华中科技大学硕士学位论文变压器在线状态监测系统研究.docx

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华中科技大学硕士学位论文变压器在线状态监测系统研究

华中科技大学硕士学位论文变压器在线状态监测系统研究

姓名：

李岩申

请学位级别：

硕士

专业：

电力系统及其自动化

指导教师：

尹项根

20050401

摘要

随着国民经济和电力系统的发展对电力系统安全可靠运行的要求不断提高电力系统在线状态监测已经成为重要的科学研究和工程应用方向电力设备在线状态监测可以实时监测电力设备在实际运行状况下的健康状况为系统的安全稳定运行提供保证它作为综合自动化的补充和发展能够使变电站实现真正意义上的无人值守同时它还可为电力设备的状态检修提供依据是实现状态检修的前提和重要组成部分本文从更高层次的变电站自动化技术发展背景出发论述电力设备重点是变压器在线状态监测系统的研究开发工作

　根据变电站电力设备在线状态监测的要求和目标在总结了近年来该领域现状和发展趋势的基础上本文研究提出了一种针对中小型变电站的集中式在线状态监测方案并阐述了能够对变电站中变压器断路器避雷器以及容性绝缘设备等进行综合在线状态监测的系统结构

变压器是变电站中重要的电力设备其运行状况直接影响电网稳定性本文重点工作是设计并研制一种集中式变压器在线状态监测装置具有以下特点

在监测功能方面采用非电量和电量相结合对变压器进行综合监测可有效改善状态评估的准确性具体内容包括变压器油中溶解气体含量监测油中微水含量监测局部放电监测以及运行电气参数监测等对于油中气体含量监测当特征气体含量或产气速率超过注意值时通过改良三比值法和无比值法来进行故障诊断油中微水含量监测通过薄膜电容传感器实现局部放电的监测使用扩大差动平衡法电气运行参数监测通过PTCT获得变压器的运行状态

在故障诊断方面提出了一种三维诊断模式即将设备状态监测数据同规范和定检测试数据比较同自身历史数据的纵向比较同其他同型号设备运行特性横向比较的思想以达到诊断更全面结果更准确的目标

在装置的设计与研制方面硬件上采用分层多ＣＰＵ结构核心模板采用ＤＳＰＣＰＬＤ模式对前端输入信号采用统一接口模式软件结构上采用了模块化设计在提高装置性能的同时还易于进一步扩展成为分布式状态监测系统使装置具有较好的通用性适用性和可扩展性

关键词在线状态监测变电站变压器集中式结构溶解气体局部放电

Abstract

Withthedevelopmentofnationaleconomyandpowersystem,thedemandonthereliabilityandsafeofpowersystemhavebeenimproved.On-lineconditionmonitoringforpowersystemcanmonitorthehealthstatusoftheelectricequipmentinrealtimeundertherealstate.Itprovidessafeguardforthesafeandsteadyrunningofpowersystem.Asthesupplementanddevelopmentoftheintegrativepowersystemautomation,substationwithnobodyondutyintherealmeaningwillberealized.Atthesametime,itisthepreconditionandanimportantpartfortheelectricequipmentconditionmaintenanceandoffersthebasisfortheconditionmaintenance.Underthebackgroundofdevelopingthemorehigh-levelautomationtechnologyinsubstation,thispaperdescribestheresearchanddevelopmentworkinon-lineconditionmonitoringforelectricequipment,speciallytransformer.

Accordingtothedemandandtargetofon-lineconditionmonitoringforelectricequipment,acentralizedon-lineconditionmonitoringsystemformedium-smallscalesubstationhasbeenputforwardinthispaperbasedontheactualityanddevelopmenttrendinthisfield.Itisexpoundedthattheconfigurationofthesystemcanmonitortransformer,breaker,arresterandcapacitativeequipmentsinsubstationsynthetically.

