变电设备在线监测与故障诊断的技术分析

变电设备在线监测与故障诊断的技术分析

郭林锋

（陕西延长石油（集团）有限责任公司榆林炼油厂陕西榆林718500）

摘要：随着我国电力行业的快速发展，人们对电能传输与配送提出了更高要求。在电力输变中，变电设备是电能转化传输的关键设备，是国民经济和人民生活用电的重要设备。变电设备一旦故障，不仅导致自身的损坏，还会影响终端电力供应，造成严重的直接与间接损失。在线监测与故障诊断技术，综合运用了计算机信息技术、模式识别技术、多媒体技术、人工智能等技术，为实现对变电设备的智能化监测诊断，从根本上改革“定期维修”的维修体制，有效整合维修资源，提高维修效费比等方面，都具有良好作用。

关键词：变电设备；在线监测；故障诊断；技术应用

引言

随着不断进步的技术，近两年来我国的在线监测研究也发展飞快，很多的厂家已经推出了各种项目的在线监测，而且都投入了批量生产。但都存在着瑕疵，比如各个厂家的设备不够完善、各自为战;远程通讯方面欠缺，一般只能在当地进行简单监测，另外，由于各厂家之间的数据不兼容，如果想将监测项目合并起来进行系统项目监测尤为困难。因此，本文所提出项目的在线监测系统，就是要将不同的在线监测项目合并，各项目之间的数据达到一定的兼容性，可再统一将数据放入同一个数据库中，用同一个软件进行一些相关曲线图表和数据的浏览分析。

1变电站变电设备在线监测系统的原理与功能

变电站变电设备在线监测系统主要是对高压设备的状态信息进行采集，采集后再将可视化的内容向上一级系统发送，目的是在实现状态监测的前提下对设备进行综合优化管理，在全寿命周期内为智能电网提供基础的数据性支撑。变电站变电设备在线监测系统采取的是分层分布式结构，原理是以此将设备中的各在线监测点采集到的变电设备状态信号，通过总线路传输到监测现场，再到智能组件柜，最后通过多模光纤将信号直接传输到站内控制室的服务器上，在处理和计算后得出设备的状态。

变电站变电设备在线监测系统应用多种传感器，通过实时的监测功能获取设备的原始监测数据，对数据立刻进行处理与分析，最后选择出可靠的数据。最后对数据进行整理与汇集，做进一步的分析与存储，在后台分析的过程中能够及时和准确地对上级提交数据的基础内容，通过智能化的处理完成评价的工作。

2变电设备状态检修设备监测类别

2.1例行试验

其主要是对输变电设备进行试验，通过试验发现设备存在的缺陷及隐患，以此防止出现设备损坏及故障扩大现象。

2.2在线监测

在线监测就是利用传感器、计算机等技术对电力设备工况进行实时检测，通过对收集的信息进行分析，实现设备实时监测和诊断。

2.3带电检测

带电测试是不停电检查输变电设备缺陷的重要技术之一，目前应用中对电气设备进行测试的项目比较多，如SF6气体成分检测、超声波局部放电检测、油中溶解气体组分检测等。

2.4红外测温

当遇到难以检测的故障时，可以利用红外测温技术，其主要是利用红外辐射原理对电气设备中的稳定变化进行测试，我们知道当变电设备出现故障时，该部位的温度就上升，进而可以利用红外技术对其进行测量，如果某部位温度过高，就表明其存在故障。

3常用的在线监测技术

3.1局部放电在线监测方法

①常规脉冲电流法。脉冲电流法是通过测量电流传感器及阻抗以此来检测电力设备和部件内部信号引起的局部放电脉冲电流，进而实现可视放电量的效果。局部放电会伴随着电荷的移动而移动，而移动的电荷能在外围脉冲电流的作用下，通过实现脉冲电流的测量即可完成对局部放电的检测结果。脉冲电流法是技术最成熟、应用最为广泛的一种监测方法，它所使用的传感器为电流传感器或耦合电容，在选择测量脉冲电流频率地带时，一般选择在低频段为宜，测量值要保证在数kHz到百kHz的范围内，最多达到mHz范围值。常规脉冲电流法广泛应用于变压器局部放电试验、预防交接试验以及变压器型式试验等，其主要特点是测量灵敏度高，同时还能够获得局部放电的基本量（如：视在放电量、放电相位、放电次数）等。

