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在线监测系统在龙滩水电站的应用剖析
摘要：在线监测系统对于大容量电气设备的绝缘监测具有积极的意义。该系统有助于大容量设备在运行过程中及时发现绝缘劣化等缺陷，并对该过程进行监测，提供分析依据。监测分析结果与现有的预防性试验结果分析相结合，推动设备运行维护方式向更优越的方向转变。本文通过介绍在线监测系统在龙滩水电站的应用情况，说明了在线监测系统中有别于传统监测方法的原理及解决办法，并通过实际运行维护经验的介绍，希望可为同类设备的运行提供借鉴经验。
关键词：水电站，主变压器，在线监测，多组态
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.
0 引言
定期对高压电气设备进行绝缘试验可以发现设备的绝缘缺陷。电力生产现场实际采用的监测方法一般为预防性试验这种离线监测的方式进行。预防性试验广泛使用为设备的成功投运发挥了积极的作用，但这种监测方式也有一定的局限性，主要表现为：需停电试验，大部分涉网电气设备在国民经济发展中发挥着重要的作用，不能轻易停止运行；按规定周期试验，不能连续进行监视，设备绝缘可能在试验间隔期发生故障；设备停电后状态与运行实际情况不同，且由于试验设备的局限性，影响对设备实际情况的综合诊断。例如针对高电压、大容量的设备在预防性试验的电容型套管介损与电容量监测中，按现行规程所加的电压一般要求为10kV，但在实际试验过程中由于试验设备的容量或电源容量不足等原因会导致试验实际所加电压更低，以致即使在工作电压下绝缘所含缺陷已经发生击穿现象，而仍能通过低电压试验。因此，离线监测对设备在运行电压下的绝缘情况难以真实反映。在线监测是在设备运行的状态下进行监测，可避免上述离线监测的缺点，设备在运行中实时提供监测数据，为设备运行状态的多元化分析提供依据，并且有利于推进电气设备由离线试验这种计划性检修转向根据设备运行监测和诊断情况来综合判断而进行的状态检修，从而提高设备在电力生产中的经济效益。
1 设备概况
龙滩水电站位于红水河上游的广西天峨县境内, 目前在役总装机容量490万千瓦。电站按“无人值班、少人值守”原则设计，在系统中担任调峰、调频和事故备用任务。电站共装有7台500kV电压等级的三相双圈强迫油循环水冷无载调压组合式升压变压器，额定容量均为780MVA。绝缘油采用新疆克拉玛依生产的DB25环烷基石油。变压器高压侧采用ABB公司生产的RTKJ系列合成树脂浸渍纸绝缘油-SF6套管与500kV SF6管线连接，低压侧采用ABB公司生产的 RTXF系列合成树脂浸渍纸绝缘油-空气纯瓷套管与18kV离相封闭母线相连接。变压器铁心及夹件接地套管分相设置，引出后分别在箱体外壳接地。本文主要以在线监测系统在主变压器的应用进行探究分析。
2 在线监测系统功能结构及数据分析
龙滩水电站在线监测系统采用一套综合在线监测系统。该系统采用分层分布式系统结构，可集成水电站内多项设备的状态监测单元，实时的多通道采集设备运行数据，提供对变电站内设备状态进行分析与诊断的综合数据。且在基于综合数据的比对情况下，能提供不同的分析方法发现并佐证设备的故障类型及状态。该系统具有良好的兼容性和稳定性，后台数据库采用SQL Sqlserver2005数据库，支持标准通讯协议IEC61850，使系统的配置方案更开放，有利于灵活的扩展系统规模，有利于选配不同类型的设备组成规模化的系统，有利于与其它系统或数据平台集成。
在线监测系统结构图
2.1油色谱监测单元
