电力设备状态在线监测技术在炼化企业的应用

刘志良

（中科（广东）炼化有限公司）

0 引言

炼化企业是国民经济基础产业的重要构成部分，具有高温高压，连续生产等特点，其正常运作离不开机泵、变压器、变频器等电气设备的支持。由于炼化生产的连续性要求及大量电力设备的使用，使得其对电能供应具有很高的依赖性。而电气设备相互之间的联系相当紧密，如果某个元件发生故障，严重的情况下将会引起电力供应中断，造成重大的事故，威胁企业的安全生产。

降低电气设备故障率，提高供电系统可靠性是减少生产装置非计划停车，确保炼化企业安稳运行的关键。为了确保供电系统可靠运行，必须解决以下问题：①杜绝电力设备故障，减少非计划停车造成的重大经济损失，做到计划检修及维护；②在确保设备状况良好的情况下延长电力设备的维护周期，缩短维护时间，减少因设备维护对生产造成的影响；③通过采取有效的措施延长电力设备的使用寿命，避免频繁维修及更新，减少费用支出。电力设备状态在线监测技术的应用，为提前发现设备缺陷，及早采取措施，保证供电系统稳定运行提供了很好的帮助。

1 电力设备状态在线监测技术的优点

1.1 电力设备状态监测技术

电力设备状态在线监测是采用有效的检测手段和分析诊断技术，对运行状态下的变压器、发电机、电动机、电缆、断路器等电力设备进行在线监测，可以及时、准确地掌握设备运行状态，实时进行故障预警，保证设备的安全、可靠和经济运行。由于电力设备在线监测可以在不影响系统正常运行的情况下对设备直接进行监测，从而直接反映运行中的设备状态，相较于离线检测，在线监测更为及时、有效和可靠。

设备状态监测通常是采用特定的方法及技术手段对某种设备、某种故障进行监测。例如采用辐射传感来检测设备的发热、放电（发光），可判断过热与局部放电现象；采用声与振动传感，可检测设备机械结构系统及间隙放电的故障；采用表面电位变化或感应电流的检测可判断内部绝缘的完好程度等。随着传感技术与计算机技术的不断普及，电力设备的状态监测技术也在不断完善，自动化、智能化程度不断提高。采用微电子技术与传感技术对电力设备进行在线状态监测，可实现对电气设备运行数据的记录及故障判断。

1.2 电力设备数据的采集及监测

电力设备在线状态监测通常分为数据采集、数据分析及故障诊断等几个阶段。通常情况下，电力设备是封闭式结构，要监测电气设备的内部状态，需要将传感器安装在设备内部，通过传感器将采集到的信号数据传输到状态监测系统进行判断，以实现对相关设备的在线监测。为了在不影响电力系统稳定运行的情况下实现对在运电气设备的在线状态监测，所安装的传感器必须与带电部位进行可靠隔离。

为了掌握关键及重要电气设备的运行状态，可以对相应设备安装传感器，利用在线监测系统进行实时监测，该系统同时具备数据图表生成、故障设备跟踪、数据处理分析、维修单设备查询、远程维护、故障设备跟踪报警及事故记录等功能，可以在对设备进行监测的同时进行分析判断，对异常数据提前做出预警。

1.3 电力设备状态在线监测技术的优点

电力设备状态在线监测可以对设备运行状态进行实时监测，与传统监测手段相比，具有能够第一时间发现电气设备存在的问题，提前预知可能发生的故障，使相关人员提前做好各种应对措施，从而有效降低设备故障率，避免电力设备故障对供电系统的影响。采用在线监测技术，可以降低设备检维修次数，减少不必要的费用开支。

2 电力设备状态在线监测技术的应用

杜绝设备问题造成的非计划停工，确保装置的平稳运行，减少损失是企业努力追求的目标，电力设备状态在线监测技术所具有的优点使电力设备完全处于受控状态，是降低设备故障率，保证电力设备稳定运行的有效手段，在进行认真评估后，在部分重要电力设备上进行了应用。

2.1 在线局放及微水监测技术在GIS设备上的应用

GIS是气体绝缘全封闭组合开关设备的简称，该型设备利用SF6气体良好的绝缘性能，将断路器、隔离开关、接地开关、PT、CT、避雷器、母线、进出线套管、电缆终端等封闭的组合在一起，具有占地面积小，体积小，重量轻，安装方便，检修维护量小，故障率低，可靠性高等特点。在220kV及110kV系统中均采用此类设备，它们是企业电力系统的重要构成部分，负责相应电压等级的电能输送与分配。

