电力设备在线监测技术的应用

● 山东日照港股份动力公司 李晓峰

在线监测是一种监测设备运行特性的技术或过程，通过提取故障特征信号，分析判断被监测特性的变化或趋势，及时准确掌握设备运行状态，保证设备安全、可靠和经济运行。

1 电力变压器在线监测

1.1 温度监测

（1）独立式电阻传感器测温。独立式电阻传感器测温主要用于变压器上层油温的测量，其采用热电阻作为测温元件，利用金属导体的电阻值随温度变化而改变的特性来进行温度测量。

（2）压力式温控器测温。压力式温控器由充满感温物质的温包、传压毛细管及盘簧管构成。测温时,温包置于被测介质中，温包内的感温物质因温度升高，其体积膨胀，压力增大，从而使盘簧管变形，借助齿轮或杠杆转动机构传动，由指针指示出相应的温度值，同时驱动微动开关输出电信号。

（3）含复合式传感器的温度指示控制器测温。复合传感器的温度指示控制器是在压力式温度控制器温包结构上增加一套热电阻装置。

温度遥测方式常见有2种形式：一种是将Pt100铂电阻信号从温控器的接线上引出，通过控制电缆将温度信号远传到数百米远的控制室里，经温度变送器转换为电压或电流输出方式；另一种是在油温指示控制器内嵌装一个温度变送器，直接输出电压或电流信号, 这些信号再送至模拟量数据采集装置进行数据处理，处理后的数据送监控机计算。

（4）绕组温控仪测温。绕组温控仪采用热模拟方法间接测量变压器绕组温度，由变压器上层油温和变压器加载的电流所来反映。

1.2 油中气体分析监测

油中气体分析法是含油设备绝缘监测最常用的方法之一。由于设备内部不同的故障会产生不同的气体，如电弧会产生乙炔气，而过热的纤维将产生碳氧化物，因此，通过分析油中气体的成分、含量和相对百分比，就可达到对设备绝缘诊断的目的。

工作原理：安装在现场的油泵将变压器油循环引入油气分离模块进行脱气，分离出来的气体进入气体检测模块，在载气的作用下，使得混在一起的多种气体按照特定的顺序逐一进入传感器单元，传感器单元配置有高灵敏度的气体检测器，实现对气体信号的检测。集成在装置中的数据处理模块实现对信号的定量分析，并计算出各个组分气体含量，数据同谱图一起上传至专家诊断系统。

这种油色谱分析法维护工作量较大，需要更换载气、定标校核等。另外，还有一种光声光谱法多组分监测仪也可以实现对油中气体的分析。

1.3 局部放电监测

局部放电指绝缘结构中由于电场发布不均匀、局部电场过高而导致的绝缘介质中局部范围内的放电或击穿现象，虽然对于局部放电来说，其能量密度不大，但如果进一步的发展，将会形成放电恶性循环，最终导致设备击穿、损坏，从而引起更大事故。

（1）超声波检测法。超声波是通过检测电力设备局部放电产生的超声波信号来测量局部放电的大小和位置，在实际检测中，超声传感器贴在变压器的油枕壁上。

（2）常规脉冲电流法。局部放电过程中会伴随着电荷的迁移，迁移电荷可在外围测量回路中产生脉冲电流，因此通过检测该脉冲电流便可实现对局部放电的测量。常规脉冲电流法通过检测阻抗或电流传感器，检测电力设备及部件内部由于局部放电引起的脉冲电流信号，获得视在放电量。

（3）宽频带脉冲电流检测法。脉冲电流法是通过检测阻抗、检测变压器套管接地线、铁芯接地线、外壳接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流来获得放电量，该方法是常规脉冲电流法在频率范围上的展宽。

（4）超高频检测法(UHF法)局部放电检测。绝缘故障往往伴随着局部放电现象，产生脉冲电流，电流脉冲上升时间及持续时间仅为纳秒(nS)级，该电流脉冲将激发出高频电磁波，其主要频段为0.3～3GHz。UHF法采用超高频传感器测量电磁波，然后根据接收的信号强度来分析局部放电的严重程度，这是目前较新的一种方法，可以带电连续监测，测量方法不改变设备的运行方式，抗干扰能力强。

1.4 铁心接地电流监测

变压器正常运行下铁心一点接地，并且接地电流很小，只有几毫安；但是当出现变压器铁心发生接地故障时，受环流影响，铁心接地电流增大，通过采用零磁通电流传感器可以有效地监测铁心接地电流大小，将信号引入信号采集板，可以实现铁心接地电流的实时监测以及信号传输。

