智能变电站变电设备在线监测系统研究

【摘 要】随着无人值守变电站和智能变电站的普及，自动化技术在变电站的大量应用，在线监测技术的普及势在必行。本文主要概述了智能变电站的在线监测技术，并分析了在线监测技术发展方向和意义。

【关键词】在线监测；监测技术；发展方向

1 变电站主要设备的在线监测

1.1变压器在线监测技术

电力变压器是变电站中最重要设备，准确了解变压器的运行状态是维护电力系统安全运行的关键。变压器的运行工况状态信息可通过巡视检查和定期试验项目获得。但是日常巡视和常规测量技术无法满足及时获取变压器状态信息的需要，在线监测技术的应用可实时掌握和跟踪变压器状态参量的变化。变压器在线监测技术主要是根据变压器的各种机械和电气特性，采用油色谱分析、局部放电、铁心接地电流在线分析和振动频谱在线监测等方法监测其运行状态。

图1 变压器在线监测

（1）变压器局部放电监测

绝缘故障是电力变压器的主要故障之一，发生绝缘故障的主要原因是绝缘薄弱处的局部放电。变压器油纸绝缘中如含有气隙，由于气体介质的介电常数小而击穿场强比油、纸都低，因而在外施交流高压下气隙都将是最薄弱环节。但刚放电时，一般放电量较小，如不超过几百皮库；当外施高压下油中也出现局部放电时，放电量可能有几千到几十万皮库。强烈的局部放电（如106pC以上），即使时间很短（几秒钟），就会引起纸层损坏。而持续时间较短强度不大的局部放电，并不会马上损伤纸层：但如果局部放电在工作电压下不断发展，会加速油质老化、气泡扩大、形成高分子量的蜡状物等，更促使局部放电的加剧。从变压器内部出现局部放电到绝缘击穿，有一个演变过程。对局部放电监测的阈值报警和视在放电量的历史数据的发展趋势分析，可以判断变压器内部的绝缘状况。阈值报警就是当高频信号的幅值和每周期脉冲个数达到设定的阈值，以及脉冲波形达到脉冲宽度和频度时，由局部放电监测装置自动发出的阈值报警信号。

图2 内置式局部放电传感器

根据变压器局放过程中产生的电脉冲、电磁辐射、超声波、光等现象， 相应出现了超声波检测法、光测法、电脉冲检测法和UHF超高频检测法等方法。

（2）铁芯接地电流在线监测

变压器铁心在通过变化磁场传输能量的过程中会感应出电流，当铁心要求接地时，这部分电流则会通过接地线流向大地被称为接地电流（含电容式耦合电流），变压器正常运行时因无电流回路形成，该电流是很小的，根据变压器结构的不同，铁心接地电流在几毫安至几十毫安。根据规程要求，变压器铁心接地电流应在100mA以下。

变压器正常运行时，带电绕组与油箱之间存在电场，而铁心处于该电场中。由于电容分布不均、场强各异，如果铁心不可靠接地，则将产生充放电现象，破坏固体绝缘和油的绝缘强度，所以铁心必须有且只有一点可靠接地。如果有两点或者两点以上同时接地，则铁心与大地之间将形成电流回路，产生环流，电流最大能达到几十安培。铁心多点接地造成的危害主要有：1）使铁心损耗增加，铁心局部过热，甚至烧坏；2）过热造成的温升，将使变压器油分解，产生的气体溶于油中，可能会引起绝缘油性能下降；油中气体不断增加并析出，可能导致气体继电器动作而使变压器跳闸。

图3 主变铁心接地电流传感器

目前判断变压器铁心是否存在多点接地主要有三种方法：钳形电流表定期监测铁心接地电流的电气法；测量铁心对地绝缘电阻法；监测变压器绝缘油特征气体的气相色谱分析法。以上方法存在的不足是不能及时发现铁心多点接地故障，对变压器铁心接地电流的实时在线监测是十分必要的。

（3）变压器振动频谱在线监测

电力变压器油箱表面的振动与使其振动的变压器绕组及铁心的压紧状况、位移及变形状态密切相关，故在线测量油箱表面振动可反映有载调压开关、绕组和铁心的机械性缺陷，也可对内部局放进行检测和定位。目前，美国、俄罗斯和加拿大等几个国家正在研究利用振动信号分析法在线监测变压器，且俄罗斯已进入现场试用，结果证实该法适于各类变压器，准确率高达80%～90%。其不足在于：未充分研究绕组振动特性，如测试位置对振动信号测量的影响及不同压紧状况下绕组振动信号的特征等。

