電力設備狀態監測技術的應用和思考

何君霞

（天津石油化工公司裝備研究院，天津 300271）

1 引言

裝備研究院多年來一直從事紅外熱成像技術在帶電設備運行狀態檢測與分析中應用的研究工作、電能質量檢測技術的研究工作，在電氣設備運行狀態監測、電網電能質量檢測與分析等方面積累了較豐富的經驗。2010年6月前，熱能技術研究室一直兼做部分電氣業務。隨著電力設備狀態監測技術的發展和裝置長周期運行對安全供電可靠性要求的不斷提高，電力設備狀態監測越來越重要，企業對電力設備狀態監測更多手段的需求越來越迫切。

為強化電氣儀表技術，公司于2010年6月在裝備研究院增設電儀技術研究室，明確電儀業務從熱能技術業務分離出來，專門負責電氣儀表設備管理的技術支持工作和技術開發工作，跟蹤技術發展動態，開展電力設備運行狀態監測分析等工作。

2 必要性

電力設備在運行中經受電的、熱的、機械的負荷作用，以及自然環境（氣溫、氣壓、濕度以及污穢等）的影響，長期工作會引起老化、疲勞、磨損，以致性能逐漸下降，可靠性逐漸降低。設備的絕緣材料在高電壓、高溫度的長期作用下，成分、結構發生變化，介質損耗增大，絕緣性能下降，最終導致絕緣性能的破壞；工作在大氣中的絕緣子還受環境污穢的影響，表面絕緣性能下降，從而引起沿表面放電故障。設備的導電材料在長期熱負荷作用下，會被氧化、腐蝕，使電阻、接觸電阻增大，或機械強度下降，逐漸喪失原有工作性能。這些變化（稱為劣化）的過程一般是緩慢的漸變的過程。隨著設備運行期增長，性能逐漸下降，可靠性逐漸下降，設備故障率逐漸增大，可能危及系統的安全運行，必須對這些設備的運行狀態進行監測。

電力設備狀態監測是對運行狀態下的電力設備直接進行的檢測。檢測既不影響系統正常的運行，又能直接反映運行中的設備狀態，比停止運行時進行的離線檢測更為有效、及時和可靠。

3 發展簡況

電力設備狀態監測的傳統方法是經常性的人工巡視與定期預防性檢修、試驗。設備在運行中由值班人員經常巡視，憑外觀現象、指示儀表等進行判斷，發現可能的異常，避免事故發生；此外，定期對設備實行停止運行的例行檢查，做預防性絕緣試驗和機械動作試驗，對結構缺陷及時做出處理等。這種經常巡視與定期檢修的制度對于電力設備的安全運行起了重要的保證作用。

隨著傳感技術與計算機技術的發展，電力設備的狀態監測方法向著自動化、智能化的方向發展，設備的定期檢修制度向著預警式檢修制度發展。電力設備狀態的監測涉及面廣，大量的非電參量（熱學、力學、化學參量等）需要各種相應的傳感器，傳感技術的發展為此提供了可能。隨著實用傳感元件的出現，裝備各種傳感器的具有狀態監測功能的新型電力設備是構成自動化的電力系統的基礎。微電子技術與計算機技術的發展，為傳感器信號的記錄、處理與判斷提供了有力的工具。

4 實踐

電儀技術研究室目前的主要監測設備：美國Flir公司 T330紅外熱像儀，美國 FLUKE公司 1650、434UNI電能質量分析儀，意大利 TECHIMP公司PDCheck在線局部放電監測系統，具備電氣儀表設備紅外成像分析、電能質量分析和電氣設備局部放電檢測分析等能力。

2010年四季度，電儀室完成紅外成像檢測 5223余臺（點）次，發現危急缺陷2處、嚴重缺陷2處、一般缺陷10處（疑似嚴重缺陷3處）、疑似缺陷2處；完成電能檢測回路110條，檢測過程中發現回路斷線及接線錯誤等4處；完成一個變電所的局部放電檢測，未發現問題。以上發現的問題已及時向作業部進行通報，能馬上停電處理的已消除缺陷；不能馬上停電處理的作業部已加強監測，擇機安排處理。

