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高壓電氣設備絕緣在線監測技術的意義

2021/01/26 << 返回列表

[摘 要] 文章介紹了高壓電氣設備絕緣在線監測技術的發展,并對絕緣在線監測技術所監測的量進行了一定的介紹,針對不同類型的設備還作了相應絕緣在線監測的分析。通過開展高壓電氣設備的絕緣在線監測工作將高壓電氣設備狀態檢修開展得更好。最后在文章末尾還對在線監測技術開展中所遇到了問題進行了一定的討論,需要在今后的實際工作中進行解決。

1 前言

電力系統的供電可靠性關系到國計民生,如何有效地保障電力系統的安全、可靠運行一直是電力部門的一個重要課題,而高壓設備的安全運行是整個系統安全運行的基礎。高壓電氣設備在電網中運行時,如果其內部存在因制造不良、老化以及外力破壞造成的絕緣缺陷,會發生影響設備和電網安全運行的絕緣事故。因此,在設備投運后,傳統的做法是定期停電進行預防性試驗和檢修,以便及時檢測出設備內部的絕緣缺陷,防止發生絕緣事故。隨著國民經濟的發展,社會對電力供應的可靠性要求越來越高,電力系統也逐漸發展壯大,傳統的定期停電進行預防性試驗的做法已不能滿足電網高可靠性的要求。

隨著高壓電氣設備絕緣可靠性的提高,以及電網可靠性的要求,科學技術的發展,逐漸提出了對高壓電氣設備采用狀態檢修的檢修方式,得到業內人士的歡迎,但由于初期人們對狀態檢修的認識不夠全面,誤以在線監測作為狀態檢修的唯一基礎,使得狀態檢修并未能真正開展起來,近幾年傳感器技術和信號處理技術的不斷完善,使得在線監測技術在各個供電系統中得到了廣泛的應用,為狀態檢修工作起到了有力的補充作用。

我局所轄變電站較多,電壓等級從10kV到500kV均覆蓋,高壓電氣設備的數量很多,要按照常規的停電預防性試驗來檢查高壓電氣設備的絕緣情況基本上不能在規定的時間內將所有管轄設備的絕緣狀況通過預防性試驗方法來進行檢查,而且有可能發生在兩個試驗周期間隔內發生電氣設備絕緣老化而危及電網穩定運行的情況。所以在線監測技術的開展顯得非常重要,現階段我局針對部分斷路器、電容型電力設備、避雷器等設備開展了在線監測的試運行。

2 高壓電氣設備絕緣在線監測技術研究的發展概況

國外許多電力公司從上個世紀70年代就開始研究并推廣應用變電設備在線監測技術,主要目的就是減少停電預防性試驗的時間和次數,提高供電可靠性。但當時的設備簡陋,測試手段簡單,水平較低。隨著計算機技術的飛速發展,在線監測設備產品不斷更新完善,在線監測技術水平不斷提高。到目前為止,許多國家已廣泛使用在線監測技術手段。絕緣在線監測技術的發展大體經歷了3個階段。

(1)帶電測試階段。這一階段起始于70年代左右。當時人們僅僅是為了不停電而對電氣設備的某些絕緣參數(如泄露電流)進行直接測量。設備簡單,測試項目少,靈敏度較差。

(2)從80年代開始,出現各種專用的帶電測試儀器,使在線監測技術從傳統的模擬量測試走向數字化測量,擺脫將儀器直接接入測試回路的傳統測量模式,取而代之的是使用傳感器將被測量的參數直接轉換成電器信號。

(3)從90年代開始,隨著計算機技術的推廣使用,出現以計算機處理技術為核心的微機多功能絕緣在線監測系統。利用計算機技術、傳感技術和數字波形采集與處理技術,實現更多的絕緣參數在線監測。這種在線監測信息量大、處理速度快,可以對監測參數實時顯示、儲存、打印、遠傳和越線報警,實現了絕緣在線監測的自動化,代表了當今絕緣在線監測的發展方向。到目前為止,大量的在線監測的技術已經在電力系統設備缺陷檢測中得到廣泛應用,并有了一定的經驗。如變壓器油在線色譜分析、電氣設備的紅外測溫技術等已經非常成熟,并在檢測設備的絕緣性能中發揮了重要的作。