Asanimportantequipmentinsubstation,therunningstateoftransformerinfluencesthestabilityofpowersystemdirectly.Thekeyjobofthispaperistodesignanddevelopakindofcentralizedon-linemonitoringdevicefortransformer.Thedevicehasthecharacteristicbelow:

Intherespectofthemonitoringfunction,syntheticalmeansareadoptedtomonitortransformerwithcombiningnon-electricitysignalsandelectricitysignalswhichcanimprovetheaccuracyofthestateassessingeffectively.Itincludesdissolvedgasanalysis,partialdischargedetection,watercontentmonitoringintransformeroil,monitoringoftheelectricparameteretc..Intermsofdissolvedgasanalysis,thesystemdiagnosesthetroublebyusingtheimprovedthree-ratiomethodandtheno-ratiomethodwhenthegascontentortheproducespeedofthegasexceedsthenoticevalue.Thedifferentialbalancemethodisusedinpartialdischargedetectionandthecontentoflittlewaterintransformeroilismonitoredthoughtthecapacitancesensormadeofmembrane.PT/CTwillbeusedformonitoringtheelectricparameterinordertogaintherunningstateoftransformer.

Intherespectofthetroublediagnosing,akindofthree-dimensionmodeisproposed,i.e.makingacomparisonbetweenthemonitoringdataandcriterion,one’sowndataandthedatawithanothersame-typeequipment.Theresultwillbemoregeneralandaccurateunderthismode.

Intherespectofdesigninganddevelopingforthedevice,theconfigurationofthehardwareadoptsthemultiCPUstructureandthekeytemplatesadopttheDSP+CPLDmode.Furthermore,theunifiedinterfacemodeisadoptedtodealwiththefrontsignals.Modularprogrammingisusedforthesoftwaredesign.Itcanbeeasiertoexpandingthedistributedsystemwhileimprovingthedevicecapabilityandmakethedevicehavebettergenerality,suitabilityandexpansibility.

Keywords:

on-lineconditionmonitoringsubstationtransformerCentralizedconfigurationgasdissolvedpartialdischarge

1绪论

本章简要介绍电力设备在线状态监测技术的研究及应用现状，重点论述了变压器在线状态监测技术在国际国内的发展，最后介绍了本论文的主要工作和全文的章节安排。

1.1电力设备状态监测及故障诊断

1.1.1状态监测和故障诊断的概念

所谓状态监测（ConditionMonitoring，CM）是一种利用设备在需要维护之前存在一个使用寿命的预测方法，充分利用整个设备或者设备的某些重要部件的寿命特征，开发应用一些具有特殊用途的设备，并通过数据采集以及数据分析来预测设备状态发展的趋势[1,2]。

其任务是了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种检测、测量、监视分析和判别方法结合历史和现状考虑环境因素对设备运行状态进行评估判断设备处于正常还是异常状态并对状态进行显示和记录对异常状态作出报警状态监测分离线状态监测在线状态监测两种方式离线状态监测就是通过定期对运行中设备或停止运行的设备进行规定项目的检查发现设备的问题和隐患传统的设备管理方法如预防性试验设备点检制度属于离线状态监测其优势在于投资小监测面宽检测设备相对简单方便易实现但反应相对迟缓采集信息有限必须另外配备分析系统因此不能适应当前广泛推广的变电站自动化的要求在线状态监测是以计算机技术为基础利用现代传感器技术以及信息技术等对正在运行的设备进行实时监测这种方式监测信息量大能够及时反映设备的状态和发展趋势比较适合应用于变电站自动化

故障诊断就是主动发现故障的过程所谓故障就是使系统不能按给定要求工作的一种不允许的性能偏离[3]故障诊断包括故障报警故障定位故障程度估计设备的故障诊断实际上指在设备不解体的情况下根据人类积累的经验和数据采用一定的技术手段对设备所处的状态进行判断对设备的故障及发展变化进行诊断和估计的技术故障诊断的任务就是要确定设备的故障性质程度类别和部位明确故障征召并指明故障发展趋势

状态监测与故障诊断是一个有机的整体状态监测是故障诊断的基础先决条件及必要手段而故障诊断则是综合利用监测数据和信息的决策部分状态监测及故障诊断分析系统主要是指利用现代传感器技术信息技术计算机技术以及各类领域技术综合构成的辅助运行系统状态监测分析及故障诊断系统的基本结构如图1-1

