特高壓變電站在線監測系統的實踐與分析

常勇，謝佳妮，張雍赟

(1.國家電網公司運行分公司，北京市，100052;2.國家知識產權局專利審查協作中心，北京市，100190)

0 引言

目前我國電網骨干網架以500 kV交流和±500 kV直流系統為主，使得進一步增加電力輸送能力和規模受到嚴重制約，以1 000 kV級交流和±800 kV級直流系統為核心的特高壓骨干電網建設，是實現“西電東送、南北互供、全國聯網”戰略目標的必由之路［1-5］。1 000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程于2009年1月正式投入商業運行，3個變電站內一次設備包括特高壓主變、調壓補償變、線路并聯高抗、氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas insulated switchgear，GIS)。特高壓工程電壓等級高、現場運行環境復雜，其絕緣部分缺陷及劣化將會對電網的安全運行產生不可估量的影響，特高壓主變高抗核心設備如果因故障損毀，經濟損失巨大。為此，特高壓變電站主設備加裝了相對完備的在線監測系統，搭建了可靠的故障檢測與診斷平臺，有助于提前發現危害設備運行的潛伏性故障，防止突發性事故的發生，并為今后實現狀態檢修提供了必要的技術支持。在線絕緣監測系統在國內的應用已有先例，但應用效果及經驗尚需總結，本文將介紹特高壓工程絕緣在線監測系統的結構，并結合實際運行經驗就其應用提出意見。

1 在線監測系統的概念

隨著電網容量的增大，高壓電氣設備的數量不斷增加，傳統的預防性試驗及檢修已不能滿足電網的運行要求，狀態檢修勢必成為新的運行維護方式的核心理念。同時，由于高壓電氣設備的絕緣老化是一個累積和發展的過程，在很多情況下預防性試驗已無法發現設備潛在的缺陷。因此，高壓電氣設備絕緣在線監測系統可以對反映電氣設備絕緣特性的關鍵對象進行在線、實時以及長期的監測，從而在不影響電氣設備正常運行的前提下，對電氣設備絕緣老化趨勢進行評估和診斷［6］。

目前，高壓電氣設備絕緣在線監測采用的方法有絕緣油在線色譜分析、交流泄漏電流、介質損耗角正切、局部放電及放電位置監測、電容型設備電容值和絕緣子動態污穢等，通常對以下幾類設備進行在線監測［7］。

(1)電容式電壓互感器(capacitor voltage transformer，CVT)、耦合電容器、電流互感器、套管等容性設備。目前，測量CVT、耦合電容器、電流互感器、套管等容性設備的在線監測技術已日漸成熟，也取得了很多的應用效果。主要測試項目有介質損耗、泄漏電流、電容量、三相不平衡電流等。

(2)變壓器。變壓器的絕緣狀態通常用以下幾個電氣特征量來表示:油中溶解氣體、局部放電量及放電位置、介質損耗值、泄漏電流和設備電容值等。變壓器油中氣體濃度需要檢測濃度的氣體包括H2、CH4、C2H4、C2H2、C2H6、CO、CO2等 7 種氣體。根據這些氣體濃度，可評估變壓器的絕緣狀態。為了更準確地判斷故障類型及故障元件，可將氣相色譜法與電氣試驗結合起來，共同診斷設備所產生的故障。

(3)GIS。高壓開關設備內部絕緣部分的缺陷或劣化、導電連接部分的接觸不良等，使得其在事故潛伏期絕緣都可能產生放電現象，故可以通過對放電的監測得到相關絕緣狀況。

(4)避雷器。檢測金屬氧化物避雷器(metal oxide arrester，MOA)泄漏全電流和阻性電流能有效地反映MOA的絕緣狀況，目前一般采用對運行中避雷器的全電流或阻性電流進行監測的手段，并將所得數據與出廠及歷史數據相比較，即可發現避雷器的絕緣缺陷。

2 特高壓變電站絕緣在線監測系統結構

隨著變電站自動化技術的發展，通過豐富的通信手段，絕緣在線監測系統可以將變電站內所有在線監測設備所采集的絕緣特性測量值綜合到變電站絕緣在線監測工作站內，并對數據提供綜合瀏覽、存儲及分析服務，從而更全面地掌握變電站內電氣設備的運行狀況［8-9］。