4.1 紅外成像應用案例簡介1

電力系統是電氣設備、導體、絕緣體的有序組合，系統的接頭成千上萬，如此眾多的接頭是系統故障的源頭。由于某些連接處的松動、接觸不良、受潮、氧化、生銹、材質變化等多種因素的作用，引起連接處接觸電阻增大，電流增加，那些薄弱環節就會產生過熱現象。而熱像儀正是利用物體溫度不同而成像的儀器，因此采用熱像儀來檢測電力設備、線路溫度變化情況是最有效的手段。

2010年12月9日，在對煉油部新110kV站電氣設備進行紅外成像檢測時發現，4#主變壓器110kV側 B相瓷瓶上部溫度異常升高，最高溫度19.1℃，正常相溫度為5.4℃，室外環境溫度4℃，經計算相對溫差為 90.7%，屬于嚴重缺陷（相對溫差在80%～95%為嚴重缺陷）。

經過紅外圖像分析，溫度較高點位于接線柱的下部，判斷為瓷瓶套管內部接觸不良所致。由于故障點發生在高壓設備內部，且不屬于日常巡檢檢查位置，所以故障不易被發現。當時生產裝置處于滿負荷運行狀態，設備負荷電流較大，當系統運行發生變化時，如果 4#主變帶煉油新區全部負荷運行時，就會使故障點溫度上升加劇，使接觸不良處氧化加劇，造成惡性循環，最終導致故障點處絕緣破壞，引起變壓器停運，新區供電中斷，造成大面積非計劃停車，從而對公司的經濟效益造成巨大影響。

另外，由于故障部位的特殊性，需要聯系變壓器廠家處理，準備檢修方案并做許多前期準備工作，處理時間較長，如不及時發現，等到變壓器故障時才發現處理，一方面會造成系統電源波動，影響裝置正常生產，另一方面會造成新區單變壓器運行時間較長。系統電源在冬季及春季存在的很多不穩定因素，極大地增加了裝置的運行風險。

處理建議：立即通知煉油部，馬上聯系變壓器廠家處理，處理之前要求做好日常重點監測，隨時掌握溫升變化，嚴格控制運行方式變化，控制負荷分配，避免故障部位加劇惡化。

圖1 煉油部110kV站4#變壓器B相

4.2 紅外成像應用案例簡介2

2010年12月21日，在對煉油部老區輕油變電所進行電氣設備紅外成像檢測時，發現輕油低壓間13#泵出線母排B相，最高溫度達到130℃，與正常相溫差達到 114.1℃，依據“DL/T664-2008帶電設備紅外診斷應用規范”確定為危急缺陷。

從紅外圖像分析，溫度最高點位于母排與出線電纜連接處，為連接螺栓松動所致。該部位處于開關柜底部，且受安裝導軌遮擋，不易被發現。由于該處溫度已達 130℃，存在重大安全隱患，設備隨時可能發生短路崩燒，造成事故。設備發生短路崩燒，一方面造成設備本身損壞，影響本回路供電，另一方面造成系統波動，影響煉油部油品儲運系統的正常運行。

處理建議：立即通知煉油部，馬上進行了停電處理，避免了一起電氣設備崩燒事故的發生，從而避免了由此引發的次生事故，以及造成裝置波動帶來的經濟損失。

圖2 煉油部輕油變電所13#泵B相

4.3 電能質量檢測應用簡介3

三相電力系統質量分析儀直接采集運行設備的三相電壓和電流，監測電壓、電流波形、頻率和功率數據及趨勢，可查找、預測、預防配電系統存在的問題，是三相電力系統維修或檢測必不可少的工具。

2010年12月8日，在煉油部重油變電所進行檢測時，發現重油 1#進線重 311的 A、B、C三相電流分別為900A、200A、200A；重油2#進線重312的A、B、C三相電流分別為1430A、240A、240A（因實際電流變比為檢測變比的10倍，故實際電流為圖3中檢測電流的10倍）。

