变电站电力设备电气绝缘综合在线监测方案设计与研究

刘 娜，陈金龙

（国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏 南京 211106）

0 引 言

变电站是整个输变电系统运行过程中的关键环节，能够实现对电网的全面监控。近年来，随着电气系统中相关技术的发展和进步，生产力水平不断提高，社会用电需求也逐渐提高，优化变电站电力设备电气绝缘综合在线监测方案成为电厂和相关管理部门中重点关注的问题，也是整个电力行业发展的关键因素。

1 变电站电力设备绝缘监测特征典型参数

变电站中的设备较为复杂，其安全维护和设备管理过程十分繁杂，对工作人员的要求较高，需要严格遵守规章制度，按照相关的规定进行设备维护和检测工作。当前，气体绝缘组合电器得到广泛的应用，为了高效设计和优化变电站电力设备电气绝缘综合在线监测方案，需要明确变电站各电力设备的监测特征参量，如表1所示[1]。

表1 变电站电力设备绝缘监测特征典型参数

2 变电站各电力设备电气绝缘在线监测方案

2.1 电力变压器

电力变压器是变电站电力设备的重要组成部分。目前，变电站对油浸式电力变压器采用的监测方法比较多，包括微量水分在线监测法、微量水分局部放电监测法、油中溶解气体色谱分析法。微量水分在线监测法主要反映油的受潮程度，微量水分局部放电监测法主要检测绝缘纸的过热程度，油中溶解气体色谱分析法主要区分放电类型和油过热类型[2]。由于微水量的局部放电监测能够反映电晕、油中气体放电等缺陷，本文以微水量局部放电测量法为探讨对象，来说明电力变压器的绝缘监测设计方案。

通过对局部放电测量方案进行分析，需要有效利用射频电流传感器，分别在三相末屏接地线与铁芯接地线或中性点接地线耦合局部放电信号，实现射频法测量。为了减少外部干扰，还要运用高速数据采集卡对各单元信号进行同步采集，通过软件实现调幅调相和差动算法，剔除外部干扰信息。将宽频带的微带天线局部放电耦合传感器分别安装在适宜的监测点上，便于接收变压器上的电磁波信号，利用示波器实现4路信号的同步触发采集[3]。电力压器监测方案如图1所示。

图1 电力压器监测方案

2.2 电力电缆

电力电缆是变电站的动力引出线，具备可靠安全和隐蔽耐用的优点，主要由绝缘层、导电线芯与护套组成。以交联聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene，XLPE）绝缘电缆为例，在该电力电缆绝缘监测方案中，借助电阻测量的方法来检查电缆绝缘的老化性问题，采用主绝缘tanδ值有效反映受潮和水树恶化等缺陷。在外护套的绝缘电阻测量中，需要断开铠甲层接地线，从接地线位置接入低压直流电源，进而测量外护套绝缘所泄露的电流，同时折算绝缘电阻[4]。电阻试验要对电缆连段进行接线与屏蔽，如图2所示。

图2 电缆绝缘电阻接线及屏蔽方法

一般情况下，主绝缘电阻的测量主要依托直流叠加法。将低压直流电源与电缆主绝缘上的交流电压进行叠加，这一步操作的目的是实现监测主绝缘的nA级直流泄漏电流，然后再折算出其相应的绝缘电阻值。主绝缘tanδ值的测量是以坡莫合金的泄漏电流传感器为主要测量工具，绝缘良好的情况下介质损耗角很小。具体操作是将在电压互感器处获取的电源电压与交流泄漏电流值进行对比，通过求取其相位差来计算主绝缘tanδ值。

为了更好地获取局部放电信息，需要采用较高的采样速率，通常以20 MS/s为主。局部放电信号经调理后送至前置工控机上的数据采集卡或者是前置智能单元进行处理和采集，完成对数据以及智能单元运行状况的采集，同时将射频罗氏线圈传感器与其进行耦合，便于捕捉和处理更完善的局部放电信息[5]。

