為滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)電力的需求，電力設(shè)施及設(shè)備尤其是高壓電氣設(shè)備迅速發(fā)展，在設(shè)備投運(yùn)后，能否長(zhǎng)期可靠得運(yùn)行也成為電力行業(yè)部門關(guān)注的焦點(diǎn)。運(yùn)行期間，能否及時(shí)得發(fā)現(xiàn)問題并盡早解決，是保證電力行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

目前，監(jiān)測(cè)高壓電氣設(shè)備的絕緣性問題主要有局放監(jiān)測(cè)、套管介損監(jiān)測(cè)、油氣監(jiān)測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)四種方法。局放監(jiān)測(cè)方法主要有脈沖電流法、超聲法、超高頻法，通過這些方法可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)電抗器出現(xiàn)的局放信號(hào)，但缺點(diǎn)是定量較難，有時(shí)不能夠準(zhǔn)確測(cè)定設(shè)備內(nèi)部的放電量值，并且受干擾影響較大；套管介損監(jiān)測(cè)主要對(duì)套管電容量和介損值的變化監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確，但也存在一定的局限性；油氣監(jiān)測(cè)主要是依據(jù)箱體內(nèi)部油中氣體的變化情況，判斷內(nèi)部有無絕緣問題，準(zhǔn)確性高，但缺點(diǎn)是時(shí)效性差需要在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)才能觀察出有種氣體的反應(yīng)。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法對(duì)不同區(qū)域的振動(dòng)強(qiáng)弱程度可以明顯得區(qū)分，但受其他振動(dòng)影響，對(duì)電抗器內(nèi)部整體情況判斷會(huì)有一定誤差。以上各種監(jiān)測(cè)方法各自獨(dú)立，各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)設(shè)備絕緣問題的分析判斷都存在一定的缺陷。為此，迫切需要一種可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)并及時(shí)準(zhǔn)確得對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行報(bào)警，以便迅速處理，保證設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)這種現(xiàn)狀研發(fā)的該綜合絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)即主要用于監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)下的高壓電氣設(shè)備，運(yùn)用多種方法進(jìn)行長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)，綜合分析高壓電氣設(shè)備是否存在絕緣性故障，對(duì)可能出現(xiàn)或已經(jīng)出現(xiàn)的異常情況及時(shí)報(bào)警，保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定得運(yùn)行。

綜合絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成及各子系統(tǒng)說明

該綜合絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由局部放電在線監(jiān)測(cè)及定位子系統(tǒng)、振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、電容型高壓設(shè)備絕緣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、油氣在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)組成。通過后臺(tái)監(jiān)測(cè)軟件將其他各個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，對(duì)高壓電氣設(shè)備是否存在絕緣性故障進(jìn)行判斷，對(duì)可能出現(xiàn)或已經(jīng)出現(xiàn)的異常情況及時(shí)報(bào)警。

1 局部放電在線監(jiān)測(cè)及定位子系統(tǒng)

局部放電在線監(jiān)測(cè)及定位子系統(tǒng)將超高頻法(簡(jiǎn)稱UHF技術(shù))、脈沖電流法、超聲波法三種方法綜合應(yīng)用，是目前最先進(jìn)的局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能可靠得監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的絕緣狀況。

1.1 局放超高頻法（UHF）的監(jiān)測(cè)

超高頻法通過設(shè)備底部的事故放油閥來安裝傳感器天線，能夠靈敏檢測(cè)到局部放電所產(chǎn)生的超高頻電磁信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電缺陷的檢測(cè)和定位，又能保證現(xiàn)場(chǎng)干擾環(huán)境下的信噪比和靈敏度。

傳統(tǒng)的局部放電檢測(cè)技術(shù)測(cè)量頻率較低，測(cè)量頻帶與周圍環(huán)境的強(qiáng)干擾源頻帶重疊，易受外界干擾的影響，不易去除干擾信號(hào)檢測(cè)到放電信號(hào)，所以很難應(yīng)用于在線局放監(jiān)測(cè)。而局放超高頻信號(hào)（UHF）檢測(cè)技術(shù)，則是在300～1500MHz寬帶內(nèi)接收局部放電所產(chǎn)生的局部放電超高頻（UHF）電磁脈沖信號(hào)。