圖3 重312電壓/電流/頻率

圖4 電壓、電流不平衡

分析：針對此異常現象，檢測人員對重油 2#進線的負荷情況進行了簡單統計，發現重油變電所運行的大負荷基本為電動機，負荷電流與B相和C相電流顯示基本相符。因此，從電流值上分析，兩段A相電流異常偏大，不屬于正常的負荷不平衡（圖4電流不平衡為111%），應該是電流互感器問題或系統接線錯誤。

處理建議：檢測人員立即通知電氣車間班組及車間技術人員，兩段A相電流異常偏大，需盡快查線，更正系統接線錯誤，避免事故發生。

此現象對于電氣運行來說，是個重大隱患。尤其是重油2#進線，當日A相電流顯示已達1430A，在此負荷基礎上，如果再有大電動機起動或電網波動，就極易造成繼電保護誤動，造成重油2#進線誤停，Ⅱ段負荷全部停電，油品儲運系統的生產波動，影響裝置正常生產。

4.4 電能質量檢測應用案例簡介4

安全環保部新建職防樓2#配電柜負荷不大，卻多次越級跳閘，電工懷疑電流諧波過大引起。電工采取臨時措施，由1#配電柜的配出為2#配電柜進行供電，結果從未出現跳閘現象。2011年1月5日，對 2#配電柜進行電能質量檢測。有功功率為16.44kW、視在功率為20.38kVA、無功功率為容性4.02kVAR、功率因數為0.81。總諧波電流畸變率為77.6%左右，3次、5次、7次、11次諧波電壓含有率分別為4.3%、61.8%、43.6%、14.2%左右，5次、7次諧波含量較高，電流畸變明顯。

圖5 功率和電能

圖6 電壓、電流、頻率

圖7 電流諧波

圖8 三相電流波形

根據記錄分析：2#配電柜負荷由1#配電柜配出供電，配出開關容量125A，1#、2#配電柜進線開關容量400A。由于所帶負荷多為變頻空調，諧波電流較大屬正常現象，但因目前負荷電流（rms）只有三十幾安培，125A的配出開關容量也已足夠，且目前運行方式下并未出現越級跳閘現象，越級跳閘原因應與電能質量無關。

處理建議：檢查2#配電柜進線電纜是否存在缺陷；檢查2#配電柜的上級配出開關保護配置是否存在問題；更換2#配電柜的上級配出開關。

4.5 局部放電檢測應用簡介4

局部放電監測設備從傳感器中取得的局放信號與低頻同步信號都通過同軸電纜傳入主機。主機對數據進行初步處理，提取波形特征，并通過光纖、光電傳感器與便攜式電腦的USB口通信，將特征傳到電腦，再用專門的軟件進行分類、分離及放電模式的識別。

圖9和圖10是經儀器檢測的圖譜，圖11為信號分離后的分類圖譜。從分類圖譜上看，信號全是隨機雜散的脈沖噪聲信號，沒有局部放電現象。目前所檢測設備并沒有發現局部放電現象，在此無案例可描述，僅提供檢測畫面及信號分離后的分類圖譜。

圖9 局部放電圖譜

圖10 局部放電特征圖譜

圖11 信號分離后的分類圖譜

4.6 應用小結

維修體制分為事后維修、計劃維修（維修不足、維修過剩）和狀態維修（預知維修）。其中狀態維修是目前最理想的維修方式。而狀態監測是實現狀態維修的基礎和前提，它以狀態監測與診斷技術為基礎，實現按需維修，保證設備安全運行、提高設備可靠性、防止事故發生。

