电气设备绝缘在线监测的探讨

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1、电气设备绝缘在线监测的探讨建瓯市供电局李祖华福州南网电力物资有限公司万香本文介绍了高压电气设备绝缘在线监测技术的发展状况及其原理，分析了监测设备的几个要点， 并以 500kV 潍坊变电站高压设备状态监测系统为例，介绍该系统安装及运行情况。 1 、前言电力系统的供电可靠性关系到国计民生，如何有效地保障电力系统的安全、可靠运行一直是电力部门的一个重要课题，而高压设备的安全运行是整个系统安全运行的基础。高压电 气设备在电网中运行时，如果其内部存在因制造不良、老化以及外力破坏造成的绝缘缺陷，会发生影响设备和电网安全运行的绝缘事故。因此，在设备投运后， 传统的做法是定期停电进行预防性试验和检修，以便及时

2、检测出设备内部的绝缘缺陷，防止发生绝缘事故。但是，随着国民经济的发展，社会对电力供应的可靠性要求越来越高，电力系统也逐渐发展壮大，传统的定期停电进行预防性试验的做法已不能满足电网高可靠性的要求。随着科学技术的发展，提出了高压电气设备绝缘在线监测的概念，并得到业内人士的欢迎，其技术也得到了迅速发展。 2 、高压电气设备绝缘在线监测技术研究的发展概况、 国外许多电力公司从上个世纪 70 年代就开始研究并推广应用变电设备在线监测技术，主要目的就是减少停电预防性试验的时间和次数，提高供电可靠性。但当时的设备简陋，测试手段简单，水平较低。随着计算机技术的飞速发展，在线监测设备产品不断更新完善，在 线监测

3、技术水平不断提高。到目前为止， 许多国家已广泛使用线监测技术手段。在近几年来召开的历届国际高电压技术学会（ ISH ）及亚洲绝缘诊断会（ ACEID ）上，有关电气设备绝缘在线监测与状态检修方面的论文占有相当大比例。绝缘在线监测技术的发展大体经历了 3 个阶段。（1）带电测试阶段。这一阶段起始于 70 年代左右。 当时人们仅仅是为了不停电而对电气设备的某些绝缘参数 （如泄露电流）进行直接测量。设备简单，测试项目少，灵敏度较差。（2）从 80 年代开始， 出现各种专用的带电测试仪器，使在线监测技术从传统的模拟量测试走向数字化测量， 摆脱将仪器直接接入测试回路的传统测量模式，取而代之的是使用传感器

4、将被测量的参数直接转换成电器信号。（3）从 90 年代开始，随着计算机技术的推广使用，出现以计算机处理技术为核心的微机多功能绝缘在线监测系统。利用计算机技术、 传感技术和数字波形采集与处理技术，实现更多的绝缘参数在线监测。这种在线监测信息量大、处理速度快，可以对监测参数实时显示、储存、打印、远传和越线报警，实现了绝缘在线监测的自动化， 代表了当今绝缘在线监测的发展方向。到目前为止，大量的在线监测的技术已经在电力系统设备缺陷检测中得到广泛应用，并有了一定的经验。如变压器油在线色谱分析、电气设备的红外测温技术等已经非常成熟，并在检测设备的绝缘性能中发挥了重要的作。第 1 页 2011-2-24 在

5、国内， 在线监测技术的开发与应用始于上世纪 80 年代。由于受当时整体技术水平的限制，如电子元件的可靠性不高，计算机应用刚刚起步，当时的在线监测技术水平较低。 80 年代末曾在国内掀起了第一个应用高潮，后来由于种种原因又漫漫冷了下来，90 年代中到 期处于一个低落时期，但是一些厂家和科研院校并没有放松对该项技术的研究，各地的供电部门也陆续引入在线监测技术。 2000 年后，到 随着在线监测技术的不断成熟及客观的需要，在线监测技术又开始重新被大家所重视，目前， 在国内很多地区都开展了这项工作。 3 、基本原理、 3.1 基本原理高压电气设备绝缘在线监测技术是在电气设备处于运行状态中，利用其工作电

6、压来监测绝缘的各种特征参数。因此， 能真实的反映电气设备绝缘的运行工况，从而对绝缘状况作出比较准确的判断。高压电气设备绝缘在线监测主要检测参数是电气设备的介损值，其测量原理大都使用硬件鉴相既过零比较的方法。目前的绝缘在线监测产品基本都是用快速傅立叶变换（ FFT ） 的方法来求介损。取运行设备 PT 的标准电压信号与设备泄露电流信号直接经高速 A/D 采 样转换后送入计算机，通过软件的方法对信号进行频普分析，仅抽取 50HZ 的基本信号进行计算求出介损。 这种方法能很好地消除各种高次谐波的干扰，测试数据稳定， 能很好地反映出设备的绝缘变化。对于设备物理量（如变压器油温、气体含量等） 的在线监测

