試析高壓發電設備、電力變壓器運行監測的新要求

摘要：高壓水力發電設備和電力變壓器是水力發電站的主要設備，其重要性不言而喻，國內大多數大型水力發電設備的運行監測仍處于相對薄弱的環節。對于大型的水輪機、發電機以及大容量的高壓發輸電、供變電設備，影響這些關鍵設備運行安全的主要因素是各方面的應力變化，根據被測對象的特性如振動的機械應力、溫度的熱應力、絕緣強度和電壓強度的電場應力等確定合適的采樣傳感器和傳輸方式后（某些傳感器需要在高電位端選擇適當的取能方式），經有線或無線網絡上傳數據至后臺上位機和數據中心，實現了對一次關鍵設備運行狀況的實時監控，進而實現電網設備的可觀測、可控制和自動化操作，為智能化電站的發展提供有利條件。

關鍵詞：監測；采樣；應力；傳輸方式；智能電網

作者簡介：孫紅霞（1960-），女，滿族，遼寧西豐人，鐵嶺師范高等專科學校，副教授。（遼寧 鐵嶺 112008）

中圖分類號：TV741；TM930 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）15-0235-02

對高壓水力發電設備和電力變壓器監測運行安全的主要目的是危險預測和防范，對監測儀器的真正要求并不在于像正式計量那樣需要達到如0.2%水平的高精度和準確度，而是更加注重信號采樣和傳輸途徑的穩定性與可靠性，重復精度達到2%～5%即可完全滿足預警系統的基本使用要求。科學設置合理的、多層預警門檻，監測回報信號的重復間隔時間的長短是和實測值與正常值的大小有著直接關系，偏離正常值越大回報間隔越短。反之亦然，這也是大多數監測環節采取節能環保的理想方案。

一、信息采樣與傳輸方式的多樣性

在測量電參量時傳統的信息傳輸技術大多使用PT、CT采用有源以及有線的信息傳遞技術，傳統的信息傳輸技術歷史悠久，目前為止已經運用得相當成熟。

近年來出現了許多新型的基于無線傳輸、紅外傳輸和光纖傳輸等新技術的監測設備，它們能夠與最新的科學技術成果相結合，在實際的工程應用當中發展迅速。新型監測設備非常方便和行之有效，可以根據現場所有被監測對象的特性、種類和數量等設計一個有限的無線局域網絡，網絡的終端通過計算機后臺統一方便管理，監測傳遞來的幾十個甚至幾百個監測點數據。

有限的局域網終端處理機其主要功能在于有效管理和分析實測數據，并且向中心控制室的上位機提供有使用價值的數據，同時可根據采集數據的實際情況設置智能分析程序，對某些幾倍于或遠低于正常值水平的數值進行更為科學的統計學幾率計算和插值估值以及平均值或真有效值還原，最大限度地去偽存真，提取其有效成分和使用價值。同樣終端機也可以分段設置實測值與正常值的差值，以差值的大小強度來確定數據的緊急和優先程度。

對于監測水輪機或發電機軸振動的機械應力，以及斷路器觸頭溫度的熱應力，均可采用形變電阻、熱敏電阻或機械能轉換成的電信號的聲波/電壓變換器來采集信號，由于這些應力變化的時間常數都比較長，采用無線傳輸的方式比較適合。特別是水輪機、發電機軸或是斷路器觸頭，在有外罩保護的情況下，其傳輸方式會顯得較為麻煩，而無線傳輸具有不受空間所限的優勢，實現起來較為容易。

對于監測電場應力及電量變化的對象，例如變壓器的絕緣狀態、斷路器的合分變化狀態都是時間常數非常短，而且有快速瞬態變化過程的信號。因此，采樣方式大多使用電容分壓器、電阻分壓器或阻容式分壓器來進行電壓取樣，電流采樣通常采用Rogowski線圈（羅氏線圈）或無感分流器來取樣，而傳輸部分通常采用光纖或紅外傳輸方式。

二、高電位端采樣供電電源的多種形式

如果采用無線傳輸的采樣形式，一般首選使用高能量的鋰電池作為能量供應，一般3.7V/0.5AH的高性能電池可以使用3～5年，這種電源供給方式占用空間很少、安裝靈活更換方便，達到使用期限后全部換新即可。

如果安裝位置可使用的空間余地較大，也可以采用安裝太陽能電池板和市電射燈的組合方式。太陽能電池板的作用是利用射燈的光隔離作用得到高電位隔離電源，太陽能電池板通過隔離二極管輸出給儲能電容作為儲能充電環節；也可以通過DC/DC變換器得到所需的供電電壓，這樣只要設備不損壞就可實現無線傳輸的長期電力供應。

如果在高電位端需要對較大的電流進行采樣，電流互感器可以采用復合鐵心結構，即使用鐵基納米非晶和硅鋼復合的鐵心。鐵基納米的初始磁導率高4萬～8萬G/O，在母線很小的電流下也能產生較大的感應電動勢；而硅鋼鐵心飽和磁通密度比較高，一般為1.8～2.0T抗飽和能力強，在母線電流很大時仍可產生足夠的能量。

圖2是高電位端復合鐵心線圈的繞制方式。

在一個復合鐵心上同時繞制兩種線圈，一個為取能線圈，通過整流模塊整流后為供電模塊提供電能；另一個為控制線圈，通過另一個整流模塊給控制模塊供電。當取能模塊的整流電壓Udc大于某一設計電壓時，控制模塊起作用，提供反向磁通和分流，使復合鐵心中的主磁通保持不變，同時使取能線圈I2×N2保持不變，最終達到輸出電壓不變。表1列出了一組測試數據。