振动监测常采用压电式加速度传感器，安装在变压器铁壳外，频率从几Hz到20kHz，最高80kHz。通常加速度传感器的灵敏度在10-1至102mV/（m/s2）数量级。

1.2 断路器在线监测

断路器在日常的电力系统工作中主要的作用就是开断电流、切除短路故障等，其工作的条件十分的恶劣，而以往的离线检测往往只能对器室、机构等完好性进行一些比较简单的检查，断路器在线监测内容包含绝缘气体（SF6 断路器）、开断电流波形、触头行程、分合线圈电流、局部放电、储能电机电流、GIS气室等。

图4 断路器在线监测装置

获取断路器开断电流的主要方式就是在电流互感器的二次电缆上加套穿心式电流互感器，通过这样的方式就能够获取断路器的开断电流；测量触头行程的主要办法就是在触头连杆上安装位移传感器；通过对储能电机电流的监测能分析出储能电机的状态和储能机构（液压机构）是否存在泄露；对分合闸线圈电流波形的监测，在机构误动时，可以区分是保护误动还是电磁干扰误动。通过对这些内容的有效检测，能够检测到断路器的运行状态，从而预判故障防患于未然。

1.3 避雷器的在线监测

避雷器是电网中保护电力设备免受过电压危害的重要电气设备，其运行的可靠性将直接影响电力系统的安全。常规变电站对避雷器的监测靠人工每日或每周巡视电流表来进行，无法及时发现故障，更难以发现可能产生故障的较大缺陷。近年来发生多次类似爆炸事故，不但带来了巨大的经济损失，还严重威胁到电网的安全运行。随着避雷器在线监测技术的应用，避雷器在线监测单元安装在变电站端的避雷器下方，可实现对避雷器的全电流、阻性电流、容性电流和雷击次数实时在线监测[1]。一方面可及早发现和排除故障，避免发生避雷器爆炸事故，保证变电站的安全可靠运行；另一方面，通过对避雷器泄漏电流及动作次数进行统计并实现数据远传分析，从而有效及时地检测避雷器内部缺陷，尤其是阀体受潮、内部元件老化等隐性缺陷。

1.4 容性设备的在线监测

电容性电力设备主要指套管、电流互感器、电压互感器、耦合电容器等，主要起功率补偿、整流滤波和过电压保护等作用。设备在长期的使用过程中，其绝缘性能会下降。通过监测容性设备主绝缘的末屏电流信号，经高精度有源零磁通传感器（CT）变换为Ux电压信号，与被测容性设备相近母线PT的二次电压信号经高精度有源零磁通传感器（CT）等变换为Un电压信号，在主机控制下，对两模拟电压信号及 220V AC工作电源Us进行同步采样及傅立叶变换处理，得到信号Ux、Un相对于Us的基波向量的相位夹角及末屏电流的幅值，通过主机读取并计算出电容型设备末屏电流Ix相对于母线电压Un的相位差及Ix幅值，从而获得被测容性设备主绝缘介质损耗tanδ和电容量Cx等参数。依此判断并预警设备故障[1]。

2 在线监测系统发展方向和意义

在线监测系统可充分利用计算机监控系统的数据，如监测断路器所需的开断电流、监测容性设备所需的系统电压等，可以直接从计算机监控系统获取，而无需重复采集，节约成本。另一方面，在线监测的数据也可提供给计算机监控系统使用，计算机监控系统所出的报表不仅仅是开关开合、保护动作之类，还可以包含设备的状态信息，将有力地提高变电站自动化水平，提高电力系统综合效益。

3 结语

总之，在线监测技术能够实时监测电气设备运行工况，对保证电网的安全运行具有十分重要的意义。推广使用和完善在线监测技术是以后一个时期电力发展发展的方向和趋势。

参考文献：

[1]宫长新.浅谈变电站在线监测的新技术应用[J].中国新技术新产品，2013（3）.

[2]金祖龙.变压器色谱在线监测系统及其关键技术[J].变压器，2009（6）.

[3]王东升.变压器局部放电在线监测技术[J].东北电力技术，2007（4）.