电气设备在线监测系统的组成及案例-王永强

变电站设备绝缘在线监测系统
组成及案例
华北电力大学
王永强
主要内容
1.电气设备状态维修的必要性及在线监测的应用情况
2.电容型设备绝缘在线监测与故障诊断系统简介
3.变压器铁芯接地电流在线监测与故障限流报警系统
一、电气设备状态维修的必要性及在线监测的应用情况❑背景与意义❑研究现状❑存在问题
定期维修（TBM）状态维修
（CBM）
以可靠性为中心，辅之预防性试验的维修方式。

维修的时间间隔是根据设备的历史监测信息，分析其趋势加以预测诊断确定的。

事后维修
（FBM）
二战后
七十年代后
实现状态维修的前提条件是在线监测技术的应用，在线监测量会受到环境因素的影响，研究其影响情况并进行合理修正是在线监测与诊断技术实用化的基础。

停电检测与带电检测条件对比
停电检测带电检测
全天候
环境要求温度15~25 ºC，湿度
小于65％
检测电压10kV运行电压
现场干扰带电设备邻相设备、其它带电设
备、操作
设备状况冷状态热状态
检测标准试验规程尚无
1.2 研究现状
电容型设备绝缘在线测量方法研究 介质损耗因数（tanδ）计算方法研究 电容型设备绝缘状况诊断方法
电容型设备绝缘在线测量方法研究
（1）绝对测量方法。

（2）相对测量方法。

电流传感器电流传感器
检测装置
（3）两者结合。

介质损耗因数（tanδ）计算方法研究
（1）过零比较法。

该方法通过检测电流、电压信号过零点的时间差计算介损，该方法对过零点的测量准确性要求很高，易受到干扰。

（2）相关函数法。

该方法首先提取基波信号，再计算其自相关函数与互相关函数得到tanδ。

（3）高阶正弦拟合法。

该方法采用最小二乘法拟合信号，使实际信号与拟合信号的误差平方和最小，可以计算出信号的参数，从而得到介损值。

（4）谐波分析法。

将谐波分析的思想用于设备绝缘tanδ的数字化测量，该方法首先提取电压电流基波信号，然后比较其相角。

总之，对于tanδ的数值计算方法，现有文献研究较多，取得了不错的计算精度，基本满足了工程计算的要求。

绝缘状况诊断方法
（1）从当前测量值的纵比（主要指历史比较）、横比（主要指相间同类设备）来判断设备状态。

（2）根据系统正常状态下的数据建立相应的自回归滑动模型，将测量数据与模型计算数据的残差作为故障的征兆。

（3）末屏全电流的幅值与相位变化进行诊断的方法。

（4）基于介损在线监测数据规律性挖掘方法的诊断方法。

1.3 存在的问题
目前已实际投运的系统运行效果并不理想，没有取得预期的经济效益和社会效益。

反映出来的技术问题主要有：
1）缺乏对电容型设备介质损耗因数的数据修正方法研究，因此，在线监测数据和离线监测数据的等效性难以确立，从而难以将已经成熟的基于离线测试数据的状态诊断方法移植到在线监测上来。

2）监测装置的开发水平不高，系统抗电磁干扰与环境影响能力差，上位机软件的数据处理功能不完全，电容型设备分布比较分散，分布式采样的同步性难以保证。

二、电容型设备绝缘在线监测与故障
诊断系统简介
系统结构
硬件设计
软件设计
现场应用情况
Ethernet
监测主机
防火墙/代理服务器Web 服务器
数据服务器
Internet/Intranet
远程监测
远程监测
Modem
远程维护
485现场总线SU
IPU TA n
SU
IPU
IPU
IPU
SU
SU
温湿度
TV
监测层
控制层信息层
TA 1
2.1 系统结构
①系统根据功能的需要划分了层次
②只需一对通信总线就能进行数据传输与控制
③采用RS485总线方式实现分布式采样
④采用B/S 模式实现远程监控
⑤就地完成模拟信号的数字化处理
系统结构特点
主站系统
全站设备状态采集和
集成设备
变电智能监测装置站A
站站站
自动化信息监测装置站内通信网络
与全站设备状态采集和集成设备通信协议
电力通信专网
与主站通信协议
传感器全站设备状态采集和
集成设备
输电智能监测装置
站B
自动化信息监测装置站内通信网络
与全站设备状态采集和集成设备通信协议
传感器
站站站站站
站站站
电力通信专网
与主站通信协议
2.1 系统结构
电容型设备绝缘在线监测系统现场设计
基于电容分压测量的原理
接线图
C x
R x C 1
U 1
I X U θδ
U
1
U
X
I X
X
I C ωX X
I R -10
-5
05
10
116
31
46
61
电压/V
曲线1为SU 测量电压波形，曲线2为母线电压波形
监测系统采样的波形
1
2
电流传感器
容型设备
母线
i(t)
U(t)
基于电流传感器测量的原
理接线图
-10
-5
05
10
116
31
46
61
电压/V
曲线1为SU 测量电压波形，曲线2为母线电压波形
监测系统采样的波形
1
2
本系统共设计了两种接口:
穿心式电流互感器
分压电容
2.2 硬件设计（硬件环境要求）
服务器软件环境
Window2000 Professional，IIS5.0，数据库软件为SQL Server2000。

