摘要：变电站作为电网的枢纽，变电一次电气设备的安全稳定运行至关重要。因此对变电站内主要一次电气设备运行状态进行实时在线监测，对一次设备绝缘性能进行跟踪，采取相应的预防控制措施，对绝缘劣化程度较高的电气设备进行必要的检修整改，可以有效避免大范围内的电网停电事故的发生。本文主要阐述变电站内主变压器、高压断路器、电容型设备、氧化锌避雷器、GIS设备等一次设备在线状态监测与故障诊断的常用方法。
关键词：一次设备；状态监测；故障诊断
1 绪论
电气设备是电力系统的基本单元，电气设备安全可靠运行是保障电力系统稳定运行的前提。电气设备在运行中受到热、电、机械力、化学腐蚀等环境因素的作用，其性能将逐步劣化，最终将导致设备故障。而变电站作为电网的枢纽，其一次电气设备的安全稳定运行至关重要。因此对变电站内一次电气设备的运行状态进行实时在线监测，对设备绝缘性能进行跟踪，采取相应的预防控制措施，对绝缘劣化程度较高设备进行必要的检修整改，可以有效避免较大区域的电网停电事故的发生。
对变电站内主要一次设备进行有效的状态监测与故障诊断，可有效减少运行成本，同时可实现面向状态检修，提高供电可靠性，增强电力市场体制下的市场竞争力，另外对节约资源增大产出都有很好的指导意义。下面主要本文主要阐述变电站内的主变压器、高压断路器、GIS设备、电容型设备、氧化锌避雷器等一次设备状态监测与故障诊断的常用方法。
2 主变压器状态监测与故障诊断的方法
主变压器是变电站内最核心的一次设备，其绝缘主要是靠油，一、二次耦合关系主要是绕组和铁芯。因此对变压器进行状态监测与故障诊断，首先建立起变压器状态在线监测系统（主要是对变压器绝缘性能及放电状况进行监测），然后发现相关缺陷故障，提出预警，避免事故发生。
2.1 变压器运行主要监测项目
根据变压器的特性，可以通过此类项目［5］监测其运行情况：油温、油位测量；油中含水量（受潮湿情况）测量；绕组温度测量；铁芯温度测量；绕组输入电压、输出电压、电流、有功功率，无功功率实时监测；内部局部放电监测；绝缘分解物测定；冷却系统的监测；有载调压装置监测。
2.2 变压器运行常用的监测方法
电力变压器通过变压器油作为绝缘和散热的媒质，采用绝缘纸及纸板绝缘。对电力变压器运行状况监测的方法主要有：
1） 局部放电监测：局部放电既是设备绝缘劣化的特征，又是绝缘性能劣化的原因，因此对变压器进行局部放电监测可监测变压器绝缘劣化程度。局部放电监测指标有声学方面监测、光学方面监测、化学方面监测、电气量方面监测等。发生局部放电时会伴有电流脉冲和声脉冲，因此最常用的的监测方法为：通过放电脉冲沿变压器绕组传播特性的仿真分析，进行变压器局部放电情况分析。另外局部放电伴生高频或特高频电流脉冲或超声脉冲，通过监测这些信息，也可对放电信息进行监测；通过检测超声信号，可以对放电位置进行定位。
2） 分析油中气体：变压器不同故障产生不同的气体，通过分析气体成分、含量或各自比例可达到变压器绝缘诊断和故障类型分析的效果，这也是对含油设备进行监测与诊断最常用方法。通常采用气相色谱分析仪检测油中各种溶解性气体的含量，主要脱气、分离、定量三个步骤，其中脱气的方法主要是基于溶解平衡的方法和真空法。而脱离出来的气体通过气相色谱仪进行组份和含量分析，然后通过与“注意值”进行比对，诊断出故障类型及程度。另外在进行定量比对时，引用人工神经元网络及模糊化分析等现代人工智能分析方法，可更有效对数据进行分析比对。
3） 分析油中微水含量：油中过高的含水量将影响绝缘强度，还可能引起局部放电，同时将导致高温时产生气泡。所以应该尽量保证变压器油中无水分无气体，而通过监测含水量就可估算绝缘性能。监测微水含量的方法主要有库仑法、气体法、色谱法，均为非在线监测方法，而我国主要采用的是库仑法和色谱法。
4） 绕组变形分析：变压器绕组变形主要原因有：设计不合理、制造过程中存在缺陷、线圈装配时压紧不良、运输过程中产生冲击、运行中发生出口短路等诸多原因。其主要表现形式及特点［4］为：在径向上外绕组导线伸长、内绕组直径变小；在轴向上的压缩和坍塌；表现为对称的弯曲变形；表现为不对称的曲翘变形；器身位移、绕组扭曲、鼓包和匝间短路。变压器绕组是发生故障较多的部件，检测绕组变形的方法主要有：离线检测（短路阻抗测量法、频响分析法、低脉冲法、径向漏磁通测试法），在线检测（短路电抗在线测试法、振动信号分析法）。短路阻抗测量（SCI法）是基于测试绕组中的漏感，无变形的变压器试验结果为低于0.2%；当相差值达到2.5%时，需增加试验频率并作绝缘检查；当相差值达到5%时，立即停运检查绕组。频响分析法（FRA法）通过比较分析频响曲线，甄别出故障。低脉冲法（LVI法）是在时域用单位冲击响应描述，变压器绕组变形会使得其单位冲击响应随之变化。