在國內,在線監測技術的開發與應用始于上世紀80年代。由于受當時整體技術水平的限制,如電子元件的可靠性不高,計算機應用剛剛起步,當時的在線監測技術水平較低。到2000年后,隨著在線監測技術的不斷成熟及客觀的需要,在線監測技術又開始重新被大家所重視,目前,在國內很多地區的供電企業都開展了這項工作。

3 基本原理

3.1檢測對象及參數

高壓電氣設備絕緣在線監測技術是在電氣設備處于運行狀態中,利用其工作電壓來監測絕緣的各種特征參數。因此,能真實的反映電氣設備絕緣的運行工況,從而對絕緣狀況作出比較準確的判斷。在線監測技術可以根據變電站中不同電氣設備進行監測,檢測其介質損耗值、電容量、泄漏電流、絕緣電阻、母線電壓和三相不平衡信號等電氣參數。隨著在線監測技術的不斷發展其監測的電氣量也不斷增加,我們可以根據需要檢測所需的電氣量。

3.2在線監測的一般功能

近幾年研制的高電壓設備絕緣在線監測系統既能對帶電設備的絕緣特性參數實時測量,又能對獲取數據進行分析處理。一般具有以下功能

a測量避雷器在運行中的容性電流和阻性電流變化情況,掌握其內部絕緣受潮以及閥片老化情況。

b測量CVT、耦合電容器、電流互感器、套管等容性設備的泄漏電流和介質損耗,掌握其內部受潮和絕緣老化及損壞缺陷。

c測量充油設備絕緣油的內部可燃性氣體變化情況,掌握設備內部有無過熱、放電等缺陷情況。

d檢測阻抗穩定,不受變電站強電磁干擾的影響,在系統操作過電壓、雷電過電壓作用下具有自保護性,不發生性能變化和軟件損壞現象。

e檢測信號傳輸好,不發生失真和對其附近的其他信號有影響,同時也不受其他信號的干擾。

f具有專家分析功能,智能化判斷設備內部絕緣狀態。 g系統分析數據能夠遠程傳輸,實現數據共享。

4 監測設備要點分析

4.1避雷器

目前變電站使用的氧化鋅避雷器絕大部分不再有串聯間隙,MOA運行期間總有一定的泄漏電流通過閥片,加速閥片老化;而受潮和老化是MOA閥片劣化的主要原因。檢測MOA泄漏全電流和阻性電流能有效地反應MOA的絕緣狀況,在電流測量反映整體嚴重受潮現象,早期老化時阻性電流增加較多,全電流變化則不明顯。

在正常運行情況下,流過避雷器的主要電流為容性電流,阻性電流只占有很小的一部分,約為10%-20%左右。阻性分量主要包括:瓷套內、外表面的沿面泄漏,閥片沿面泄漏及其本身的非線性電阻分量,絕緣支撐件的泄漏等。當閥片老化、避雷器受潮、內部絕緣部件受損以及表面嚴重污穢時,容性電流變化不多,而阻性電流卻大大增加。避雷器事故主要原因是阻性電流增大后,損耗增加,引起熱擊穿。所以測量交流泄漏電流及其有功分量是現場檢測避雷器的主要方法,預防性試驗規程也將氧化鋅避雷器(MOA)"運行中泄漏電流"的測量列入預試項目。

4.2CVT、耦合電容器、電流互感器、套管等容性設備

測量CVT、耦合電容器、電流互感器、套管等容性設備介質損失角正切值是一項靈敏度很高的試驗項目,它可以發現電氣設備絕緣整體受潮、絕緣劣化以及局部缺陷。絕緣受潮缺陷占用電容型設備缺陷的85.4%,這是由于電容型結構是通過電容分布強制均壓的,其絕緣利用系數較高,一旦絕緣受潮往往會引起絕緣介質損耗增加,導致擊穿。絕緣最終擊穿的發展速度非???,然而絕緣劣化一般具有以下一些基本特征:

a 絕緣介質損耗值會增加,由此以及其他原因產生的熱量最終可能導致絕緣的熱擊穿。測量絕緣損失角正切值(tg&delta;)可以檢測介質損耗的變化。

b 絕緣中可能伴隨有局部放電和樹枝狀電的發生。放電量很大的局放通常只是在有雷電或者操作過電壓存在以及絕緣損壞的過程中才出現,通過tg&delta;測量可以反映由此產生的介質損耗。

c 絕緣特性受溫度變化的影響增大。絕緣溫度系數決定于絕緣本身的型式,大小和絕緣狀況,對于特定的電壓等級和絕緣設計,由于絕緣劣化導致溫度系數的增加,tg&delta;值的溫度非線性和靈敏度都會增加。因而,影響絕緣溫度的所有因數(介質損耗、環境溫度、負載變化等)對于老化的絕緣tg&delta;值的影響都更加顯著。對于具有電容式絕緣的設備,通過其介電特性的檢測可以發現尚處于比較早期發展階段的缺陷。

研究表明,在缺陷發展的起始階段,測量電流增加率和測量介質損耗正切值變化所得的結果一致,都具有很高的靈敏度;在缺陷發展的后期階段,測量電流增加現象和電容變化的情況一致,更容易發現缺陷的發展情況。


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4.3斷路器設備

針對真空斷路器、少油斷路器、SF6斷路器的在線監測比較特殊的是其電壽命監測部分與機械狀態監測部分,斷路器觸頭的電壽命以及其傳動機構和儲能機構的機械壽命是電氣設備中兩種比較特殊的參數,其觸頭、傳動機構和儲能機構的優良直接影響到斷路器設備的性能及其電網穩定,一旦出現損壞或老化將造成斷路器不能正常分(合)或斷路器合閘觸頭發熱高溫產生爆炸等危險。針對兩種參數一般采用監測開斷次數配合計算公式推倒出其優良情況。

a 電壽命監測;對電壽命監測是建立雜觸頭累計磨損量模型基礎上的。根據I—N曲線擬和的計算公式,按單次開斷電流累計觸頭磨損量。

b 機械狀態的監測;機械狀態的監測主要監測其傳動機構和儲能機構。

儲能機構監測的是儲能電機的日儲能次數,單次儲能時間的長短,通過對這兩個數據的采集和分析,可以說明儲能系統是否出現泄漏或儲能不夠等。傳動機構則是采用對合、分閘線圈電流波形,機械振動波形以及開關輔助接點波形的綜合判斷方法,具體如下:首先錄下斷路器正常狀態下的機械振動"指波紋",如果傳動機構出現裂紋、卡澀等問題,其震動頻率會發生改變。由于正常情況下分、合閘線圈電流波形與異常時有很大的差別,如波形畸變,得電持續時間長等,因此通過對以上波形綜合分析,就可以判斷開關是否有機械隱患。對于斷路器設備監測其電壽命和機械狀態可以及早發現平時通過預防性試驗所不能發現的缺陷,對斷路器的安全穩定運行起到了相應的補充作用。

5 在線監測與狀態檢修

電力系統傳統的運行維護工作,傳統的做法是實行"計劃檢修"。"計劃檢修"就是按照高壓電氣設備預防性試驗規程所規定的試驗周期,到期必對電氣設備進行停電檢修。而狀態檢修則是基于設備的實際工況,根據其在運行電壓下的絕緣特性參數的變化,通過分析比較來確定電氣設備是否需要檢修,以及需要檢修的項目和內容,具有及強的針對性和實時性。因此,可以說"狀態檢修"就是"應修既修,修必修好"。

5.1計劃檢修的特點:

(1)周期性。計劃檢修是按照預防性試驗規程所規定的試驗周期,到期必修,具有很強的周期性。優點是便于工作計劃的安排。缺點是它不管設備的實際狀況,具有很大的盲目性和強制性,易造成設備的"過度檢修",浪費了大量的人力物力,同時各種耐壓試驗又有可能對設備絕緣造成新的損傷,等等。

