特高压变电站在线监测系统的实践与分析

常勇，谢佳妮，张雍赟

(1.国家电网公司运行分公司，北京市，100052;2.国家知识产权局专利审查协作中心，北京市，100190)

0 引言

目前我国电网骨干网架以500 kV交流和±500 kV直流系统为主，使得进一步增加电力输送能力和规模受到严重制约，以1 000 kV级交流和±800 kV级直流系统为核心的特高压骨干电网建设，是实现“西电东送、南北互供、全国联网”战略目标的必由之路［1-5］。1 000 kV晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程于2009年1月正式投入商业运行，3个变电站内一次设备包括特高压主变、调压补偿变、线路并联高抗、气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear，GIS)。特高压工程电压等级高、现场运行环境复杂，其绝缘部分缺陷及劣化将会对电网的安全运行产生不可估量的影响，特高压主变高抗核心设备如果因故障损毁，经济损失巨大。为此，特高压变电站主设备加装了相对完备的在线监测系统，搭建了可靠的故障检测与诊断平台，有助于提前发现危害设备运行的潜伏性故障，防止突发性事故的发生，并为今后实现状态检修提供了必要的技术支持。在线绝缘监测系统在国内的应用已有先例，但应用效果及经验尚需总结，本文将介绍特高压工程绝缘在线监测系统的结构，并结合实际运行经验就其应用提出意见。

1 在线监测系统的概念

随着电网容量的增大，高压电气设备的数量不断增加，传统的预防性试验及检修已不能满足电网的运行要求，状态检修势必成为新的运行维护方式的核心理念。同时，由于高压电气设备的绝缘老化是一个累积和发展的过程，在很多情况下预防性试验已无法发现设备潜在的缺陷。因此，高压电气设备绝缘在线监测系统可以对反映电气设备绝缘特性的关键对象进行在线、实时以及长期的监测，从而在不影响电气设备正常运行的前提下，对电气设备绝缘老化趋势进行评估和诊断［6］。

目前，高压电气设备绝缘在线监测采用的方法有绝缘油在线色谱分析、交流泄漏电流、介质损耗角正切、局部放电及放电位置监测、电容型设备电容值和绝缘子动态污秽等，通常对以下几类设备进行在线监测［7］。

(1)电容式电压互感器(capacitor voltage transformer，CVT)、耦合电容器、电流互感器、套管等容性设备。目前，测量CVT、耦合电容器、电流互感器、套管等容性设备的在线监测技术已日渐成熟，也取得了很多的应用效果。主要测试项目有介质损耗、泄漏电流、电容量、三相不平衡电流等。

(2)变压器。变压器的绝缘状态通常用以下几个电气特征量来表示:油中溶解气体、局部放电量及放电位置、介质损耗值、泄漏电流和设备电容值等。变压器油中气体浓度需要检测浓度的气体包括H2、CH4、C2H4、C2H2、C2H6、CO、CO2等 7 种气体。根据这些气体浓度，可评估变压器的绝缘状态。为了更准确地判断故障类型及故障元件，可将气相色谱法与电气试验结合起来，共同诊断设备所产生的故障。

(3)GIS。高压开关设备内部绝缘部分的缺陷或劣化、导电连接部分的接触不良等，使得其在事故潜伏期绝缘都可能产生放电现象，故可以通过对放电的监测得到相关绝缘状况。

(4)避雷器。检测金属氧化物避雷器(metal oxide arrester，MOA)泄漏全电流和阻性电流能有效地反映MOA的绝缘状况，目前一般采用对运行中避雷器的全电流或阻性电流进行监测的手段，并将所得数据与出厂及历史数据相比较，即可发现避雷器的绝缘缺陷。

2 特高压变电站绝缘在线监测系统结构

随着变电站自动化技术的发展，通过丰富的通信手段，绝缘在线监测系统可以将变电站内所有在线监测设备所采集的绝缘特性测量值综合到变电站绝缘在线监测工作站内，并对数据提供综合浏览、存储及分析服务，从而更全面地掌握变电站内电气设备的运行状况［8-9］。

晋东南变电站的各种在线测量装置采集现场状态量后，分别通过各种通信方式与1 000 kV继电器小室的NSC300通信控制器通信，由NSC300通信控制单元对监测数据进行规约转换，然后上送站控层绝缘在线监测工作站，由工作站完成对数据的处理和显示。绝缘在线监测系统单独组网，与变电站自动化监控系统网络彼此独立，其结构如图1所示［10］。

图1 1 000 kV特高压变电站绝缘在线监测系统Fig.1 Configuration of insulated online monitoring system for 1 000 kV UHV substation

3 变压器绝缘在线监测

3.1 TM8在线油色谱

TM8系列变压器油中气体色谱在线监测仪是华电云通原装进口美国Serveron公司的产品。TM8可以进行全面的变压器绝缘溶解气体分析(dissolved gas analysis，DGA)诊断，包括可以对8种关键故障气体成分(H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、O2)、油中水分、油温、环境温度、变压器负载等进行相关分析。TM8数据支持所有IEEE和IEC中的变压器故障诊断工具，能达到快速报警和对故障的演示进行分析，在诊断工具上使用在线DGA数据给出了新的视角。TM8系统工作原理如图2所示。