GIS设备主要通过SF6气体实现绝缘及开关灭弧，其工作气压高低及微水含量直接影响设备的安全运行。SF6气体中的水分主要由两方面原因产生：①GIS设备装配过程中，有部分水气附着在设备表面，有部分是在充气过程中带入。②外部环境中的水分通过密封环节进入。如果水分超标，电气设备的绝缘强度将会明显下降，SF6气体中的水分还会参与SF6电弧分解反应，产生氟硫化合物，这些化合物与水反应会生成腐蚀性很强的氢氟酸、硫酸和其他毒性很强的化学物质。强腐蚀性的物质会对设备造成腐蚀，影响设备的使用寿命及安全生产，剧毒物质会对设备运行、检修人员的生命构成威胁。因此，掌握GIS设备中SF6气体的状况将有助于提高设备运行的可靠性，保证人员不受伤害。

GIS设备为全封闭结构，设备投运后，日常的巡检难以了解内部元件的运行情况，设备的绝缘缺陷往往难以发现，而运行设备存在的缺陷如果不能及时消除，状况会不断恶化，当缺陷的状况超过设备所能承受的极限后将会发展成为事故，带来灾难性的后果。通过对GIS安装在线监测系统，可以及时掌握GIS设备内部元件的运行状况，弥补日常巡检难以发现的问题。

采用在线监测系统对GIS设备进行局放及微水监测，如图1所示。局部放电在线监测主要通过超高频（UHF）在线监测技术，用于监测并分析气体绝缘组合电器（GIS）内部局部放电信号。GIS内局部放电产生的特高频（UHF）电信号能够在GIS中有效地传播，UHF信号在经过绝缘子时，可以通过绝缘子露出金属法兰的部位到达GIS外部，所以在盆式绝缘子外部可以测量GIS内部的UHF信号，实现局部放电监测和放电点定位。超高频局部放电检测技术，可有效抑制干扰，通过分布式的监测系统实现信号调理和采集，获得GIS局部放电信号及特征参数，通过测量放电信号的幅值、极性、放电相位、放电次数等表征参数，利用图谱分析，进行放电模式识别及故障类型诊断，观察和预测局部放电故障的发展趋势，故障信号及故障严重性报警，为绝缘状态诊断提供重要判据。

图1 在线监测系统构架图

SF6气体密度在线监测采用高分子薄膜电容式湿度和压力传感器，可以实现对SF6气体密度、压力、微水和温度的在线监测，主要技术指标如表所示。传感器从检测取气口通过专用转换接口与气室相连，具有DRYCAP自动校准功能，采用硬件温度补偿技术、软件补偿技术，减少误差，克服环境温度对实际测量的影响。

表 主要技术指标

通过对GIS安装在线监测设备，可以及时获得SF6气体密度、压力、微水和温度等运行数据，掌握设备运行状况，通过参数的变化及时发现各种缺陷，为及早采取措施赢得时间，避免事故的发生。

GIS局放、微水探头及设备如图3所示。

2.2 局放监测及油在线分析在主变上的应用

主变是炼化企业电力系统的重要设备，一旦发生故障将可能导致多套装置生产受到影响，其稳定运行是装置能够平稳生产的关键。主变主要利用绝缘油进行绝缘和散热，在运行电压下，油与浸泡其中的纸板等绝缘材料，会受电、热、氧化和局部电弧等多种因素的影响，分解出气体，气体形成的气泡不断溶解在油中，与油质结合以后，会使变压器油的色谱发生一定的改变，呈现出异样的颜色，当变压器出现故障时会产生更多的气体，油质颜色变化也会更加剧烈。变压器内部出现不同故障的情况下，会产生不同的气体，如果是局部放电，将会有氢气产生，如果是温度过高过热，将会产生乙烯，如果是电弧放电，将会产生乙炔等等。通过对变压器油进行采样分析，可以掌握溶解于油中的气体组分（检测的气体主要有CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2、CO、CO2等）、含量及产气速率，由此判断内部故障类型及严重程度。通常的色谱分析，是将现场采集的变压器油样送至检测点后采用色谱分析仪进行检测，通过检测分析，与正常指标值进行对比，提前发现变压器内部一些隐性故障。然而，传统的采样检测分析法存在一定不足：一是油在采集及运输过程中可能会对油样构成一定影响，造成检测结果存在一定偏差；二是每次采样都需要耗费一定人力物力，且分析费用较高；三是检测周期较长，变压器油不可能经常取样分析，发生在两次取样时间期间的内部缺陷未能及时发现，长期运行将会导致缺陷逐渐扩大，最终发生短路事故。

图2 GIS局放、微水探头及设备图

变压器油在线监测装置可以持续监测变压器油中的气体含量及微水含量，在气体或微水含量超过预设阈值时发出告警，提醒尽快抽取变压器油样做进一步分析，为及早采取措施，防止故障进一步扩大创造条件。油色谱在线监测示意图如图3所示。