5） 有载调压分接开关检测：有载分接开关是有载调压核心部分，直接关系有载调压变压器安全运行。其性能主要包括电气性能（触头接触电阻性能）和机械性能（选择开关与切换开关等部件性能）。应用电流传感器监测控制电机电流的变化从而监测电动机输出功率的变化，可作为机械性能监测的方法。监测操作时的机械振动及对操作性能检测都可以对机械性能进行监测。
3 高压断路器状态监测与故障诊断的方法
高压断路器在运行中主要为通断控制作用和保护作用。对高压断路器各种参数的在线监测、对比分析，不仅能有效反应当前电网运行状况；而且还能通过对各参数对比分析其变化趋势，有效征兆出相关故障。另外，在延长相关电气设备寿命，减少电气设备维护保养费用，提高设备利用率，提高供电可靠性方面都有积极意义。
高压断路器状态监测项目应该根据多年来相关运行数据及经验确定。根据相关统计数据，有70%~80%断路器［9］故障原因为机械性能方面（包括操作机构及控制回路故障原因）。而因灭弧、绝缘方面引起故障或者发热引起故障所占比例较小。因此，我们应该对高压断路器机械性能方面（包括操作机构和控制回路方面）监测的放在的首位。
3.1 高压断路器运行监测主要项目
高压断路器监测主要项目有：合（分）匝线圈通路；合（分）匝线圈电流、电压；合（分）匝时间、速度、行程；静态、动态回路电阻；合闸弹簧状态；断路器动作时的机械振动；断路器操作次数、频率统计；断路器液压或者气压压力；断路器灭弧过程；断路器开断电流值；导电接触部位温度值。
3.2 高压断路器运行常用监测方法
对高压断路器运行状况监测的方法主要有：
1） 分合闸动触头行程和速度测量：选用直线式光电编码器或增量式旋转光电编码器两种传感器测量分合闸触头行程和速度。把直线式行程传感器安装在操作机构或断路器的作直线运动的连杆上，或把旋转式光电编码器安装在断路器或操动机构的转动轴上，就可以通过传感器测量分合闸的运动信号波形。通过分合闸操作动触头的行程波形，就可以计算出分合闸动触头操作的运动时间、行程、速度曲线等。
2） 储能弹簧状态监测：弹簧操动机构的储能弹簧是断路器重要部件，其监测诊断内容为储能后弹性力测量。监测方法为应用电流传感器，测量储能电动机的工作电流波形和时间，间接监测储能弹簧的状态。
3） 开端电流值：断路器的电磨损、电寿命决定于断路器开断过程中电弧对触头、灭弧介质的烧损。其监测方法为：通过电流互感器和二次电流传感器测量高压开关的电流波形，计算有效值。
4） 分合闸线圈电流的监测：电磁铁是高压断路器操动机构的重要元件，当线圈中通过电流时，电磁铁产生磁通，铁芯受电磁力作用吸合，使断路器分合闸。因此测量线圈电流波形，就可以反映电磁铁所控制的断路器操作过程信息情况。
5） 动态回路电阻检测：一般SF6高压断路器有动触头和弧触头两套并联连接触头系统。在断路器长期闭合时，线路电流流经主触头。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在开断电路时，主触头先断开；在关合电路时，主触头后接通。电弧在弧触头燃烧，电磨损主要产生在弧触头。动态回路电阻法可以在不拆卸断路器情况下测量弧触头接触情况。在断路器闭合状态，测得的回路电阻主要是主触头接触电阻和弧触头接触电阻的并联值，主触头接触电阻比弧触头接触电阻小很多，反映不出弧触头的烧损情况。动态回路电阻方法是先关合断路器再立即分断，这时主触头先分离，然后弧触头分离，这样电流都转移在弧触头上，故并联电阻转换为弧触头的接触电阻。从主触头分离到弧触头分离的时间为弧触头有效接触时间，其行程为接触行程，测量该有效时间就可了解触头磨损情况。
6） 机械振动监测：利用高压断路器分合闸过程中机构部件运动和撞击引起振动响应，通过信号处理，计算机计算，可以监测断路器的机械状态。该系统主要通过计算机、A/D转换、测量机械振动的传感器、电荷放大、高压断路器行程传感器、操作线圈电流传感器及软件组成。
7） 导电部位温度测量：常用的温升测量方法有：固定式红外温度测量传感器、便携式红外测温仪、直接温度测量及信号传送、热电偶间接测温法。
8） SF6气体泄漏监测：SF6气体密度直接影响高压断路器的绝缘与灭弧性能，因此通过装设SF6气体密度继电器，可以监测气体泄漏情况。气体密度测量装置主要由压力传感器和温度传感器组成，根据状态方程转换为气体密度值。
9） 真空灭弧室真空度在线监测：由于材质、工艺、运行和维修等原因，灭弧室可能因漏气而使真空度降低。应用悬浮电位的尖-板间隙内放电与真空度的关系，可以求出真空断路器灭弧室真空度的在线监测方法。另一种方法为测量灭弧室屏蔽罩的电压，即屏蔽罩电位法，可以监测真空断路器灭弧室真空度。