图１-１　　状态监测分析及故障诊断系统

1.1.2电力系统进行状态监测和故障诊断的必要性

电力系统是一个由众多发电输电变电配电用电设备连接而成的大系统这些电力设备的故障不仅会造成供电系统意外停电而导致电力企业经济效益减少且可能造成用户的重大经济损失和抱怨因此这些设备的可靠性及运行状况直接决定整个系统的稳定和安全也决定了电力企业的经济效益及供电质量和可靠性电力系统状态监测及故障诊断能够反映电力设备的健康状况为电力系统的安全稳定运行提供了依据

检修是保证电力设备健康运行的必要手段几十年来我国高压电气设备的技术管理一直采用的是设备预防性试验设备计划性大修的维护方式这种检修方式既有利更有弊其优点是1能够发现和处理设备缺陷减少设备运行中的损坏保证电力生产的安全2能够减少设备事故或者障碍造成的非计划性停电保证供电的质量和可靠性但这种维修方式不能事先掌握设备的状态而且采用一刀切的方式到期必修实践表明其中相当量的检修是没有实际意义的多余的由此造成了设备的过度检修,结果是1浪费了大量人力和检修费用2增加检修停电时间和停电次数造成频繁的运行操作增加了误操作的事故率3过度检修造成设备频繁拆装难免在检修过程中产生新的设备隐患4检修后按要求对设备应进行的耐压等试验也会对设备造成不可逆损伤使设备总体寿命下降由此可以看出过去的设备计划性检修方式已与现在的电力生产不相适应有必要采用新的设备维修方式因此产生了设备状态检修的新思路[5]。

设备状态检修是从预防性检修发展来的更高层次的检修体制它是由美国杜邦公司I.D.Quinn在1970年首先倡议的[6]它根据设备的日常检查定期重点检查在线状态监测和故障诊断所提供的信息经过分析处理判断设备的健康和设备劣化状况及发展趋势并在设备故障前和性能降低到不允许极限前有计划安排检修这种方式有很强的针对性能够有效提高设备的可用率并能降低检修费用在电力系统中推行状态检修是电气设备检修制度发展的必然选择其直接效益有节省大量维修费用延长设备使用寿命提高供电可靠性减少检修风险电力设备状态监测和故障诊断是状态检修的基础和重要组成部分。

变电站是输配电系统中重要的环节它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用变电站综合自动化是实现无人值守变电站的重要手段它将变电站的二次设备（包括测量仪表信号系统继电保护自动装置和远动装置）经过功能的组合和优化设计利用先进的计算机技术现代电子技术通信技术和信号处理技术实现对全站的主要设备和输配电线路的自动监视测量自动控制和微机保护以及与调度通信等综合性的自动化功能并要求具备电力设备自动管理功能以实现无人值守状态的设备管理[8]我国变电站自动化技术经过十几年的发展已经达到一定水平目前的变电站自动化技术虽然已经包括了基本的运行监控测量故障保护功能但是缺少了电力设备状态监测环节因此不能对电力设备的安全状况做出评估和判断不能实现真正意义上的无人值守变电站电力设备的在线状态监测是进行设备管理的必要手段而且由于设备运行和设备管理上的实时性要求不同对于运行监控系统要求较高的实时性而设备状态监测诊断实时性要求相对较低把实时状态监测诊断纳入运行监控系统中是不合适的因此有必要建立变电站状态监测诊断系统实现对变电站变压器断路器电容性设备避雷器等电力设备的实时在线状态监测并且系统能通过网络通信和变电站自动化系统接口被纳入变电站自动化系统范畴