表1 高電位端電流互感器測試數據

母線電流（A） 12 20 300 600 1800 3000 5000 8000 10000

整流取能模塊輸出電壓Udc（V） 3.31 9.44 10.56 11.32 12.11 12.44 12.32 19.26 18.79

穩壓電源輸出U2（V） 2.61 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69

注：當母線電流大于20A時，控制模塊參與工作，開始調節Udc值，使其變化趨緩，這種取能方式一般在大型電流互感器中采用。由于這種電子電流傳感器其本身的通流容量很大，所以配置相應的取能電路并不復雜。

三、典型的采樣和傳輸系統

對于監測機械應力的場合，通常采用機械能/電能轉換模塊采樣，它可以方便地把運動或靜止的機械能量轉換成電信號進行傳輸。由于設備空間的限制許多監測對象都采用無線傳輸的方式，而且這些監測對象的變化曲線相對緩慢，慣性時間常數比較大，圖3展示了上述系統的框圖，高壓電氣設備的觸頭溫度監控也可歸屬于這一類。

對發電機內部進行測溫時，傳統測溫采用埋設鉑電阻PT100的方式，缺點是安裝空間小，布線復雜且容易損壞，而采用無線傳輸技術安裝調試簡單，測量準確可靠。可在瓦上安裝溫度傳感器，傳感器把溫度轉換為無線發射信號，無線接收器安裝在推力油槽外殼上，通過無線接收器完成數據轉換，再由RS485無線傳輸媒介使用MODBUS網絡協議傳輸到上位機接收器，進而把數據上傳到上位機，工作站通過上位機設定溫度預警值和溫度變化率預警值。

對于監測電場應力的場合，對電壓類信號如絕緣強度和電壓幅度的采樣，通常會用電容或阻容分壓器作為衰減探頭；而對漏電流或強電流的采樣一般采用無感分流器或羅式空心線圈，傳輸方式大多采用光纖傳輸，光纖傳輸方式可以分為兩種：±1%精確度的系統采用模擬電壓/頻率的調制解調方式就可達到；而0.2%精確度的系統就得采用模擬電壓/數字計算機。前者造價大約是后者造價的1/4。圖4展示了這種傳輸系統的框圖。

四、高壓水電設備監測技術的發展

水力發電站的機電設備在電力系統中的重要性不言而喻，隨著時代發展和科技進步，對設備監測的要求也將越來越高，目前已經可以實現或正在發展以下監測技術：

1.加強對流量和磁場的監測

在監測傳統的溫度和壓力參數的同時，增加了對液體和氣體的變量，如流量、流速和風速的監測。如在發電機蝸殼出口、導葉進口、頂蓋下空腔和尾水管入口處增加流量傳感器監測水壓脈動；在發電機中增加對磁場強度的監測，例如在定子上端上游側槽楔處增加非接觸式磁場強度傳感器，可以監測到最小磁場強度和相位變化，進而判斷產生振動的原因是否為電磁力，判斷是否存在匝間短路等故障以及檢測機組定、轉子結構和組件由于振動、過熱等導致的不平衡。

2.對機械設備物理參量的監測

對轉動的機械設備增加振動和擺度的監測，例如在發電機定子線棒端部每支路分別加裝1只振動傳感器，對發電機定子線棒的徑向振動（即線棒與定子鐵心的相對振動）傳感器與目標之間的距離變化進行監測。

3.對一次主電氣設備的絕緣情況進行監測

如對發電機和主變壓器增加局部放電監測點，局部放電分析系統的耦合器監測到發電機定子絕緣系統內和主變壓器內的局部放電脈沖，通過對各相放電量、放電次數以及放電相位的分析、計算可以明確一次主設備絕緣損傷程度和產生局部放電的大致位置，對設備的預警、維修起到很大作用。

4.增加監測點數量，滿足對發電機運行時的參數監測

對傳統的三部軸承、發電機定/轉子的監測建議采樣點由幾十個增加到數百點，對發電機的運行參數如定子電壓和電流、轉子電壓和電流、有功功率、無功功率、功率因數、P-Q曲線、負序電流、零序電流、并網相角、頻率、發電機定子鐵芯和繞組溫度、發電機冷卻水溫度和發電機轉子平均溫度等進行全方位監測。

5.數據監測的智能化發展

監測設備與主設備的控制/測量系統智能一體化，采樣的數據接入電站的統一的整體系統聯合運行，提高數據處理速度和智能化，監測數據實時記錄在硬盤上，以便事故追憶與指導維修，同時可通過網絡將數據上傳到高級數據服務器，實現監測數據的遠程訪問調用。

五、結語

當今時代，智能電網是電力系統的重要發展方向，發電廠作為電網的重要組成部分，其智能化建設是社會發展的必然。利用多種類型的傳感器對高壓水力發電機、電力變壓器等一次關鍵設備的運行狀況進行實時監控，進而實現電網設備的可觀測、可控制和自動化操作。智能化控制使其在具有傳統功能的同時，實現了多種類型參量采集、數字化數據采集以及測量、控制、監測、保護功能的一體化融合設計，合理利用電站現有的監控系統或者新建專用的智能電站網絡就可以實現電站的智能化發展，以適應智能電網的運行要求。

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（責任編輯：王祝萍）