變電站設備狀態監測發展現狀

付兆遠，鄭風玲，李 琮，楊琦欣

（濟南供電公司，山東 濟南 250012）

0 引言

目前的電氣設備檢測工作多數是按照《電氣設備預防性試驗規程》的要求，對不同的一次設備按照規定的檢測周期進行預防性試驗，根據試驗結果安排檢修計劃。這種工作模式對電網安全運行做出了巨大貢獻，但是這種基于預防性試驗的傳統檢修方式已不能滿足生產的需要，特別是對一些運行年限比較長的設備，傳統檢修方式的弊端更加明顯［1］。經濟社會的不斷發展和電網規模的不斷擴大對電網供電可靠性提出了更高的要求，非計劃停電造成的經濟效益損失和不良社會影響越來越大，電力設備的狀態檢測可以實時跟蹤電力設備運行狀態，及時反映設備絕緣的老化程度，避免停電事故的發生。對變電設備開展狀態檢修可以有效延長設備使用壽命，最大限度地發揮設備資產的經濟效益，進而提高電網運行的可靠性［2］。

1 國內外在線監測技術發展

變電設備的狀態檢修涉及帶電檢測、在線監測等多種技術手段。國內自20世紀80年代開始進行帶電測試工作，隨著電子儀器技術和計算機技術的發展，在線監測技術先后使用了單片機裝置、DPS芯片、計算機監測裝置。目前總線技術、網絡技術已在電力設備監測中得到了迅速發展。國內的院校及科研院所均投入了大量的力量進行研究和開發［3］，一些先進的數據處理方法如模糊診斷技術、專家系統、人工神經網絡、不規則圖形壓縮技術等均在狀態監測領域得到了大規模應用，超聲波、超高頻等探測技術的應用也越來越廣泛［4］。隨著信息處理技術與傳感器技術的不斷進步，變電站設備狀態檢修技術逐步走向成熟、實用。

國際上，自20世紀60年代美國率先開展狀態監測技術的研究以來，阿爾斯通、GE、西門子、ABB等知名公司進行的一系列研究加速了電力設備狀態監測與故障診斷技術的發展。加拿大、日本、韓國等均研制出相對成熟的成套的電力設備狀態監測系統。近年來，美國AVO公司、澳大利亞紅相、德國LDIC等公司在狀態監測裝置實用化上走在了前列。目前，狀態監測技術的研究已成為非破壞性檢測下屬的一個新的活躍分支。

2 電力設備狀態監測工作開展現狀

電力設備在運行過程中，總會有某個或某些特定的參數來表征整個設備運行狀態的變化情況，通過采集特征參數的相關信息，根據其數值的大小及變化趨勢可以判斷設備的健康狀況，及早發現設備缺陷，為設備檢修、更換提供數據支持，有效避免故障的產生。變電設備的狀態監測需要大量的設備狀態數據的支持，傳統的預防性試驗、例行巡檢等技術手段存在數據周期長、數據量小的缺點，變電設備的在線監測能有效豐富設備狀態數據，多種設備數據的綜合使用可以有效完成設備的狀態評估。

2.1 主要監測項目

變電設備在線監測現階段主要由變壓器、電容型設備、避雷器、開關類設備、GIS和綜合等6類監測設備組成。

作為變電站最重要的設備之一，變壓器的安全運行是整個變電站運行的重中之重。變壓器在線監測技術主要包括油中溶解氣體分析、鐵心接地電流、局部放電、繞組變形、變壓器振動頻譜等狀態量的監測技術。繞組絕緣和主絕緣是影響變壓器壽命的最主要原因［5］，因此相應的監測項目如油中溶解氣體分析、鐵心接地電流監測、局部放電監測也得到了充分發展，對及早發現變壓器運行缺陷起到了積極作用。 另外幾種技術已有實際應用，但尚需積累更多經驗［6］。

電容型設備在線監測技術主要包括對套管、電流互感器、耦合電容和電容式電壓互感器等電容型設備的絕緣在線監測，主要監測設備的介質損耗因數、電容量的變化。 其中電容量的監測技術相對容易實現，數據也較穩定；在線介損的測量容易受現場溫濕度、TV相角差、諧波、頻率波動等多種因素的影響而出現測量結果穩定性、可重復性差的現象。

避雷器缺陷、故障很難從外觀上發現且故障點查找困難，避雷器受潮、劣化等均對變電設備的安全運行構成威脅。避雷器泄漏全電流和阻性電流變化趨勢與避雷器運行特性密切相關，可以通過監測避雷器泄漏電流的方法來掌握避雷器的運行狀態。避雷器的在線監測方法主要有阻性電流法和三次諧波法，阻性電流的計算需要從PT上提取電壓參考信號，三次諧波法不能準確反應單支避雷器的運行參數，二者各有優劣。 目前避雷器狀態監測在實際中已得到了較為廣泛的應用。

斷路器故障主要為機械故障和電氣故障兩類，80%的斷路器故障是由于機械特性不良造成的，因此目前斷路器的在線監測項目主要有機械動作特性、觸頭壽命監測。 其中通過監測累計遮斷電流來計算估計斷路器觸頭磨損是一種正在積累經驗和判據的技術。通過監測機械行程和速度、振動等能初步評價斷路器的機械壽命。但是由于目前高壓斷路器都是免維護設計，而且開關內部的結構復雜，安裝在線監測裝置的難度很大，因此斷路器的在線監測項目還處于初級應用階段［7］。