由于UHF信號(hào)在空間傳播時(shí)衰減很快，故設(shè)備箱體外部的超高頻電磁干擾信號(hào)（如空氣中的電暈放電），不僅頻帶比箱體內(nèi)部放電信號(hào)的窄，其強(qiáng)度也會(huì)隨頻率增加而迅速下降，進(jìn)入金屬油箱內(nèi)部的超高頻分量相對(duì)較少，因而可以避開絕大多數(shù)的空氣放電脈沖干擾。而對(duì)于分布在UHF監(jiān)測(cè)頻段內(nèi)的固定頻率干擾（如移動(dòng)通訊、電視、雷達(dá)等信號(hào)），則可通過內(nèi)置的陷波器來避開這些干擾頻帶，從而達(dá)到在線檢測(cè)局部放電的目的。超高頻電磁波在油中成球面波以光速傳播。

根據(jù)電磁波理論，在金屬覆蓋的裝置內(nèi)監(jiān)測(cè)電磁波信號(hào)時(shí)，若波長(zhǎng)小于外殼的尺寸則信號(hào)傳播時(shí)衰減很?。▊鞑?0米僅衰減50%左右），而UHF的波長(zhǎng)均小于1米，恰恰小于電抗器油箱的尺寸，故從放電源發(fā)射的UHF電磁波，在經(jīng)過多次折反射后，最終均能基本無衰減地到達(dá)傳感器部位。此外，金屬箱體在起到匯聚電磁波能量的同時(shí)，還具有電磁屏蔽作用，使得外部電磁干擾不易進(jìn)入箱體內(nèi)部，故在使用UHF法檢測(cè)局放時(shí)，可獲得較好的信噪比和檢測(cè)靈敏度。

通過試驗(yàn)證明，超高頻法能夠達(dá)到100pC的檢測(cè)靈敏度，可有效檢出那些放電量超過500pC的破壞性局部放電缺陷。局放超高頻檢測(cè)技術(shù)的傳輸接收過程如圖3.1所示。

圖3.1局放信號(hào)傳播路徑及取樣方法

1.2 脈沖電流法的監(jiān)測(cè)

脈沖電流法的監(jiān)測(cè)是通過卡在電抗器鐵心接地線或套管根部的適當(dāng)位置上的寬頻帶電流互感器來監(jiān)測(cè)脈沖信號(hào)的。

圖3.2脈沖電流法的監(jiān)測(cè)位置及信號(hào)傳播路徑

1) 將寬頻帶電流互感器卡在鐵心接地線上（原理見圖3.2）

電抗器的繞組與鐵心之間為絕緣材料，可形成電容，而放電信號(hào)是幾百千赫到幾兆赫的高頻信號(hào)，能通過電容從繞組傳到鐵心，通過鐵心接地構(gòu)成回路，因此在鐵心接地線上能夠檢測(cè)到電抗器內(nèi)部產(chǎn)生局放脈沖信號(hào)，經(jīng)實(shí)踐證明，該方法能夠有效的檢測(cè)出電抗器的主絕緣放電故障。

2）在高壓套管根部套裝高頻CT（見圖3.2中的大傳感器和小傳感器）。

高頻放電信號(hào)可通過電抗器的高壓引線與套管之間的電容傳輸?shù)教坠苣┢?，因此在套管根部套裝高頻CT可檢測(cè)到放電脈沖信號(hào)。因該方法的傳感器多采用空心羅格夫斯基線圈，故監(jiān)測(cè)靈敏度較低，且難以妥善解決電磁屏蔽問題，現(xiàn)場(chǎng)安裝也較為復(fù)雜，且會(huì)縮短套管的外絕緣距離，對(duì)美觀性也有一定的影響。

該方法一般采用脈沖極性判別抗干擾技術(shù)，如圖3.2所示，經(jīng)過大傳感器的放電信號(hào)與干擾信號(hào)極性相反，而經(jīng)過小傳感器的放電信號(hào)與干擾信號(hào)極性相同，根據(jù)此特點(diǎn)可以有效地排除來自高壓側(cè)的干擾脈沖。

1.3超聲波法的監(jiān)測(cè)