10） 高压开关柜局部放电监测：高压开关柜内部导电连接部分和绝缘部分的缺陷或劣化以及触头接触不良，都是安全运行的威胁。触头接触和绝缘不良发展到一定程度将发生局部放电现象。通过温升和机械振动信号可以监测触头接触情况，联合使用几种监测方法可以提高监测可靠性。开关柜的绝缘故障表现为绝缘表面的闪络和绝缘间隙的击穿。在绝缘强度降低、闪络和击穿发生前，高压电极将产生局部放电。利用放电源附近信号强的特点可大致进行故障定位和辨识外界干扰。另外通过电容耦合监测开关柜表面的高频电位变化或超声探头监测开关柜局部放电。
4 GIS设备监测与故障诊断的方法
GIS设备对外不露出带电部位，运行更可靠，但设备拆卸不方便。为了维护和检修的方便，需要开发出无需拆卸相关设备而仅从外部监测就可诊断出设备内部运行状态的方法。
对GIS设备状态监测的方法［3］主要有：
1） SF6气体的监测：主要集中在气体压力监测、气体泄漏监测、气体湿度监测、气体色谱分析等方面。另外，因SF6气体在局部放电及火花作用下会产生分解物，故可以通过SF6离子迁移频谱与纯SF6气体参考频谱的对比，监测SF6气体的特性。
2） SF6断路器的机械特性监测：通过监测合闸、分闸线圈电流波形，可以监视断路器机械性能情况。另外还可以通过断路器行程、分合闸速度监测，可以诊断断路器机械特性是否良好。
3） SF6断路器的电寿命监测：通过测量电流互感器一次侧电流波形和二次侧电流波形，测量触头开端电流值与时间，然后通过数据处理计算出开端电流加权值可以间接监测开关的电寿命。另外还可以通过测量静态、动态电阻值，预测回路触头及主触头、弧触头的磨损情况，监测开关的电寿命。
4） 局部放电监测：GIS设备绝大部分绝缘故障都会引起局部放电现象。对局部放电监测的方法主要有：监测分析气体成分及含量的化学法、机械法、光电法、脉冲电流法和超高频法。超高频法不仅可以检测到GIS设备中有无发生绝缘故障，还可以识别故障类型，甚至实现放电源位置定位。
5） 其他温升监测及X光摄影监测：即对装置温度测量及X光摄像的方法，对比发现缺陷故障。
5 电容型设备状态监测与故障诊断的方法
电容型绝缘设备包括：高压电容式套管、高压耦合电容器、电容式电流互感器、电容式电压互感器等。
电容型设备常见故障有：绝缘缺陷、绝缘受潮、金属异物放电、过电压下击穿、外绝缘放电等。
对电容型设备常规的停电试验项目有：主绝缘及末屏的对地绝缘电阻；主绝缘及末屏的对地绝缘的介质损耗角正切值 及电容量 ；油中溶解气体分析；交流耐压试验；局部放电试验。
电容型设备的状态监测方法主要有：
1） 监测电容型设备的三相不平衡电流法：当发生设备缺陷时，三相不平衡
电流 与历史值纵向对比，而使用此比值就可以甄别故障。
2） 监测电容型设备的三相不平衡电容量 、介质损耗系数 ：可使用 法（即电压互感器TV与标准电容器 相配合）和数字化测量法进行测量。
总之，通过横向、纵向、相间数据对比，分析绝缘特性的发展趋势，做出预警，避免发生事故。
6 变电一次设备状态监测与故障诊断发展方向
1） 对变电站内一次设备各种状态数据测量更加精准全面，数据处理更加及时有效。另外在硬件方面，模块更加精简，同时实现将数据提供给站内继电保护系统及自动化系统等，甚至提供给输电网络方面等，功能更加创新，强大。
2） 对监测数据进行有效整合分析，更加强调预测性，甚至实现对运行环境有效优化，减慢设备老化速度。形成一套预防与监测，诊断相结合的系统。
3） 对变电站内主变压器，高压断路器，GIS设备、电容型设备及避雷器等电气设备分别实现在线监测的基础上，可将各监测系统进行有效地融合。通过计算机进行数据处理，形成综合变电站电气设备在线监测与故障诊断系统。也可以使用通信网络技术，形成区域性的或广域性的系统。甚至实现大区域之间的联网，采用云计算，取长补短，有效整合，形成功能强大的状态监测与故障诊断系统，带来更高的经济及社会效应。
4） 变电站内电气设备在线监测及故障诊断融合高电压试验数据、检修相关数据、继电保护装置及自动控制装置的数据于一体，形成变电站综合自动化系统，更有利变电站设备可靠安全运行。
5） 融合先进技术支持的同时，融合先进的电网运行管理理念，同时实现区域之间数据共享与配合。动态化、集约化、合成化管理，带来更高的经济及社会效应。
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论文作者:刘水根
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/11
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