7、则是通过置放传感器探头的方法采集信号，并转换成数字信号送入计算机分析处理。 3.2 系统的一般功能近几年研制的高电压设备绝缘在线监测系统既能对带电设备的绝缘特性参数实时测量，又能对获取数据进行分析处理。一般具有以下功能： (1) 测量避雷器在运行中的容性电流和阻性电流变化情况，掌握其内部绝缘受潮以及阀片老化情况。 (2) 测量 CVT 、耦合电容器、 电流互感器、 套管等容性设备的泄漏电流和介质损耗，掌握其内部受潮和绝缘老化及损坏缺陷。 (3) 测量充油设备绝缘油的内部可燃性气体变化情况，掌握设备内部有无过热、放电等缺陷情况。但对整套在线测量系统来说，要保证其测量准确、性能稳定，其必须达到以下

8、性能： a. 检测阻抗稳定，不受变电站强电磁干扰的影响，在系统操作过电压、雷电过电压作用下具有自保护性，不发生性能变化和软件损坏现象。 b. 检测信号传输好，不发生失真和对其附近的其他信号有影响，同时也不受其他信号的干扰。 c. 具有专家分析功能，智能化判断设备内部绝缘状态。d. 系统分析数据能够远程传输，实现数据共享。 4 、监测设备要点分析、 4.1 避雷器目前变电站使用的氧化锌避雷器绝大部分不再有串联间隙， MOA 运行期间总有一定的泄漏电流通过阀片，加速阀片老化；而受潮和老化是 MOA 阀片劣化的主要原因。检测第 2 页2011-2-24 MOA 泄漏全电流和阻性电流能有效地反应 MO

9、A 的绝缘状况， 在电流测量反映整体严重受潮现象，早期老化时阻性电流增加较多，全电流变化则不明显。在正常运行情况下，流过避雷器的主要电流为容性电流，阻性电流只占有很小的一部分，约为 10%-20% 左右。阻性分量主要包括： 瓷套内、外表面的沿面泄漏，阀片沿面泄漏及其本身的非线性电阻分量，绝 缘支撑件的泄漏等。当阀片老化、避雷器受潮、内部绝缘部件受损以及表面严重污秽时，容 性电流变化不多，而阻性电流却大大增加。避雷器事故主要原因是阻性电流增大后，损耗增 加，引起热击穿。 所以测量交流泄漏电流及其有功分量是现场检测避雷器的主要方法，预防 性试验规程也将氧化锌避雷器（ MOA ） “ 运行中泄漏电流

10、” 的测量列入预试项目。 4.2 CVT 、耦合电容器、电流互感器、套管等容性设备测量 CVT 、耦合电容器、电流互感器、套管等容性设备介质损失角正切值是一项灵敏度很高的试验项目， 它可以发现电气设备绝缘整体受潮、绝缘劣化以及局部缺陷。绝缘受潮缺陷占用电容型设备缺陷的 85.4% ，这是由于电容型结构是通过电容分布强制均压的，其 绝缘利用系数较高，一旦绝缘受潮往往会引起绝缘介质损耗增加，导致击穿。绝缘最终击穿的发展速度非常快，然而绝缘劣化一般具有以下一些基本特征： (1) 绝缘介质损耗值会增加，由此以及其他原因产生的热量最终可能导致绝缘的热击穿。测量绝缘损失角正切值（ tg ）可以检测介质损耗

11、的变化。 (2) 绝缘中可能伴随有局部放电和树枝状电的发生。放电量很大的局放通常只是在有雷电或者操作过电压存在以及绝缘损坏的过程中才出现，通过 tg 测量可以反映由此产生的介质损耗。 (3) 绝缘特性受温度变化的影响增大。绝缘温度系数决定于绝缘本身的型式，大小和绝缘状况，对于特定的电压等级和绝缘设计，由于绝缘劣化导致温度系数的增加， tg 值的温度非线性和灵敏度都会增加。因而，影响绝缘温度的所有因数（介质损耗、 环境温度、 负载变化等）对于老化的绝缘 tg 值的影响都更加显著。对于具有电容式绝缘的设备，通过其介电特性的检测可以发现尚处于比较早期发展阶段的缺陷。 研究表明， 在缺陷发展的起始阶段