图2 TM8系统工作原理Fig.2 Operating principle of TM8 system

图2中变压器油在油箱内部进行循环流动。TM8监测系统在变压器油箱中部通过油泵抽取流动的油样，注入气体分离器，在分离器中通过毛细管束实现油中气体和真空空间的动态平衡，并且在油压作用下油样一直处于流动状态。气体被气路部分的微泵抽入注入池，通过和载气混合，并在载气的压力下推入色谱柱。从色谱柱分离出来的各种气体进入热导池进行定量监测，监测结果通过微控制器进行就地数字转换，并进行外部通信上传。

通过对油中气体色谱分析、变压器负载以及环境度的定时测量可以实现产气与外部事件的关联。对所有关键故障气体的连续测量可以给出变压器故障的早期预报，避免发生变压器事故，减少非计划停电次数。通过长期、全面的在线监测积累足够的信息，使持续的变压器状态评估成为可能，进而形成专家知识库，最终实现状态检修降低维修成本。现场安装的TM8监测终端如图3所示。

图3 现场安装的TM8监测终端Fig.3 Field installation of TM8 Monitor terminal

3.2 TMB套管绝缘在线监测设备

该设备主要监测高压设备套管、高压电容式电压互感器、高压电流互感器、耦合式电容器。采用高性能单匝穿心式微小电流传感器技术，测量高压套管的介质损耗、等效电容与泄漏电流等参量。利用高灵敏度电流传感器，不失真地采集套管末屏对地电流信号，同时从相应的PT取得电压信号，通过对数字信号的运算和处理，得出介质损耗和等效电容量等信息。最终利用专家系统分析、判断、预测套管绝缘的健康状况。

TMB系统的安装不改变原有电力设备的接线、接地模式，监测系统和电气系统只有磁联系，没有电联系，不会对一次系统造成任何干扰和影响。同时系统具备自校准功能，在规定的时段内主动校准由于硬件电路老化、温度变化带来的误差。系统同时具备多路PT信号采集，使得系统在计算介损和电容值时，有效避免了以往采取的单一PT信号以及现场取用220 V电源信号做参考时带来的误差。同时PT信号数字化传输到各个计算节点，有效抑制了监测系统对PT的负载效应。TMB系统工作原理如图4所示。

图4 TMB系统工作原理Fig.4 Operating principle of TMB system

3.3 GIS绝缘在线监测

GIS绝缘在线监测设备采用的是日本东芝公司的NCT装置。该装置通过安装在GIS设备内部的多个传感器，采集GIS开关触点电流、触点损耗、触点温度、绝缘气体温度和气体压力，并根据采样值发送相应告警信息。同时，该设备还记录GIS设备每次开关动作信息。

GIS设备的设计理念是免维护的，然而实际运行中由于设备制造、运行环境等原因GIS的设备故障并不少见。因此实际运行中对于GIS设备在每次大修中仍会开展一些检修工作。如果能够充分利用GIS在线检测系统，实现设备状态检修，对于设备健康水平和减少不必要的重复性工作大有益处。

4 运行实际经验

特高压主变及高抗是整个变电站内最重要也是最昂贵的设备，运行单位从防止重大停电事故和设备损失的角度出发，尤其重视对主变高抗的绝缘监测。实际运行经验表明，如果使用维护得当，并结合一段时间的运行经验，主变高抗的绝缘监测系统对于主变高抗内部绝缘故障的早期诊断发现有重要作用。特高压变电站某台高抗的故障处理过程很好地佐证了这一观点。图5～6是该高抗投运后一段时间内C2H2在线监测的纪录结果，图5～6中采样检测间隔为10 min。其中A相高抗在投运后的很长时间内C2H2含量很低，在1 mg/ml以下。但是在第3 784个采样点附近可以明显观察到C2H2含量有一个突然的跃变，测量数值跃变为3 mg/ml。而将A相与B相监测结果相比较可以看出，随着运行时间的增加，B相高抗C2H2含量基本稳定在0值附近。检修人员对高抗A相进行了色谱取样分析，分析发现高抗的色谱数据确实发生了突变(由之前的1.29 mg/ml变为3.12 mg/ml)，利用三比值法对色谱数据进行分析，高抗A相的比值为“1，0，2”，为低能量放电。

这次故障的处理过程中，在线绝缘监测系统发挥了显著的作用，实时连续的监测结果虽然在测量精度上有一定局限，但是足以作为故障趋势判断的依据。结合离线的精确油色谱分析可以迅速准确地进行故障判定，避免故障扩大、损坏在运设备、破坏系统安全运行。

5 结语

特高压交流试验示范工程一次设备加装了完善的在线监测系统，特别是变压器在线油色谱仪对于及时掌握变压器运行健康水平、及早发现设备故障发挥了良好作用。 本文介绍了特高压长治站的在线监测系统的总体结构，详述了在线监测各分系统的结构及原理。结合实际运行经验，分析了一次故障处理过程中主变高抗在线监测系统发挥的故障前期预警功效，为在线监测系统的推广应用积累了经验。

［1］刘振亚.特高压电网［M］.北京:中国经济出版社，2005.

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