该单元按绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法进行测定。其应用动态顶空吹扫-捕集脱气技术和高灵敏度微桥式检测器，实现对判断充油电气设备内部故障有价值气体：即氢气（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）的监测。
系统工作开始前，主机首先开机自检，待整机稳定后，采集绝缘油进入脱气装置，油中各组分随载气经反复多次萃取，被收集到捕集器中进行浓缩，然后被迅速吹扫到色谱柱中，脱出的样品气体经色谱柱分离，依次进入双臂结构式的高灵敏度固态微桥式检测器，经检测器把样品浓度信息转化成电信号。电信号经24位A/D转换芯片转换为数字信号，主机就地采集单元输出数字信号经RS485转换器隔离放大后传输到后台监控工作站，监控工作站统计所有数据，并通过三比值法、产气速率计算、立体图示法、大卫三角形法、谱图等智能诊断手段进行综合分析。
与手动取油样化验方式相比，油色谱在线监测最大的优势在于所取油样在油气分离后，能经油管路真空循环回主变内部，减少了手动方式对绝缘油的损耗，使油雾等油处理工作量大幅度降低，同时有利于缩短油色谱分析周期，弥补实验室分析监测周期长的不足。
2.2铁芯、夹件接地监测单元
该单元采用含信号调理单元的零磁通电流传感器串联安装在铁芯、夹件接地线上。传统传感器由于存在温度漂移、抗干扰能力差等缺陷，在实际应用中会导致测试值与实际值之间存在较大误差。零磁通电流传感器有助于减小上述影响，满足测试过程中mA级电流信号的采集。
其主要运用的零磁通电流传感器原理如下图，在回路中的磁势平衡方程为：
电流传感器零磁通原理图
产生的激磁磁通在两端产生感应电势，并加到动态监测电源D的输入端，通过有源网络G产生二次电流1提供给二次绕组，所产生的磁通对铁芯去磁，使铁芯达到磁势平衡。因此，在理想状态下传感器的二次绕组电流全部由有源网络G供给，而不从感应电势取电流。D高速动态监测两端电势差，当电势差足够小时，铁芯中的磁通近似为零磁通。若检测值偏离允许值，G则自动高速调整，使铁芯始终保持在逼近零磁通状态，以保证传感器的精度。
现场应用中，由于磁场、噪声等因素的干扰，传感器还会获得其它高频分量，因此在传感器内还集成了一套信号调理单元，以对信号进行放大和滤波预处理。如图：
信号预处理电路图
放大电路由两级构成，第一级是由运算放大器构成的固定增益同向放大器。同向放大器具有高阻抗特点，当传感器中出现过电压时，同向放大器可限制其输入电压最大值，在回路中起到一定的安全隔离作用。第二级放大器采用程控增益放大器，通过I/O口控制其增益，可根据现场实际情况控制其增益倍数。
2.3电容型套管监测单元
电容型套管主要是监测其末屏电流、在线电容、介损。该监测方法有别于传统的西林电桥测量法，主要采用数字积分法。电压采样单元分别取主变压器高低压侧的PT的二次电压信号。电流采样单元是将电容型套管末屏接地点引出接地，利用穿心式电流传感器取样套管末屏的泄漏电流。该电流传感器原理类似铁芯、夹件接地监测单元传感器，并增加屏蔽层，可有效降低相位的绝对误差和温度变化引起的相位漂移。采集的电压电流波形根据傅里叶分析法进行数字运算，以求得tanδ值。其运算方法主要如下。
在电路中，当一个周期性函数满足狄里赫利条件时，它可以展开成三角式的傅里叶级数：
其中 为基波角频。若只取基波即 时，其幅值:
利用在电路原理中均已证明的系数：
利用采集的电压信号和电流信号 ，通过上述三式可求得各自的电流及电压基波幅值 ， 和基波相位 和 。即可求得介质损失角正切：
电容为：
上述计算表明：通过电压电流信号基波分量幅值可计算出设备的电容量，通过两信号相位和电压信号差分量可以计算电容设备的泄漏电流和主回路电压的相位差，进而求得介损。
2.4接入多组态数据平台
