部放电定位信息为放电点的三维坐标 ,对故障元件的确定起着十分重要的作用。变压器油中气体浓度需要检测浓度的气体包括 H2 、CH4 、C2 H4 、C2 H2 、C2 H6 、CO、CO2 等七种气体。根据这些气体浓度 ,可评估变压器的绝缘状态。当状态处于“有问题”阶段 ,就应跟踪气体的产气率 ,以此确定变压器内部出现故障。若变压器出现故障 ,还可用这些气体浓度来判断故障性质。为了更准确地判断故障类型及故障元件 ,应将气相色谱法与电气试验结合起来 ,共同诊断所产生的故障。

4. 4 高压开关柜

高压开关设备内部绝缘部分的缺陷或劣化、导电连接部分的接触不良等 ,使得其在事故潜伏期绝缘都可能产生放电现象 ,故可以通过对放电的监测得到相关绝缘状况。通常采用的绝缘监测方法有交流泄露电流在线监测和介质损耗角正切在线监测方法 ,文献6 使用射频法对开关柜内的绝缘和接触不良的在线监测技术进行了探索。利用上述监测方法可以较方便地获取高压开关柜的有关绝缘信号的波形。由于高压开关柜内电磁环境较为恶劣 ,某些信号的波形往往含有很多因干扰而产生的“毛刺”,这对从波形中提取有用信息十分不利。由于“毛刺”主要由高频成分组成 ,故信号经过低通滤波后“毛刺”便被大大削弱了。但由于波形中可能存在有用的高频成分 ,低通滤波会将这部分高频成分也不加区别地除去 ,使波形发生失真。基于小波变换的高压开关柜监测信号消噪方法可以用于选择性地去除信号中的“毛刺”。

5 .结束语

高压电气设备绝缘状况直接影响电网安全可靠运行。基于信息融合技术和嵌入, 技术组成internet的在线监测, 可以进行数据和图文传输及远程诊断有利于实现电气设备状态的综合管理,及时的发现故障隐患 ,避免发生事故 ,具有巨大的经济和社会效益。高压电气设备长期处于高度负荷的运行中 ,受外界多种因素的影响 ,目前绝缘老化规律和故障机理还有待继续深入和完善。