在電抗器內(nèi)部一旦發(fā)生局部放電，就會(huì)產(chǎn)生超聲波，在電抗器油中以1400m/s左右的速度以球面波形式向周圍傳播，并以縱波形式向外傳播，當(dāng)傳到箱壁時(shí)，分為兩部分，一部分穿越箱壁，仍以縱波形式向外傳播，另一部分則以橫波形式沿箱壁向周圍傳播，如圖3.3所示。

圖3.3 超聲波傳播

假設(shè)放電源在S點(diǎn)，超聲探測(cè)器放在D點(diǎn)，超聲波傳播到探測(cè)器有兩條路徑，一條是直接路徑，從S點(diǎn)開始，以1400m/s的速度直接到D點(diǎn)，稱為直接波；另一路徑為先在油中以1400m/s的速度傳到D點(diǎn)附近的某點(diǎn)進(jìn)入箱壁（或A點(diǎn)或B點(diǎn)或C點(diǎn)）之后，再?gòu)脑擖c(diǎn)開始以3240m/s的速度（超聲波在鋼板中的縱波速度為5850m/s，橫波速度3240m/s），沿箱壁傳播到D點(diǎn)，這條路徑為復(fù)合路徑，在此路徑中傳播的超聲波稱之為復(fù)合波。

通常直接波和復(fù)合波不會(huì)同時(shí)到達(dá)D點(diǎn)，只有滿足條件時(shí)，兩者才幾乎同時(shí)到達(dá)（近似）。因此，在箱壁上可以找到滿足此條件的包圍圈，超聲探測(cè)器放到此包圍圈之上時(shí)，差不多可以同時(shí)收到直接波和復(fù)合波，超聲探測(cè)器放到此包圍圈之內(nèi)時(shí)，直接波比復(fù)合波先到，超聲探測(cè)器放到此包圍圈之外時(shí)，直接波比復(fù)合波后到，由于超聲波在鋼板內(nèi)傳播時(shí)衰減較大，所以復(fù)合波的幅值比直接波的幅值小。所以，在電抗器箱壁外側(cè)放置超聲探測(cè)器，就可以接收到放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)。

1.4 定位子系統(tǒng)的說明

定位子系統(tǒng)是將脈沖電流法、超聲波法綜合使用(簡(jiǎn)稱電聲綜合監(jiān)測(cè)法)，再通過地位子系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備局部放電的當(dāng)前幅值、放電幅值變化趨勢(shì)、在線確定放電位置、監(jiān)測(cè)放電位置位移趨勢(shì)，并跟蹤記錄。該方法通過卡在電抗器套管根部或鐵心接地線的適當(dāng)位置上的寬頻帶電流互感器監(jiān)測(cè)脈沖信號(hào)；通過貼于箱壁上的超聲傳感器監(jiān)測(cè)超聲信號(hào)。

該系統(tǒng)其中1個(gè)通道測(cè)量局部放電信號(hào)，另6個(gè)通道測(cè)量超聲波信號(hào)，則脈沖電流信號(hào)與超聲波信號(hào)的時(shí)間差，即近似的等于超聲波的傳播時(shí)間。根據(jù)超聲波的傳播速度和方向，就可以確定放電點(diǎn)的位置，原理見圖3.4,定位3D顯示圖見圖3.5。

圖3.4電信號(hào)、聲信號(hào)時(shí)差圖

圖3.5定位3D顯示圖

因干擾信號(hào)的存在，單一地通過電信號(hào)或聲信號(hào)不能夠準(zhǔn)確地判斷出被測(cè)設(shè)備是否存在局部放電，例如只檢測(cè)到電信號(hào)而無聲信號(hào)時(shí)，可能是因?yàn)榇嬖诳臻g干擾或外部放電；只檢測(cè)到聲信號(hào)而無電信號(hào)時(shí)，則可能是電抗器振動(dòng)引起的。所以，通過電聲綜合判斷的方法能提高局放監(jiān)測(cè)的抗干擾能力。