晉東南變電站的各種在線測量裝置采集現場狀態量后，分別通過各種通信方式與1 000 kV繼電器小室的NSC300通信控制器通信，由NSC300通信控制單元對監測數據進行規約轉換，然后上送站控層絕緣在線監測工作站，由工作站完成對數據的處理和顯示。絕緣在線監測系統單獨組網，與變電站自動化監控系統網絡彼此獨立，其結構如圖1所示［10］。

圖1 1 000 kV特高壓變電站絕緣在線監測系統Fig.1 Configuration of insulated online monitoring system for 1 000 kV UHV substation

3 變壓器絕緣在線監測

3.1 TM8在線油色譜

TM8系列變壓器油中氣體色譜在線監測儀是華電云通原裝進口美國Serveron公司的產品。TM8可以進行全面的變壓器絕緣溶解氣體分析(dissolved gas analysis，DGA)診斷，包括可以對8種關鍵故障氣體成分(H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、O2)、油中水分、油溫、環境溫度、變壓器負載等進行相關分析。TM8數據支持所有IEEE和IEC中的變壓器故障診斷工具，能達到快速報警和對故障的演示進行分析，在診斷工具上使用在線DGA數據給出了新的視角。TM8系統工作原理如圖2所示。

圖2 TM8系統工作原理Fig.2 Operating principle of TM8 system

圖2中變壓器油在油箱內部進行循環流動。TM8監測系統在變壓器油箱中部通過油泵抽取流動的油樣，注入氣體分離器，在分離器中通過毛細管束實現油中氣體和真空空間的動態平衡，并且在油壓作用下油樣一直處于流動狀態。氣體被氣路部分的微泵抽入注入池，通過和載氣混合，并在載氣的壓力下推入色譜柱。從色譜柱分離出來的各種氣體進入熱導池進行定量監測，監測結果通過微控制器進行就地數字轉換，并進行外部通信上傳。

通過對油中氣體色譜分析、變壓器負載以及環境度的定時測量可以實現產氣與外部事件的關聯。對所有關鍵故障氣體的連續測量可以給出變壓器故障的早期預報，避免發生變壓器事故，減少非計劃停電次數。通過長期、全面的在線監測積累足夠的信息，使持續的變壓器狀態評估成為可能，進而形成專家知識庫，最終實現狀態檢修降低維修成本。現場安裝的TM8監測終端如圖3所示。

圖3 現場安裝的TM8監測終端Fig.3 Field installation of TM8 Monitor terminal

3.2 TMB套管絕緣在線監測設備

該設備主要監測高壓設備套管、高壓電容式電壓互感器、高壓電流互感器、耦合式電容器。采用高性能單匝穿心式微小電流傳感器技術，測量高壓套管的介質損耗、等效電容與泄漏電流等參量。利用高靈敏度電流傳感器，不失真地采集套管末屏對地電流信號，同時從相應的PT取得電壓信號，通過對數字信號的運算和處理，得出介質損耗和等效電容量等信息。最終利用專家系統分析、判斷、預測套管絕緣的健康狀況。

TMB系統的安裝不改變原有電力設備的接線、接地模式，監測系統和電氣系統只有磁聯系，沒有電聯系，不會對一次系統造成任何干擾和影響。同時系統具備自校準功能，在規定的時段內主動校準由于硬件電路老化、溫度變化帶來的誤差。系統同時具備多路PT信號采集，使得系統在計算介損和電容值時，有效避免了以往采取的單一PT信號以及現場取用220 V電源信號做參考時帶來的誤差。同時PT信號數字化傳輸到各個計算節點，有效抑制了監測系統對PT的負載效應。TMB系統工作原理如圖4所示。