2 高压断路器在线监测

2.1 断路器机械系统监测

机械系统监测的内容有：行程—时间曲线，分、合闸线圈电流—时间曲线，断口位置、辅助节点位置，分、合状态，行程、分合速度、超程、过冲、反弹、不同期性等参数，分合时间，控制回路操作电压，线圈电流、功耗等。

2.2 储能机构在线监测

监测储能机构电流—时间曲线，电流幅值，电流启动冲击值、持续时间，启动次数，储能状态等。

2.3 断路器触头电寿命监测

影响触头寿命的因素，包括灭弧室、灭弧介质和触头3个方面，其中起决定作用的是触头电磨损。目前对触头电磨损的监测普遍采用基于断路器的电寿命曲线的开断电流加权累积法，但由于该方法没有考虑断路器运行时三相之间的差别和燃弧时间的因素，误差会较大。

2.4 断路器动静触头温度在线监测

温度监测分人工手持红外设备巡检、采用分布式光纤测温及在线无线测温方式，后者目前应用较多。无线测温系统通过对断路器动静触头等电气设备节点的温度连续监测，实现故障的早期报警。当发生过热故障时，及时报警并指明故障点位置，以保证电气设备可靠运行。

2.5 GIS局部放电在线监测

GIS中有可能出现的绝缘缺陷有：固定缺陷、GIS腔体内可以移动的自由金属微粒、传导部分的接触不良、绝缘子制造时造成的内部空隙、闪络引起的表面痕迹和因电极的表面粗糙或是来自制造时嵌入的金属微粒等。

其局部放电监测一般有外部电极法、接地线电磁耦合法、绝缘子中预埋电极法、超高频检测法。

2.6 SF6放电分解气体监测

（1）气相色谱法，可以对 SOF2、SO2F2、SO2和 CF4进行检测，但不能检测HF和SOF4，并且色谱进样的特性决定了检测时间较长，不能做到连续在线监测，不适于现场在线监测应用。

（2）检测管法，目前实用的仅有HF、SO2检测管，检测精度可达1ppm，但其易受温度、湿度、存放时间影响，存在交叉敏感问题，且不适合作为放电的在线监测。

（3）化学分析法，仅能测定分解气体中可水解氟化物及酸度，对分解物的类型和浓度无法判断。

（4）红外吸收光谱法，它能检测 SOF2、SO2F2、SO2、SF4、SOF4、H2O和CF4，但SF6会影响其它气体的吸收，有交叉干扰现象；红外光源强度低，检测器灵敏度低，定量精度不足。

2.7 SF6泄漏在线监测报警系统

检测SF6开关室、组合电器室（GIS室）、SF6主变室等环境空气中SF6气体和氧气含量，当环境中SF6气体含量超标及浓度或缺氧时能实时进行报警，同时自动开启通风机进行通风。

2.8 微水在线监测系统

实时监测SF6气体中水分含量等指标，实现就地显示、数据远传、数据分析等众多功能。

3 容性设备在线监测

容性设备包括电流互感器、电容式电压互感器、变压器套管和耦合电容器，主要监测方法是使用穿芯式零磁通传感器对末屏电流进行测量，计算介质损耗和等值电容。

4 电缆状态在线监测

在运行电压下对电缆绝缘等状态进行监测，监测电缆接地电流、对地阻抗、介损因数、电缆接头温度、电缆局部放电量等，进行全方位监视预警，提供检修参考依据，避免事故发生。目前较多利用暂态行波技术，采用电缆瞬时性暂态故障的行波特征对绝缘状况进行监测。

如果加上行波测距技术、行波选线技术进行电缆故障定位及选线，可以实现电力电缆的故障预警测距。

5 避雷器在线监测

在正常运行情况下，避雷器的主要电流为容性电流，阻性电流只占很少部分。当避雷器受潮、阀片老化、表面严重污秽时，容性电流可能变化不多，而阻性电流和三次谐波电流却大大增加，通过监测避雷器全电流、阻性电流及三次谐波电流可以全面反映避雷器的绝缘状态。

无线自诊断型避雷器可实现避雷器腔体内温度、湿度、过电压动作次数、过电压动作值、动作时间、过电压动作时长、相别及泄漏电流值监测。

6 直流系统在线监测

能够实时监控系统电压电流、对地电压、对地阻抗、接地检测、电池电压、充电电流、温度等参数，故障时发出报警，也可以增加电池内阻均衡模块，具备电池巡检、内阻测试、均衡管理功能，对蓄电池实时在线监控。通过设定电池充放电循环次数，对蓄电池进行活化等，解决串联电池组单体电压不均衡问题，延长蓄电池组使用寿命。

当前，在线监测技术发展迅速，甚至延伸到维护保养方面，陆续出现电力设备在线养护等方式。随着智能变电站的技术发展，在线监测在电力系统中的应用将会越来越广泛。