综上所述电力设备的状态监测和故障诊断是电力系统安全运行的需要是实现状态检修的前提也是实现无人值守变电站的重要组成部分

1.2电力设备在线状态监测研究现状

传统预防性试验由于试验电压低而且是在离线停电状态下进行的无法真实反映运行电压下的绝缘性能和整个设备工作情况所以最终检测结果的可信度大大降低这就是即使整体预防性试验合格仍然时有故障发生的原因据不完全统计19851990年间全国有80%的变压器事故是在预防性试验合格的情况下发生的福建省19841988年电力设备事故中近90%的设备历年来的预试数据结果是合格的贵阳电力局1998年站街变206开关CT在高压试验中合格但却发生了爆炸的事故[9]针对上述情况改变现行的预防性维修制度是大势所趋其发展方向必然是采用在线监测及故障诊断技术并探索以在线监测为基础的状态检修

目前国内外对变压器容性设备高压断路器等电力设备的在线监测都做了大量深入研究监测量的范围也越来越广泛在线监测的主要项目有发电机变压器断路器互感器电容器电力电缆MOA以及GIS等。

对于发电机主要在线监测其发电转子绕组接地匝间短路温度及绝缘等

对于变压器在线监测项目主要有油中气体分析局部放电微水含量等[10]

对于断路器的在线监测断路器的监测内容有操作回路的完整性绝缘特性开断能力机械特性

对于容性设备（包括氧化锌避雷器）的在线监测主要测量容性设备的电容电容电流介质损耗不平衡电压等参量和氧化锌避雷器（MOA）的全电流阻性电流功耗等参量

对于GIS主要监测其局部放电以及机械振动特性。

国内外出现了很多种类的在线监测装置如澳大利亚公用电力公司Energex研发并由厦门红相电力设备公司协作的DRMCC变压器在线监测控制系统可通过可持续的在线变压器的工作状况经过变压器的专家诊断系统综合分析各类数据得出的结果能比较全面地反映变压器的现行工作状态和科学地预测它的使用极限宁波理工监测设备有限公司研制的WDJC系列断路器在线监测装置可监测6KV500KV高压断路器的机械动作特性和开断电流通过分析判断断路器的电气和机械特性是否正常武汉高压所研制的HSJ-I型变电站一次设备绝缘在线监测系统可对主变压器电抗器局部放电监测及定位对容性电气设备包括CTCVTOY主变电抗器套管的介质损耗电流电容量的监测对主变铁芯接地电流避雷器泄漏电流及其有功分量电压互感器一次电流及一次和二次间泄漏电流母线电压及谐波的监测[11]该装置已安装应用于在吉林陕西贵州四川江苏湖南河南等省12个大中型变电站500kV220kV中

这些装置的出现对于在我国电力系统推广电气设备在线监测起到了积极的作用但是据中国电力科学研究院1998年对国内部分省市电力部门安装的57套集中型在线监测系统的调查结果属于正常或比较正常的监测系统仅占30%而确定不能正常运行或处于闲置状态的约占35%由于有些开发单位开发技术上的缺陷以及产品的功能完善工作不力这些结构形式的在线监测装置都存在着不同程度的缺陷给在线监测工作造成了被动局面并且目前越来越多的电力设备被纳入在线监测的范畴而开发的产品大多是针对设备某一或者几个方面性能的监测通用和兼容性都很差监测量的局限性使得监测装置不能完整而准确得反映设备的状态并且每套装置都有独立的平台操作复杂通信能力差造成变电站监测装置过多使得维护管理复杂不符合现在大力推广的变电站自动化的趋势随着传感器技术的发展可以监测的状态量将越来越多而计算机技术的发展使允许处理的数据量越来越大因此研发多功能能监测多状态参量的实时在线监测系统将得成为可能由于可获得的数据量的增大常规的数据处理方法会遇到更大的困难因此智能在线监测系统将得到进一步研究和应用尤其是神经网络技术知识系统模糊逻辑等会得到更广泛的应用一些新的数学工具如小波变换将得到进一步研究1.3变压器在线监测研究现状