②超声波检测法。超声波是由电力设备局部放电的检测数值以此来超声波信号测量局部放电的大小和位置。在实际应用的监测过程当中，超声波传感器主要是通过在电气设备外壳上利用体外监测的方式进行的。超声波法主要适用于局部放电在线监测监控频率带保持在20～230kHz之间。超声波检测法主要优点是：在监测变压器局部放电时能够轻松地实现在线监测以及空间定位方便快捷，在实际监测中，超声波法可以对模式进行系统识别和定量分析，进而能够实现准确地测量放电信息值。

③射频检测法。射频检测法是通过利用罗氏线圈传感器对发电机和变压器中的检测设备提取相应的信息信号，在高频率条件下，罗氏线圈传感器的贴耗量很小，因而适用于频率高的工作环境中，在实际测量中，大大地提高了测量效率和测量频率。同时罗氏线圈传感器具有体型小、安装便捷且能与系统运行相兼容等优势，因此此系统方法在发电机在线监测领域中应用广泛。但由于其只能检测出单一信号，在三相变压器的局部放电测量中无法应用。

3.2变压器的在线监测技术

（1）色谱分析监测技术，主要是将变压器自身的油经过循环管路进行循环，并进入到脱气的装置中，然后再经过脱气装置流入分析仪，对可燃气体等进行分析和打印，形成色谱图清楚得知可燃气体的含量值，再根据变压器自身油中的溶解气体的分析，能够准确的反映出变压器运行过程中内部是否存在故障，如果存在故障能够对确定相应的故障类型，例如，总烃含量过大的话，说明变压器存在过热性故障；如果乙炔含量过大的话，说明变压器存在放电性故障等。变压器油中的气体含量变化特征是发生故障的前兆，因此，对变压器运行的在线监测非常关键。通过在线色谱分析技术，能够对变压器油内气体的浓度、类型、气体产生的速度以及气体变化的趋势进行分析，准确的判断变压器的故障情况，对变电设备的安全运行起到关键的作用。

（2）铁芯多点接地监测技术。铁芯多点接地故障监测技术，主要是利用铁芯引出线引发接地电流，再对其进行取样测量，从而实现对接地故障的在线监测。铁芯多点接地监测在大型变压器的应用中，是通过外壳的小套管将其引出变压器外实施接地的，需要保证变压器的铁芯有一点接地，这样能够有效的消除铁芯产生的悬浮电位引发的对地放电的现象。如果变压器出现多点接地现象的话，极易造成铁芯硅钢片间短路，从而产生环流故障，因此，一般情况下铁芯接地仅是一点接地，而且，接地都是以毫安为单位的，一旦出现铁芯亮点接地故障的话，就会造成接地点的电流增大至数倍甚至数百倍的现象，会造成变压器油内总烃气体含量迅速增加，而相应的气体继电器就会发生动作，对供电的稳定性产生一定的影响，因此，为了避免变压器出现铁芯多点接地故障，应积极做好变压器铁芯接地电流故障监测，这样才能有效的避免或降低多点接地故障的发生。

（3）冷却器多点接地监测技术。冷却器是变电设备的重要组成部分，而且，在运行的过程中也经常发生故障，对设备的正常安全运行带来一定的影响，造成设备故障的原因主要出在风扇和泵的问题上。针对冷却器在运行状态下的监测，主要对风扇和泵的运行状态进行监测，可以通过对风扇和泵运行情况下的电流以及系统的温度测量，来实现对风扇和泵的在线监测。如果风扇叶和泵业轮在正常运行之下，旋转是正常的，如果是在非正常的状态下运行，设备的控制线圈也会出现异常的现象，一般情况下，造成冷却器泵轴的故障主要是金属粒子造成的，就当今技术而言，对冷却器的监测技术主要采用离线测量的方式，更高深的在线监测技术还在研究中。

3.3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。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。

3.4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AC220V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。

3.5断路器在线监测

目前断路器的在线监测主要在以下几种：

（1）机械状态

目前，断路器的机械状态在线监测主要有以下几个方面：

①操作运行特性的监测。随着科技的发展，现可记录开关的每一次分、合操作时的运行速度和时间，根据断路器行程时间特性，提取各种参数并加以分析，从监测中得出影响正常机械性能的原因。

②操作线圈电流的监测。分、合闸操作线圈是控制断路器动作的关键元件，应用霍尔元件电流传感器监测多种信息的分、合闸电流波形。分析每次操作监测到的波形变化，可以诊断出断路器机械故障的趋势。

③断路器触头磨损的监测。通过测量I2t的累积量来实现。电流取自电流互感器的二次侧，时间则由开关的辅助接点的动作时间决定。

④主操作杆上机械负载特性的监测。监测主操作杆上机械负载特性，可以提供开关刚分、刚合的时刻、触头接触压力，还可以反映连杆松动、断裂、卡死以及机械负载特性与机构输出特性之间的配合情况。