GIS由于具有占地面積小、可靠性高的特點得到了大規模應用，但是GIS也存在解體困難、檢修時間長、故障波及范圍廣的缺點。GIS在線監測可以提前發現絕緣材料腐蝕、部件松動等缺陷隱患，有效延長GIS壽命，避免大型停電事故的發生。GIS在線監測使用的技術主要有超聲波法和超高頻法、地電波法等，多種監測手段結合可以有效地對GIS放電類型、放電部位進行判斷。 預埋內置傳感器、外置傳感器等多種形式傳感器的綜合應用也大大提高了GIS局放監測的可靠性［8-9］。

另外目前已經開展的還有針對有載分接開關、壓力釋放閥的監測項目，以及溫度、濕度監測和一些其他非電量項目的在線監測。

2.2 狀態監測系統構架

目前，以單臺設備為目標的狀態監測正在向整體監測延伸，分布式系統的發展以及通信技術在電力系統的廣泛應用使得目前的狀態監測系統正在向系統化、模塊化、分布式發展。變電設備狀態監測系統大致可分為3層架構，如圖1所示，3層架構的功能分別是數據采集、專家系統、高級應用。

數據采集環節。設備數據主要來源于3個方面，巡檢、試驗等離線數據、帶電檢測數據和在線監測數據。 巡檢、試驗數據和帶電檢測主要依賴工作人員的錄入。在線監測數據是使用傳感器采集一次設備的特征信息，以無線或光纖、電纜通信的方式，將信息傳送至現場處理單元。 各種一次設備在設備構造、運行環境等均有較大的不同，預埋內置傳感器、外置傳感器、無線傳感器等多種傳感器的針對性使用大大提高了原始數據的可信度。監測設備的供電電源從站用變引出，對于敞開式變電站，由于一次設備布置分散，也可采用太陽能電池板浮沖蓄電池的方式進行。 在一個變電站內，各種一次設備的特征信息通過無線、光纖、雙絞線上傳至站內的數據轉換器，數據轉換器進行數據匯總，接入內網。在數據采集環節，主站軟件一般配置簡單的測試軟件和數據管理軟件，完成基本的設備調試和數據簡單處理功能。

圖1 變電設備狀態監測系統網絡構架圖

專家系統環節。使用專家系統診斷軟件對上傳的數據進行解析，利用豐富的數學工具結合專家知識庫完成干擾抑制、模式識別功能。發現運行狀況不良的設備，并對缺陷、故障完成初步的定性、定量分析

高級應用環節。根據專家系統的診斷分析結果，結合設備運行工況，綜合設備歷史運行狀況實現設備狀態預警、狀態評價功能。進一步考慮檢修風險、社會效益、停電成本等各方面因素制定檢修計劃或變更運行方式，延長設備使用壽命，提高設備運行綜合效益，最大程度發揮設備資產的效益，真正做到設備的全壽命周期管理。隨著電網規模的不斷擴大和用戶對供電可靠性要求的不斷提高，將會有更多的監控信息接入，也會出現越來越多的高級應用以滿足電網運行的需要。

變電設備狀態監測系統涉及各級供電單位、科研部門，是一個跨部門的大型綜合信息管理系統，同時還涉及PMS系統、SCADA系統等，因此變電設備狀態監測系統不僅要保持自身的相對獨立性，而且還要考慮與已有系統的集成，具備足夠的開放性。

3 存在的問題

變電設備的狀態監測在提高設備可靠性、降低設備檢修成本方面的優勢逐漸開始顯現，在實際應用過程中，由于技術、管理方面的不足，還存在一系列問題有待于進一步研究解決。

在線監測裝置的可靠性有待于進一步提高。目前變電設備狀態監測裝置在運行過程中多少均存在誤報警、錯報警現象，不同程度上加重了日常檢修工作的工作強度。裝置廠家技術水平的參差不齊是一個因素，從技術上講測量數據的不穩定是由于監測裝置無法在電磁干擾下準確提取表征一次設備工作不正常的特征信息，監測系統仍需要性能更好的傳感器和更好的干擾抑制方法。

專家診斷軟件有待于進一步豐富完善。專家診斷軟件診斷結果的準確率依賴于專家知識庫的豐富程度。模擬試驗數據不能準確反應復雜電磁環境下設備的實際運行狀況，目前仍需要進行大量的試驗研究和運行數據統計、積累工作。

在線監測裝置運行維護不足。監測裝置生產廠家對產品質量缺乏應有的監督機制，不能及時排除故障，造成系統癱瘓或不能正常運作。目前普遍存在監測裝置的使用壽命與一次設備壽命不匹配的問題，現有的監測技術也很難滿足一、二十年后設備狀態監測的需要。已投運的監測裝置在達到使用壽命后將面臨升級困難、接口不匹配的兩難境地，那時將不僅不能滿足一次設備安全運行的需要，而且會給設備的運行增加安全隱患。

系統維護技術力量不足。目前已有的在線監測裝置覆蓋了大多數一次設備，鑒于目前在線監測裝置存在一定程度的不穩定性，設備狀態評價需要人工干預，識別一些誤報錯報信息，因此對系統維護人員的專業技術素質要求較高。系統維護人員根據異常數據判斷原因不僅需要熟練的設備檢修技能，而且需要豐富的網絡數據庫知識，這種復合型人才恰恰是目前生產工作中缺少的。

4 結語

變電設備狀態監測系統是實現設備全壽命周期管理的必需途徑，也是提高變電設備檢修工作效率的重要技術手段。雖然一些監測裝置存在漏報、錯報現象，但逐漸走向成熟的變電設備狀態監測系統對發現和跟蹤故障已經起到了積極作用。由于在線監測裝置可靠性不足，目前一次設備的在線監測數據僅為檢修工作提供參考，相信隨著電子通信技術的不斷進步和設備管理體制的不斷完善，變電設備的狀態監測系統必將取代現有的預防性試驗技術，成為電力設備安全運行的第一道防線。

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