电力变压器是电网中最重要的设备之一它的可靠性级直接关系到电网能否正常高效经济的运行据2001年底统计的数据全国220kV330kV500kV电压等级的电力变压器容量分别为33043万kVA1548万kVA11822万kVA配电变压器总容量为245233MVA220kV及以上的发电厂变电站全停运和局部电网解列事故发生的次数较多其中变压器故障造成的电网故障所占比例较大[12]减少变压器故障意味着提高电网的经济效益因此变压器在线监测研究成为电力设备在线监测体系中的重要组成部分目前的变压器类型有充油式变压器SF6气体绝缘蒸发冷却式变压器干式变压器交联聚乙烯电缆绕组变压器等目前国内外高电压大容量的变压器普遍采用充油式变压器因此目前的变压器在线监测主要对象充油式变压器这种变压器主要由一次绕组二次绕组铁芯油箱底座高低压套管引线冷却器净油器储油柜气体继电器分接开关等组件或附件组成变压器在运行中常见故障有

1绕组故障包括绕组变形故障匝间短路故障相间短路故障绕组股间短路故障等

2铁芯故障包括铁芯多点接地故障铁芯过热故障等

3放电故障包括局部放电故障火花放电故障电弧放电故障等

4油和油纸绝缘故障

5分接开关故障

6油流带静电故障等[12]

目前国内外变压器在线监测的范围很广包括

1监测油中可燃气体总量可分析H2CH4C2H4C2H6C2H2COCO27中特征气体含量

2在线监测局部放电包括电气局部放电声音局部放电超高频局部放电静态局部放电

3在线监测套管功率因数和电容

4利用光纤传感器进行热点监测

5在线监测冷却装置的功能例如风扇油泵的转换状态等

6在线监测油中湿度温度酸度

7在线监测负载电流

8在线监测绝缘纸的湿度和迁移情况

9在线监测绕组顶部和底部油温

10在线监测介电和动力系统的缺陷

11在线监测结构件的夹紧力

12在线监测铁芯接地故障和绕组缺陷

13在线监测储油柜的油位提供油渗漏信息[9]

在众多的变压器在线监测项目最重要的两项是油中气体含量监测和局部放电监测这两项项目的监测对于发现变压器的过热故障和放电故障有很好的效果

油中气体含量在线监测是气相色谱分析技术的补充和发展其原理是当变压器出现过热故障或放电故障时绝缘油和固体绝缘等有机绝缘材料会在电气热氧和水的作用下裂解出大量的H2同时伴随一定含量的甲烷乙烷乙烯乙炔CO和CO2等可燃性气体而多数故障类型都存在特征气体组分通过在线监测这些气体组分的含量以及产气速度可以确定变压器的故障类型油中气体含量在线监测分色谱在线监测传感器监测及红外光谱监测在线分离气体的方法有薄膜渗透取气法抽真空取气法载气和空气循环取气法等[13]监测气体组分含量的传感器和检测器主要有1钯栅检测器2半导体传感器3催化燃烧型传感器4燃料电池型传感器5红外光谱传感器6光离子检测器[14]除此之外加拿大最近研制的增强型H2和水分的监测装置用传感器其气体探头是一个多股的特氟隆毛细管环当油中气体进入探头内由高稳定性和高精度的热导元件对气体进行检测

目前国内外开发的变压器油中气体在线监测装置有很多例如加拿大SYPPOTEC研制的HYDRAN201型油中溶解气体在线监测装置[15]通过分析变压器油中H2和CO气体含量捕捉到变压器的早期绝缘故障是目前应用最为广泛的在线监测装置之一我国中科院研制的DDG1000型油中溶解气体在线监测装置采用一种主要成分为聚芳杂环高分子的分离膜将油中H2氢气分子直接分离出来通过燃烧氢气改变电路中测量元件的电阻值在计算元件电压变化的基础上得出H2的含量以此分析变压器的故障

变压器的绝缘故障一般都会伴随有不同程度的局部放电一般情况下如果变压器油气分析中发现了特征气体则表明不变压器内部已经存在比较严重的局部放电变压器局部放电在线监测是通过变压器本体装设高精度的电流超声传感器来检测变压器内部局部放电的电流大小以及确定放电位置能够有效的反映变压器内部的绝缘状况目前的变压器在线监测方法主要采用脉冲电流法和超声检测法脉冲电流法理论上能够检测出小至几皮库的局部放电但易受外界电磁干扰超声波检测法是通