12、，测量电流增加率和测量介质损耗正切值变化所得的结果一致， 都具有很高的灵敏度；在缺陷发展的后期阶段，测量电流增加现象和电容变化的情况一致，更容易发现缺陷的发展情况。 5 、案例介绍、 以 500kV 潍坊变电站高压设备状态监测系统为例，介绍其安装及运行情况。500kV 潍坊变电站高压设备状态监测系统自 1988 年投运， 投运之初系统不完善，且部分高压设备实际并未接入运行，造成运行不可靠，没有发挥应有的作用。 2001 年我们投资对系统进行改造， 安装了一套 CIE 2000 型绝缘在线监测系统。 5.1 系统介绍（1） CIE 2000 型绝缘在线监测系统分三大部分。第一部分是就地信号采集单

13、元，第 二部分是前台处理系统，第三部分为远程数据分析和传输系统。前台处理系统通过工业总线控制就地信号采集单元，用多种形式显示， 直观对比当前与历史数据曲线，并由内部局域网或向远程数据分析和传输系统传送。诊断软件通过 WEB 远程下载变电站当前、历史数据，并可接入山东电力超高压公司 MIS 系统，协助有关专业人员作出评估及管理。第 3 页 2011-2-24 电压信号传感器，电流信号传感器，电压信号，绝缘泄漏，电流信号，A/D 转换， FFT 算法，测试箱工控机，本站 CRT，电话，控制器， MODEM，CIE2000 后台系统（2）根据终端板放置在不同的位置可分为总线式和分线式。总线式是指终端

14、板放置于终端箱内， 并安装在现场， 信号箱输出电缆都接于终端板内，只须 n 根总线引到主控室，使主控室中机屏更整齐，节省了电缆。分线式是指终端板装于主控室中的机屏里，电缆都要从现场引入主控室的机屏断子排，再引入终端板。 （ 3 ） CIE 2000 型绝缘在线监测系统的测试精度一次泄露电流： 1% 系统电压：1% 避雷器全电流： 5% 5.2 全面升级改造主机柜 2001 年初， 500kV 潍坊变电站高压设备状态监测系统升级改造开始施工，安装了 CIE 2000 型绝缘在线监测系统。主机柜内含计算机（工控机）系统、信号输入 / 处理、电源等部件，工控机是控制测量核心部件。将主机柜设备全部更新

15、换代，更换工控机为 PENTIUM III800SIC 级，基本满足全站数据检测、处理和存储要求；更换前台主机为 CPU586 ，内存 16M ，显示内存 1M ，硬盘容量 1G ；工作软件使用新开发 CIE2000 系 统。 5.3 更换所有探头传感器传感器分为绝缘信号传感器和电压信号传感器，它在系统中起着获取、变换信号的关键作用，因为它的性能优良好坏直接决定检测系统品质。将其全部更换为全环氧浇注且带铁壳屏蔽的 ISS-80 型，末屏接地线一并更换大截面多股线。注意在安装信号抽取箱时，使信号抽取箱安装后前部比后部略高，以防积水进入；信号抽取箱接地要用 10 号钢筋焊接接地，保证其接地可靠。

16、5.4 敷设铠装屏蔽电缆将原有电缆更换，重新敷设六芯铠装屏蔽电缆，电缆头加装高强度绝缘护套，既防鼠、 防机械损伤，又抗干扰、整齐美观。 5.5 连接调试在整个安装施工阶段，须注意要有良好接地系统， 接地线要有足够的流通容量。整个系统设备安装完毕，进入联机调试试运行阶段。对即时出现不正常状态及时进行调机处理，如 发现 1# 主变 B 相接地电流超标报警，用钳形表实际测量设备正常，后发现是一相探头出问题，马上进行改正。 经过反复调试比较，经过一周时间的试运行后，装置趋于稳定。 下图是 1# 主变 500KV 避雷器的信号传输图，可以看出通过图象、数据都可进行设备运行分析，并且实现了自动检测、人工判断双轨并行。5.6 系统特点 (1) 信号采集单元设计原理设备等值电容： 1.5% 频率： 0.05HZ 介损测试精度： 0.1% 避雷器有功电流： 10% 第 4 页 2011-2-24 采集单元就地采集所监测设备的电压、末屏电流等信号并进行数据处理，求得其幅度、相位等参数， 进而在上微机可计算介质损耗