设备的运行状态判断是基于大量的运行、维护数据进行的。龙滩水电站依托计算及监控系统及定期维护工作等，开发了一套多组态数据平台。该平台能通过大量模拟量、开关量信号，采用数据挖掘技术，设计并利用数据模型、数据运算模型、报表和图表模型、模型组态工具，通过不同手段对设备状态进行实时监测及定性、定量分析。
在线监测系统接入多组态数据平台是依据被检测设备功能，主要分为油色谱检测分析、铁芯夹件接地检测分析、套管检测分析三大块。设计初期即考虑该表格要区别于数据记录的功能，主要挖掘计算机监控系统及在线检测系统的相关信息量来对设备进行全面分析。该平台在数据大量发掘的的情况下，根据被检测设备功能，利用在线检测系统监测成果和计算机监控系统实时监控数据形成散点分析图、偏差分析、趋势分析、相关量分析、特征综合分析等不同的分析表格。并且可在同一表格内，可实现对被监测设备历史监测数据进行比较、与设备不同相别间进行比较、与同型号设备进行比较。形成对设备的全面监测分析。
3系统运行情况分析
龙滩水电站在线监测系统自安装运行以来，为设备绝缘分析提供了良好的依据，但在此中也存在一些不足之处。
a）在进行4号主变油色谱在线监测数据比对中发现：手动取油样测得油中有轻微乙炔含量，但在线监测系统油色谱监测单元所测得值为0。虽然手动取油样所测值并未达到GB/T 7252规程规定的乙炔注意值1 uL/L，但由于油绝缘是在设备运行过程中逐步劣化的。在电压等级为330kV以上的设备应用中，乙炔含量的发展情况对设备内部绝缘变化的分析有重要作用。在线监测系统能在短周期内对油样进行化验，若在乙炔含量较低时，油色谱监测单元不能反映乙炔含量的增长，将不利于设备绝缘的分析。经比较发现该系统采用的固态微桥式检测器有别于手动取油样化验设备采用的TCD热导检测器和FID氢离子火焰检测器。目前已知的FID氢离子火焰检测器的最小检测精度已达到0.1uL/L，而在线监测系统采用的固态微桥式检测器检测精度约为0.5～0.7 uL/L。固态微桥式检测器技术的精度有待进一步提高。
b）电力系统的频率是在一定范围内变动的，在电容型套管监测单元中电流、电压实现同步采样是比较困难的。同步采样是指被采样信号真正周期等于等间隔采样周期的整倍数。不能实现同步采样就会产生非同步采样差。且由于设备安装原因，易使被测数据发生一定的偏移，妨碍数据分析的可靠性。
c)在线监测技术目前在不断发展，设备软、硬件更新较快，该系统也是首次在龙滩水电站应用。由于设备软、硬件的运行的不稳定性，导致前期调试、维护工作量较大。应在后期发展中有所改进。
d)目前监控工作站的分析，主要是根据采集数据及电气设备相关参量，结合规程规定的方法进行分析。但在实际应用中，其它因素也可能对设备运行造成影响，如环境因素中的温度、湿度、电磁场等要素也具有一定的分析意义。
4 结论
a）在线监测系统的应用有助于提高电力系统绝缘监督的自动化水平，在目前的应用中，结合定期离线监测试验的结果，可以为大容量设备技术监督工作提供可靠依据。
b）监控工作站以其自动诊断功能为依托，实现对设备绝缘信息的可控、在控、多元化、信息化的综合管理分析，对设备绝缘状态实施动态跟踪，以提高电气设备绝缘劣化缺陷在初期发展时的诊断能力。
c）多组态数据平台的引入，可以与在线检测数据平台形成互补。为设备运行情况分析提供可靠依据。
d）在目前科技发展的背景下，在线监测系统的各单元模块有很大的发展空间。
f）在现有监测系统运行稳定的情况下，可考虑引入具备其它功能的监测单元，如变压器局部放电监测、氧化锌避雷器带电监测等，以加强对设备的监督和管理。
h）在线监测系统的成功应用，以及与多组态数据平台的整合，有利于推动电气设备由计划性检修向状态检修的转变，从而提高设备管理水平。
参考文献
北京：清华大学出版社， 杨保初.刘晓波.戴玉松编著.高电压技术 |