⑤振动信号的监测。机械振动包含着大量的设备状态信息。机座、外壳上的振动是内部多种受激的反应，这些受激包括机械操作、电动力或静电力作用、局部放电以及SF6气体中的微粒运动等。

通过适当的监测和信号处理可找到某些特定现象的状态信息，因此利用振动检测来诊断高压断路器机械系统状态已受到国内、外重视。

（2）绝缘在线监测技术，主要针对绝缘早期缺陷及发展过程的变化特征和极限故障参数的预报警及报警。根据绝缘参数变化的速度和趋势，提供对设备健康状态诊断的佐证。高压断路器的绝缘在线监测包括漏电流、局部放电、介质损耗等内容。

（3）对开关设备导电连接处进行温度监测，实现过热报警，是避免重大事故发生或控制故障恶化的有力手段。

①红外热像仪。在变电设备温度监测中，红外热像仪已被广泛的应用，对高压电气设备异发热的诊断十分有效。高压断路器可通过检测导电回路电阻是否正常，从而来判断开关触头是否良好。如果触头接触不良，其接触电阻要增加，热耗损功率必然增加，红外热像仪很容易就能测出。

②以电工功能材料为温度敏感元件的监测器。采用的电工功能材料是一种高分子PTC（正的电阻温度系数）热敏材料，其电阻率随温度成非线性变化。

3.6冷却器运行监测

冷却系统最频繁的故障模式就是泵和风扇的故障。连续在线分析泵和风扇的状况，以决定它们是否在设定的状态或关闭状态。这可以通过测量流过泵和风扇的电流及测量与其相关的控制冷却系统的温度来实现；也可以通过测量泵和风扇的电流和上层油温来实现。受当前客观条件局限只能采取离线测量。

4变电设备故障诊断技术及其应用

变电设备的维修观念随着现代维修理论的演变经历了事后检修和状态检修。事后检修，是在设备出现故障后采取的维修，维修故障的代价一般较大。状态维修，是在故障发展前通过加强维护管理，降低设备的故障率。在变电设备维修中，采取状态检修方式是以设备实际工作状态为依据，通过在线监测技术对故障的早期征兆进行判断诊断其故障，确定最佳维修时机，是耗费最低、技术最先进的维修制度。

4.1变电设备故障诊断技术

故障诊断技术的发展走了从测重故障分析诊断到研发应用故障诊断专家系统的过程，专家系统无法完全实现自动诊断，只能提供一定的判断依据。变电设备在线故障诊断技术主要包括变压器和开关两个方面。在变压器方面，应克服只考虑负荷、温度、材料的现状，在保证安全的前提下，准确评估变压器寿命，获取运行状态与历史信息。实践表明，变压器受经济原因限制远大于技术原因限制，采取数据挖掘等技术，加强变压器的寿命评估诊断，及早发现潜在问题后进行针对性维修可有效提高其使用寿命和运行经济性。欧美部分电业部门为评估变压器寿命，已开发出变压器排列等级技术。在开关方面，由于高压断路器兼具控制与保护作用，关系着设备安全运行和检修工作量，其使用寿命至关重要，具体有根据触头与喷口电学特性进行估算等方法。

4.2我国变电设备在线故障诊断技术应用分析

我国变电设备在线故障诊断技术的应用也取得了一定的成绩，并存在着一定问题。电力行业的在线故障诊断技术始于20世纪80年代的美国，90年代中期引入我国，2007年国家电网公司发布了《输变电设备状态检修导则》、《国家电网公司输变电设备状态检修试验规程》等一系列标准和规定，明确了故障诊断技术标准。规范合理的在线故障诊断应具备完整的诊断流程，达到近期目标与长期目标的统一，必须跟进相应的管理体制、技术手段和评估体系。但是，我国目前故障诊断技术的问题，一是理论研究还未深入，体系建设还不完善，技术和管理水平还无法完全满足要求，人员风险分析能力还有待提高。

5结语

总之，通过变电设备在线监测技术，实时反映变电设备运行工况，能及时发现设备可能发生的故障，对设备状态检修起到支撑作用。目前，在线监测技术及状态检修工作开展的时间还不算长，还需要不断探索和研究新的改进方法，从而提高变电设备的安全性和可靠性，保障变电设备的安全运行，减少安全事故的发生，提升电网企业供电效率。

参考文献

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