圖4 TMB系統工作原理Fig.4 Operating principle of TMB system

3.3 GIS絕緣在線監測

GIS絕緣在線監測設備采用的是日本東芝公司的NCT裝置。該裝置通過安裝在GIS設備內部的多個傳感器，采集GIS開關觸點電流、觸點損耗、觸點溫度、絕緣氣體溫度和氣體壓力，并根據采樣值發送相應告警信息。同時，該設備還記錄GIS設備每次開關動作信息。

GIS設備的設計理念是免維護的，然而實際運行中由于設備制造、運行環境等原因GIS的設備故障并不少見。因此實際運行中對于GIS設備在每次大修中仍會開展一些檢修工作。如果能夠充分利用GIS在線檢測系統，實現設備狀態檢修，對于設備健康水平和減少不必要的重復性工作大有益處。

4 運行實際經驗

特高壓主變及高抗是整個變電站內最重要也是最昂貴的設備，運行單位從防止重大停電事故和設備損失的角度出發，尤其重視對主變高抗的絕緣監測。實際運行經驗表明，如果使用維護得當，并結合一段時間的運行經驗，主變高抗的絕緣監測系統對于主變高抗內部絕緣故障的早期診斷發現有重要作用。特高壓變電站某臺高抗的故障處理過程很好地佐證了這一觀點。圖5～6是該高抗投運后一段時間內C2H2在線監測的紀錄結果，圖5～6中采樣檢測間隔為10 min。其中A相高抗在投運后的很長時間內C2H2含量很低，在1 mg/ml以下。但是在第3 784個采樣點附近可以明顯觀察到C2H2含量有一個突然的躍變，測量數值躍變為3 mg/ml。而將A相與B相監測結果相比較可以看出，隨著運行時間的增加，B相高抗C2H2含量基本穩定在0值附近。檢修人員對高抗A相進行了色譜取樣分析，分析發現高抗的色譜數據確實發生了突變(由之前的1.29 mg/ml變為3.12 mg/ml)，利用三比值法對色譜數據進行分析，高抗A相的比值為“1，0，2”，為低能量放電。

這次故障的處理過程中，在線絕緣監測系統發揮了顯著的作用，實時連續的監測結果雖然在測量精度上有一定局限，但是足以作為故障趨勢判斷的依據。結合離線的精確油色譜分析可以迅速準確地進行故障判定，避免故障擴大、損壞在運設備、破壞系統安全運行。

5 結語

特高壓交流試驗示范工程一次設備加裝了完善的在線監測系統，特別是變壓器在線油色譜儀對于及時掌握變壓器運行健康水平、及早發現設備故障發揮了良好作用。 本文介紹了特高壓長治站的在線監測系統的總體結構，詳述了在線監測各分系統的結構及原理。結合實際運行經驗，分析了一次故障處理過程中主變高抗在線監測系統發揮的故障前期預警功效，為在線監測系統的推廣應用積累了經驗。

［1］劉振亞.特高壓電網［M］.北京:中國經濟出版社，2005.

［2］劉振亞.特高壓交流輸電技術研究成果專輯［M］.北京:中國電力出版社.2005.

［3］易輝，熊幼京.1 000 kV交流特高壓電輸電線路運行特性分析［J］.電網技術，2006，30(15):1-7.

［4］丁偉，胡兆光.特高壓輸電經濟性比較研究［J］.電網技術，2006，30(19):7-13.

［5］吳敬儒，徐永禧.我國特高壓交流輸電發展前景［J］.電網技術，2005，29(3):1-4.

［6］嚴璋.電氣絕緣在線監測技術［M］.北京:中國電力出版社，1995.

［7］DL/T596—1996電力設備預防性試驗規程［S］.北京:中國電力出版社，1997.

［8］劉紅偉，李俊峰，王常飛.1 000 kV特高壓輸電線路在線監測管理平臺的應用［J］.電力系統自動化，2009，33(23):98-103.

［9］燕立，吳祎瓊，王芳.晉東南1 000 kV變電站電氣控制和監測的幾個特點［J］.電力建設，2010，31(2):21-25.

［10］國電南瑞科技股份有限公司.國家電網公司1 000 kV特高壓晉東南變電站絕緣在線監測系統培訓材料［M］.南京:國電南瑞科技股份有限公司，2009.