(2)短暫性。定期預防性試驗只能檢測某一時間設備的絕緣狀態,不能適時檢測設備的絕緣狀態,無法確定設備何時出現絕緣缺陷,無法檢測缺陷的發展狀況,特別是設備內部發展速度快、易造成重大絕緣事故的缺陷,更是無法檢測到。

(3)試驗電壓低。定期預防性試驗的試驗電壓一般低于設備運行電壓,所以定期預防性試驗無法準確地檢測出設備運行電壓下的缺陷。

(4)降低了電網的供電可靠性。由于計劃檢修的定期預防性試驗需要在設備停電下進行試驗檢測,增加了設備停電時間,必然影響電網的供電可靠性,同時供電部門也造成少供電量的損失。

5.2在線監測指導下狀態檢修的特點:

(1)實時性。高壓設備在線監測技術對設備絕緣狀態實時監測,不受設備運行情況和時間的限制,可以隨時檢測設備的絕緣狀態,一旦設備出現缺陷,能及時發現并跟蹤檢測、處理,對保證電網安全更具意義。 (2)真實性。由于在線監測技術在設備運行電壓和狀態下的絕緣參數進行檢測,檢測結果符合實際情況,更加真實和全面。

(3)針對性更強??筛鶕^緣缺陷的發展和變化來確定檢修項目、內容和時間,檢修目的明確,針對性更強。

(4)提高了設備供電可靠性。由于實行狀態檢修,減少了設備停電次數和時間,提高了設備供電可靠性,避免少供電損失,同時也提高了電力部門全員勞動生產率。

5.3在線監測技術指導下的狀態檢修與定期預防性試驗技術指導下計劃檢修的比較與發展:

隨著電力設備的大容量化、高電壓化、結構多樣化及密封化,對常規停電預防性試驗而言,傳統的簡易診斷方法已顯得不太適應,主要表現在:

1、隨著供電可靠需求不斷提高,定期將電氣設備停電進行預防性試驗變得越來越困難,特別是重要的變電站常常出現超期試驗的情況,這對保證電氣設備安全穩定的運行留下了一定的隱患;

2、南方電網下發的新規程和標準的實施將預防性試驗的周期做了很大的調整,延長了試驗周期,這對我們高壓預防性試驗提出了一個新的要求,是不是采用現有的試驗項目和方法可以保證在只一個周期內不發生故障;

3、現階段高電壓等級的電氣設備和新型的電氣設備在不斷的投入運行,然而我們所采用的預防性試驗方法是采用一個較低的電壓模擬高電壓下電氣設備的各種運行情況,達不到一個真實性,不能正確反映出電氣設備的優良情況;針對近年來投入廣泛應用的干式穿墻套管在試驗中所采集的數據基本上完全不能正確的反映其優良情況;另外由于近期對主變的試驗中將主變套管的油化驗試驗取消了,然而高壓試驗又只能在一個較長的試驗周期中對其進行試驗,對主變套管這種設備的有效檢測達不到一個必要的要求。高電壓設備絕緣在線監測技術的應用,是實現狀態檢修的有效手段之一。在線檢測是在運行電壓下對設備的絕緣狀態進行檢測,真實反應設備絕緣水平。

現階段部分供電系統均采用在線監測技術來作為常規停電預防性試驗的補充,取得了很好的成效,有效的將常規停電預防性試驗的周期進行了延長。在線監測技術通過自動連續檢測狀態下,依據大量的數據和曲線分析設備絕緣狀態的變化趨勢,從變化趨勢中尋找危險征兆,從多項檢測結果來綜合判斷運行設備狀況,其分析結果和數據可直接傳輸至上級主管部門,真正做到設備"該修則修,修必修好",避免不必要的人力,物力浪費。在線監測技術的應用有利于從"定期維修"制(計劃維修)過渡到 "狀態維修"制(預知維修)。利用絕緣在線監測技術實現狀態維修可以實現:

(1)有效避免周期性計劃檢修帶來的弊端,合理安排生產和檢修,做到該修必修,從而節約大量的設備維修資金和停電檢修時間,使現有的運行設備創造更大的安全和經濟效益。

(2)減少設備停電試驗和維修的盲目性,減少了設備因檢修而引發故障的可能性, 延長了設備運行壽命,使設備維護更加科學。

(3)大大減少停電時間和開關操作量,提高電力系統的供電可靠性、經濟性和安全性。

(4)持續、準確反映設備在運行電壓下的絕緣性能和健康水平,能夠及時發現設備運行中的發展性絕緣缺陷,防止突發性絕緣事故發生,有效提高設備運行水平和可靠性,降低設備事故率,顯著減少突發性事故。

(5)在定期維修朝狀態維修發展的進程中,絕緣在線監測技術可作為彌補定期預防性試驗不足的有效手段。將在線監測和預試結合起來,根據在線監測的結果合理安排預試,延長預試大修周期,是逐漸推行狀態維修的有效途徑。

現階段特別是針對電容型設備的在線監測技術得到了廣泛的應用,從技術手段上來說已經完全可以取代常規停電預防性試驗。狀態檢修的基礎是要實時掌握和了解設備在帶電工況下的絕緣參數,在線監測技術則是獲得設備在帶電工況下的絕緣參數的唯一途徑。通過在運行電壓下實時監測絕緣的各種狀態參量并對這些量的變化量進行分析比較,來確定是否對設備進行檢修。近幾年來高電壓設備的制造質量和水平有了很大提高,也為狀態檢修提供了更好條件,狀態檢修的優勢也更加明顯。

6 問題討論電氣設備絕緣在線監測技術的推廣應用,對電氣設備的安全運行起到了積極作用,供電部門積極推行狀態檢修,減輕了設備檢修工作量,提高了電網運行的可靠性。但是,由于技術的復雜性和電氣設備的多樣性,尚有一些問題值得研究和商鶴。

(1)傳感器的特性和質量是在線監測的關鍵。目前常用線圈式傳感器,易受溫度、壓力、沖擊等外界環境的影響,是影響測試精度和穩定性的重要因素。所以研制高精度、高穩定的傳感器仍是在線監測的一個研究課題。

(2)干擾問題。由于高壓電氣設備處在強電場環境中,使微量信號的采集難度增大。

(3)對設備制造廠家提出在線監測技術要求。目前的高壓電氣設備均未考慮在線監測問題,都是在線監測設備廠家針對運行站內設備情況進行設計并安裝。運行設備有的可以安裝和抽取信號,有的則不能。

(4)積累運行經驗,完善專家系統,制定監測標準。高壓電氣設備絕緣在線監測的絕緣參數往往與停電測試結果有一個"偏差",但這個"偏差"往往存在一定規律,只要積累數據,加以分析就不難發現,并可以此為依據對照預防性試驗標準設定報警值,當設備絕緣參數超越報警值時,系統自動報警。完善專家系統,建立數據庫,強化分析功能,制定監測標準仍是目前亟待解決的問題。

(5)積極推行狀態檢修。在積累運行經驗的基礎上,實施狀態檢修,提高電網可靠性,減少檢修工作量,又反過來推動在線監測技術的發展。

7 結論

高壓電氣設備絕緣在線監測技術能夠及時發現和檢測出設備內部絕緣狀態的變化,對設備絕緣故障及時處理,保證電網的安全運行。在線監測技術是供電單位實行狀態檢修的基礎和唯一技術手段。應當進一步推廣使用絕緣在線監測技術,積累運行經驗,積極推行電氣設備狀態檢修?,F階段無線通訊技術、計算機技術、傳感器技術的發展為高壓電氣設備絕緣在線監測技術的發展提供了有力的保證,為實施超高壓電力線路絕緣子等以前沒有研究與開展的在線監測技術提供了條件。我局也在此良機下大力開展在線監測技術,通過逐步試點到最后的推廣,最終達到全局變電站都能采用在線監測技術,解決定期停電預防性試驗的種種缺點,保證電網能在最好的狀態下安全、穩定的運行。

參考文獻:

1.《Q/CSG 1 0007—2004電力設備預防性試驗規程》 中國南方電網有限責任公司發布

2.嚴璋 《電氣絕緣在線監測技術》 北京電力出版社,1995年 3.關根志、賀景亮 《電氣設備的絕緣在線監測與狀態維護》 武漢水利電力大學 ,2002年


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