采用監測診斷技術，經濟效益十分明顯。能減少突發性事故，提高設備的安全可靠性；提高設備的可用率，降低設備強迫停運率；降低維修費用、壽命周期費用；延長設備壽命。

5 思考

5.1 狀態監測與狀態檢修的關系

目前，高壓電氣設備的檢修仍采用定期檢修，定期檢修存在兩方面的不足：一是設備存在著潛在的不安全因素時，因未到檢修期限而不能及時排除隱患；二是設備狀態良好，但已到檢修時間，就必須檢修。檢修時又缺少以往設備運行的狀態記錄，要檢修的內容不明確，存在很大的盲目性，造成人力、物力和時間的浪費，檢修效果也不好。狀態檢修是根據設備的運行狀況進行檢修，因此狀態檢修的前提是必須要做好狀態檢測。狀態檢測有兩個主要的優點：一是能夠及時發現設備缺陷，做到防患于未然；二是為電氣主設備的運行管理提供方便，為檢修提供可靠的依據，減少人力、物力和時間的浪費，從而提高檢修效率。由此可見，狀態檢測是狀態檢修的必要手段。

5.2 狀態監測分析診斷的難點

由于運行設備一般處于工業環境，各種干擾不可避免，傳感信號往往摻雜著干擾信號，因此測量信號的處理、判斷是十分重要的，而對于設備狀態的判斷，往往需要多方面信號的綜合判斷。對于各種不同設備，需要特定的處理與判斷程序，這種程序是通過計算機系統完成的，通常是一種專家系統。狀態監測必須采取專家系統與人工識別雙管齊下，才能做出正確的分析診斷，而人工識別則需要大量長期的工作經驗。

5.3 重要設備狀態監測的困難

狀態監測的問題已經討論了好幾年，很多科研單位都投入了極大的熱情，攻克了許多技術難題，電力系統也投入了許多資金進行嘗試，但成效并不顯著。目前，搞狀態監測的主體仍是科研機構，試驗場地是電力系統。實際上狀態監測也是高壓電氣設備應該具備的基本的監測措施，設備制造廠應該是狀態監測研制和生產的主體。電力系統可以根據運行的需要提出合理的要求，設備制造廠滿足其要求的標準即可。設備制造廠作為狀態監測實踐的主體有兩方面的優勢：一是對設備熟悉，清楚設備的那些參數應該進行檢測；二是設備制造廠可以在設備出廠之前，將狀態監測裝置安裝調試好。避免了現場改造安裝時，設備的重復拆裝所造成的浪費。而且在設備制造成形以后，有些重要的檢測元件很難再加裝進去。因此，設備制造廠作為狀態監測的主體可以大大降低狀態監測的費用，將狀態監測的項目做得更加完善，安裝結構更加合理，起到事半功倍的效果。

但是，我們目前所有的設備已經在現場投運，沒有增加監測元件的可能。因此，在今后設備談判、訂貨階段如果加以考慮的話，應該是可以實現的。

6 下一步工作

鑒于以往狀態監測發現的隱患對安全供電的不利影響，針對下一步工作，將在現有業務基礎上，充分利用現有監測設備，并力爭拓展新的課題，開發新的業務。

6.1 紅外檢測

全公司重要電氣、儀表設備的發熱檢測。計劃每年一次。根據需要，對重點設備加強檢測頻次。

6.2 局部放電

全公司密閉式開關設備、變壓器、電纜等的局部放電檢測。計劃每年一次。

6.3 其他

積極開發和拓展其他檢測技術的開發工作，如電機回路檢測，電纜故障檢測等。

7 結論

經過近半年狀態監測工作的實踐，我們深刻體會到積極引進、深入學習和推廣應用電力設備狀態監測技術，有利于及時發現設備的潛在性運行隱患，采取有效防控措施降低事故發生的概率；有利于科學地進行檢修需求決策，合理安排檢修項目、檢修時間和檢修工期，有效降低檢修成本，提高設備可用性；有利于在電力企業中營造科學決策、改革創新的氛圍，為增強企業的綜合競爭力提供保障。

電力設備狀態監測的目的是采用有效的檢測手段和分析診斷技術，及時、準確地掌握設備運行狀態，保證設備的安全、可靠和經濟運行。電儀技術研究室的目標是能夠協助公司設備管理部門做好電氣儀表技術管理；通過電氣設備以及儀表與控制系統運行狀態的分析，為電力設備與儀表及控制系統安全運行提供技術支持；持續開展新技術開發與應用的研究。

[1] 王風雷.電力設備狀態監測新技術應用案例精選.北京:中國電力出版社,2009.