3 综合在线监测方案设计

相较于单一的电力设备在线监测，当前国内外实施的综合在线监测技术与方案更加复杂，涉及到集成监测系统的开发和信号采集、分类与模拟等。利用各种监测技术、高新科技、信息传播技术等促使监测环节更加完善，主要包括前置机系统设计、主控机系统设计、监测系统硬件设计以及监测系统软件设计等。

3.1 前置机系统设计

电力设备的监测应使用分级集成方式，划分在线监测设备区域，通过面向仪器系统的PCI扩展（PCI eXtensions for Instrumentation，PXI）的前置机系统来对各个单元中的电力设备进行监测与控制。通过交换机的运作，实现多个电气设备的绝缘参量综合在线监测。在前置机系统中，PXI总线前置机与数据库服务器的运行至关重要，通过PXI总线前置机系统中的接口模块、机箱与硬件采集模块等设备，计算出绝缘参量特征的具体数值后，再将这些数据存入数据库，然后发送至监控站，以保证绝缘数据的时效性[6]。

3.2 主控机系统设计

综合监测设计方案中的主控机系统包括交换机、计算机以及全球定位系统（Global PositioningSystem，GPS）卫星时钟等，这些电力设备能够对变电站的综合绝缘状态特征值进行实时监测与管控。主控机系统的运行是以PXI系统的绝缘数据信息为前提，数据库作为连接2者的中转站，将查询到的绝缘状态数据作为电气设备运行状态的判断依据。如果参量数据超过系统预设的报警阈值，相关工作人员就会第一时间注意到故障的出现，便于及时采取措施补救。与此同时，通过在线监控系统还能够查询任意时间段中某设备的绝缘参量数据，利用计算机技术绘制出绝缘参数趋势图。主控机监控系统通过网络通信来转变PXI系统信号的采集方式，改善局域网GPS系统的对时操作。

3.3 监测系统硬件设计

前置机系统主要包含PXI总线的前置单元与设备智能监测点，通过安放在变电站工作现场附近的前置单元与设备智能监测点进行数据采集和处理工作。主控机系统会对前置机的监测数据进行管理及查询，当主控机对多台前置机进行管理时，需要接入相应交换机进行联网通信。将系统操作及监测数据进行关联分析，接入GPS卫星时钟，同时还要设计常规电源的隔离变压器与后备不间断电源，以加强监测系统的科学性。

3.4 监测系统的软件设计

监测系统的运行不仅依靠过硬的硬件技术，还要融合软件管理技术，以此来保障监测系统的高效运行。变电站的电力设备复杂、参量特征较多，进行综合在线监测时要以即插即用作为主导思想，对每种设备参数的测量模块软件进行集成技术实现。根据功能的不同来划分监测软件系统，以满足前置机、主控机以及数据库系统的需要。软件系统集成过程中，要遵循结构合理、延伸空间大、操作简便等原则。

首先要分析电力设备及其子系统模型，用扩展标记语言（eXtensible Markup Language，XML）格式来存储系统信息，将子系统中真实的动态运行状态记录下来，再利用树视图系统搭配模型-视图-控制器（Model-View-Controller，MVC）设计系统来监测子系统中的节点信息。其次，要克服连续监测环节中的冲突控制问题，以实现对多个电气设备的在线连续监测。再次，利用用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）的双机通信协议来管理PXI子系统，用1台监控系统对多台电力设备同时进行管理，克服系统集成的多机通信问题。最后，开发NET软件平台，改善监测软件系统环境，提高监测软件的集成能力和在线监测数据的准确性，保障电网运行的安全经济性。

4 结 论

变电站电力设备是电力系统中的重要组成部分，其运行质量影响着整个电网的运行效果。电力设备电气绝缘情况在线监测工作比较复杂，专业性要求高，涉及到诸多相关机械原理和设计方案，为了防止变电站电力设备出现故障，需要优化设备电气绝缘综合在线监测方案。此外，变电站电力运行维护工作人员要不断提高自身的专业素质和实际操作技能，通过高质量的在线监测和运行维护保证电力设备的运行安全性。