振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的說明

綜合絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可通過安裝于箱壁上的智能振動(dòng)傳感器，來實(shí)現(xiàn)電抗器的振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)。振動(dòng)傳感器是一個(gè)具有內(nèi)置數(shù)字處理器（DSP）的，帶有RS485標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)總線的振動(dòng)傳感器，它能將機(jī)械振動(dòng)信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字化振動(dòng)參數(shù)，并通過傳感器的RS485接口傳送到監(jiān)控主機(jī)。傳感器采用不銹鋼防水外殼，使傳感器適用于惡劣的工作環(huán)境。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)是一種體外監(jiān)測(cè)，通過安裝在正在運(yùn)行的設(shè)備表面的一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)傳感器來獲取其振動(dòng)信號(hào)，然后將振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過時(shí)域或頻域等分析處理，獲得信號(hào)的特征信息，再通過一定的診斷方法獲得設(shè)備的工作狀況。

電抗器所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)較強(qiáng)，使用常規(guī)的電壓加速度和普通的信號(hào)采集技術(shù)，就可靈敏地傳感檢測(cè)并記錄振動(dòng)信號(hào)的波形，然后通過傅里葉(DFT)變換處理，得到信號(hào)的幅度和頻譜分布，并與初始值進(jìn)行比較，根據(jù)其變化情況來判斷被測(cè)電抗器的繞組和鐵心是否發(fā)生異常。通常情況下，對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析可從如下兩個(gè)方面入手：

1）從電抗器產(chǎn)生振動(dòng)的原因來分析。

電抗器的振動(dòng)主要是電抗器本體（主要是鐵心和繞組）和冷卻裝置的振動(dòng)引起的，在小于100Hz的范圍內(nèi)，主要是冷卻裝置引起的振動(dòng)。正在穩(wěn)定運(yùn)行中的電抗器鐵心和繞組的振動(dòng)主要來自以下幾個(gè)原因。

①硅鋼片的磁致伸縮引起鐵心的振動(dòng)。

②硅鋼片接縫處和疊片之間存在著因漏磁而產(chǎn)生的電磁吸引力，從而引起鐵心的振動(dòng)。

③電流通過繞組時(shí)，在繞組間、線餅間、線匝間產(chǎn)生動(dòng)態(tài)電磁力，引起繞組的振動(dòng)。

④漏磁引起油箱壁（包括磁屏蔽等）的振動(dòng)。隨著電抗器制造工藝及鐵心疊加方式的改進(jìn)（如采用階梯接縫等），再加上心柱和鐵軛采用環(huán)氧玻璃粘帶綁扎，硅鋼片接縫處和疊片之間的電磁吸引力引起的鐵心振動(dòng)，比硅鋼片磁致伸縮的鐵心振動(dòng)要小的多。

因此，電抗器本體的振動(dòng)主要來自磁致伸縮引起的鐵心振動(dòng)和負(fù)載電流引起的繞組振動(dòng)，這為用振動(dòng)法監(jiān)測(cè)電抗器的運(yùn)行狀況提供了可能。

2）從電抗器的振動(dòng)與鐵心和繞組的關(guān)系來分析。

由于電抗器的鐵心的振動(dòng)與硅鋼片的磁致伸縮有密切關(guān)系，所以硅鋼片的壓緊力減小或者發(fā)生扭曲變形都會(huì)使硅鋼片之間的電磁力增大，進(jìn)而導(dǎo)致鐵心的振動(dòng)增加，此外，當(dāng)發(fā)生短路或者發(fā)生鐵心多點(diǎn)接地時(shí)，導(dǎo)致硅鋼片的磁致伸縮加大，鐵心溫度升高，震動(dòng)也會(huì)加大。對(duì)于繞組來說，當(dāng)電抗器的負(fù)載電流大時(shí)，繞組匝與匝或?qū)优c層之間的電場(chǎng)力變大，繞組的振動(dòng)會(huì)增大。繞組發(fā)生松動(dòng)或扭曲變形時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致繞組的振動(dòng)增加。

因此，電抗器的振動(dòng)與鐵心和繞組的振動(dòng)狀況有密切關(guān)系，這就為根據(jù)電抗器器身的振動(dòng)來診斷鐵心和繞組的狀況提供了依據(jù)。

電容型高壓設(shè)備絕緣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的說明

該子系統(tǒng)是一套完整的高壓電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于對(duì)變電站正在運(yùn)行的電容型設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以便確定其運(yùn)行狀態(tài)。主要由電容型設(shè)備監(jiān)測(cè)單元、系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)單元、隔離變壓器單元組成。