图3 油色谱在线监测示意图

变压器油在线监测装置如图4所示。

图4 变压器油在线监测装置设备

为及时掌握变压器的运行状况，提高主变运行的稳定性，对主变加装了在线局放监测装置。目前，在线监测变压器局部放电的方法主要有7种：脉冲电流法、超声波检测法、射频检测法、气相色谱法、化学法、UHF法。我们使用的在线监测装置采用的监测方法为UHF法。UHF法是目前局部放电检测的一种新方法，该方法通过天线传感器接受局部放电过程敷设的UHF电磁波，实现局部放电的检测。该监测技术的特点主要是检测频段较高，可以有效地避开常规局部放电测量中的电晕、开关操作等多种电气干扰，检测频带宽，灵敏度很高，可以对故障类型进行识别和定位。

变压器局部放电监测系统的主要构成有：超高频天线传感器、噪音天线传感器、滤波放大模块、数字采集比较模块、工业控制计算机、高频电缆、机械附件以及专业分析软件等。通过扫描比较电平与局部放电信号进行电平比较，获取工频周期各相位区间超过比较电平的脉冲数。通过不同比较电平下的脉冲数值，可得到超高频局部放电信号的三维谱图。

变压器局放监测探头如图5所示。

图5 变压器局放监测探头

2.3 在线绝缘监测技术在电动机回路上的应用

电气设备的绝缘性能对电力系统的安全稳定运行非常重要，由电气设备绝缘性能下降而导致供电系统发生短路放电的故障占供电系统故障的很大比例。通常情况下，电力设备的绝缘老化是一个逐步发展的过程，根据运行环境不同，老化的时间也不尽相同。对电气设备进行定期交流或直流耐压试验，是检查设备绝缘缺陷的常用手段，但由于耐压试验属于破坏性试验，会对设备绝缘带来不可修复损伤，不断积累也会导致绝缘故障的发生。某些情况下，设备耐压试验合格并不代表设备状况良好，当进行耐压试验时，如果设备存在的绝缘缺陷还没有降低到耐压值以下，则缺陷并不能被发现，在设备投运后，随着缺陷部位的恶化，设备绝缘会逐渐降低，当达到击穿临界点时，便会发生短路故障，损坏设备，影响生产，给企业带来损失。

综上所述，单纯通过对设备进行定期试验发现设备缺陷存在一定的概率性，难以发现一些突发性的设备缺陷，设备发生故障的风险不能完全排除。如果对电气设备的绝缘状况进行在线实时监测，则可以随时了解设备的绝缘状况，掌握设备绝缘变化趋势，提前预知设备绝缘故障，采取有效的应对措施，避免绝缘故障的发生，提高供电系统运行的稳定性及可靠性。

炼化企业中有大量的转动设备，而这些设备大部分都是通过电动机进行驱动，一旦电动机出现绝缘故障而停机，将直接影响到装置的正常生产。降低电动机的绝缘故障率，可有效提高装置的生产稳定性，实现装置的安全生产。为了及时了解电机回路的绝缘状态，我们为重要电动机回路安装了在线绝缘监测装置。当前使用的在线绝缘监测装置采用直流叠加法的工作原理，此原理主要是将直流电压信号（DC1500~2500V）叠加在运行中的电气设备上，由于直流电压信号与交流电压工作于不同的频率，根据绝缘层对地通过的直流电流值换算出系统或电气设备对地的绝缘数值，实现对设备的在线监测。通过在装置面板上设定报警定值，当被测电机绝缘电阻值小于设定值时，装置面板上的红色LED指示灯会进行报警，同时，将报警信号输出至电气自动化系统，从而实现在线监测功能。在线绝缘监测装置工作原理图如图6所示，在线绝缘监测装置如图7所示。

图6 在线绝缘监测装置工作原理图

图7 在线绝缘监测装置

电动机在线监测系统，还可以对电动机的电压、电流、功率及功率因数、漏电流、转速及转矩、电压偏差及不平衡度、频率、温湿度、畸变率等全方位参数进行实时监测。包括①可以不间断地监测电机和负载的运行工况；②可以对电气故障、机械故障、负载缺陷（故障）全面监测和诊断；③经过评估后可以实现将定期维修转变为状态维修和预测维修；④提供故障早期报警，防止由于设备故障出现意外停机；⑤可以减少维修工作和成本，提高效率。

电动机在线监测系统如图8所示。

图8 电动机在线监测系统

3 结束语

设备状态在线监测系统实现了对重要电气设备运行状态的实时监控，智能系统对采集到的数据进行记录及分析，了解不同时间段相关参数变化的趋势，通过与正常数据对比，实时掌握设备的健康状况，预警各类故障出现前的征兆，从而采取有效的措施降低设备故障率。通过在系统的应用中不断积累经验，总结规律，把握设备最佳的检修时机，从而实现将定期维修转变为状态维修及预测维修，减少维修工作，节约大量的人力物力，降低维护成本，提高供电系统的稳定性及可靠性，为企业创造更大的效益。