該系統(tǒng)通過隔離變壓器單元給其他監(jiān)測(cè)單元供電，通過系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)單元獲得準(zhǔn)確的系統(tǒng)電壓信息。采用分布式測(cè)量，既所有采集測(cè)量單元直接安裝于被監(jiān)測(cè)設(shè)備附近，測(cè)量相應(yīng)設(shè)備的電容量和介損，并采用CAN2.0現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將數(shù)據(jù)傳給后臺(tái)軟件進(jìn)行分析處理，判斷設(shè)備是否存在故障。

油氣在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的說明

該子系統(tǒng)集控制、測(cè)量分析技術(shù)于一體，對(duì)電抗器等油浸電力設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，可以在線準(zhǔn)確檢測(cè)出絕緣油中溶解的各種故障特征氣體濃度及變化趨勢(shì)，這些氣體包括氫氣、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確得進(jìn)行油色譜分析，實(shí)現(xiàn)完全在線監(jiān)測(cè)油浸式電力設(shè)備的運(yùn)行信息，為電抗器等油浸電力設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保證。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

該綜合絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為了能夠有較大的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力，并且具有很好的兼容性和擴(kuò)展性，所以采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。各監(jiān)測(cè)設(shè)備分別通過TCP/IP方式、CAN總線方式、485通訊方式與主控室計(jì)算機(jī)連接，用戶可在各終端計(jì)算機(jī)上通過服務(wù)器觀測(cè)被監(jiān)測(cè)設(shè)備的局部放電、容性設(shè)備的電容和介損、鐵心電流以及油氣等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)波形及趨勢(shì)圖等信息，發(fā)現(xiàn)問題通過軟件及時(shí)報(bào)警，并可將數(shù)據(jù)下載到本地進(jìn)行分析、備份。

此外該系統(tǒng)還配置了服務(wù)器和交換機(jī)，為以后隨時(shí)增加擴(kuò)展新的監(jiān)測(cè)裝置預(yù)留出一定數(shù)量的接口，可以大量增加新的監(jiān)測(cè)設(shè)備，其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖4.1所示，通過建立一套完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將各個(gè)子系統(tǒng)聯(lián)系起來，并將以上所述各子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及油氣在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)軟件進(jìn)行分析判斷。

圖4.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

故障判斷

綜上說明如果超高頻傳感器、寬頻帶電流互感器、超聲波傳感器的監(jiān)測(cè)信號(hào)值上升，電抗器的套管介損值變化明顯和油氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到有氣體出現(xiàn)，尤其是乙炔氣體出現(xiàn)，說明被監(jiān)測(cè)設(shè)備出現(xiàn)了絕緣性故障，此時(shí)可以根據(jù)監(jiān)測(cè)到的聲電信號(hào)通過定位子系統(tǒng)進(jìn)行判斷，分析可能出現(xiàn)故障的位置。

如果振動(dòng)傳感器的振動(dòng)強(qiáng)度加大而其它監(jiān)測(cè)信號(hào)沒有明顯變化，或者其中某個(gè)監(jiān)測(cè)信號(hào)出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，有可能是設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)緊固件松動(dòng)等情況，長(zhǎng)期運(yùn)行也會(huì)造成設(shè)備故障，此時(shí)需要密切關(guān)注其它各個(gè)信號(hào)的變化情況。

總結(jié)

總之，該綜合絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將多個(gè)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)通過完善的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組合，充分利用超高頻法、脈沖電流法、超聲波法、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、電容型設(shè)備的電容量及介損測(cè)量法以及油氣在線監(jiān)測(cè)等多種方法的優(yōu)點(diǎn)，配合后臺(tái)軟件實(shí)時(shí)得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及波形，將各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)綜合分析，可以更加準(zhǔn)確得判斷高壓電氣設(shè)備是否存在絕緣性故障，并且該系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)報(bào)警、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等功能，為運(yùn)行狀態(tài)下的高壓電氣設(shè)備提供了一種有效的監(jiān)測(cè)分析手段，對(duì)設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行有很大幫助。

（本文編自《電氣技術(shù)》，作者為石海珍、劉大永等。）