服务器硬件环境
PⅢ550/256M，10G硬盘以上
客户机软件环境
Windows95、98、NT或2000+IE5.0
客户机硬件环境
PII200/32M，6G硬盘以上
硬件采集系统
总线
上级监测中心
信息查询
局域网/拨号
数据采集
计算分析初始化参数设备信息记录
监测画面
监测系统
图形系统
信息查询系统
绝缘在线监测系统软件设计框图
2.3 软件设计
图6-2 多下位机同步采样原理图
采用调度自动化
SCADA
界面
动态前景显示设备状态
建立先进的数据库管理系统
3-1 图形系统操作界面
2.3 软件设计
电容型设备绝缘在线监测系统软件处理
（1）数据查询
查询方便、灵活，可选择鼠标点击监测设备、主菜单查询或右键菜单方式，查询设备的今日记录、历史记录和试验记录。

可方便的对记录内容进行分析与打印。

（2）系统设定
为更好的提高系统的运行效率，操作管理员可以进行修改采样时间间隔、修改PT的角差与通道、修改测量单元误差与通道、设定设备警界值、更换基准设备等操作。

以上的所有操作均是对专门的数据库进行，可靠且维护方便。

（3）系统报警
从监测数据和系统运行两个角度，尽可能考虑会出现的问题与故障，故设置三类报警信息，当实时监测中经判断发现异常后，会进行报警。

包括：设备绝缘状况报警；测量通道故障；系统资源报警。

系统的测量精度如下：
泄漏电流：±1.0%
等值电容：±1.0%
tanδ ：±0.1% （绝对误差）系统电压：±0.5%
温度：±1.0℃（绝对误差）湿度：±3.0% （绝对误差）
两台主变套管在线监测数据分析
变压器相
别
末屏接地电流/mA等效电容值/pF tanδ/%
均
值
均方
差
最大
偏差
均值
均方
差
最大
偏差
预试
值
均
值
均方
差
最大
偏差
预试
值
1＃A相 4.06 2.03×
10－3
0.03191.70.459 2.361890.518.29×
10－7
0.030.45
B相 4.07 1.97×
10－3
0.03193.50.663 3.011910.489.24×
10－7
0.030.47
C相 4.07 2.11×
10－3
0.03190.30.772 2.531920.477.98×
10－7
0.020.43
2＃A相7.10 1.52×
10－3
0.02333.20.342 1.973350.41 3.87×
10－7
0.020.33
B相7.12 1.41×
10－3
0.02331.90.385 2.263320.35 4.09×
10－7
0.020.33
C相7.11 1.36×
10－3
0.02335.40.257 1.84336
0.38 3.42×
10－7
0.020.34
2.4 现场应用状况
小结
✓系统采用分层分布式结构，根据功能的需要来划分应用层次，保持了各层功能的相对独立性。

✓提出了多下位机同步采样方法。

✓采用电容分压方式设计了信号采集单元（SU ）。

✓采用模块化的思想设计了在线监测系统的软件。

✓对实际运行的监测系统检测分析发现，系统测量结果准确性高、稳定性好。

三、变压器铁芯接地电流在线监测与故障
限流报警系统
应用背景
基本原理
应用现状
应用背景
变压器铁芯多点接地是一种常见的故障，统计资料表明，铁芯多点接地在变压器总事故中占第3位。

产生的主要原因有：现场装配及施工中不慎遗落金属异物，造成多点接地或铁轭与夹件短路，芯柱与夹件相碰；运行时间长，各种导电杂物堆积而造成铁芯多点短路等等。

及时准确地诊断与处理变压器铁芯多点接地故障，对保证变压器的安全运行具有重要意义。

华北电力大学高电压与绝缘技术研究所在此方面进行了深入的基础研究，开发研制的变压器铁芯接地电流在线监测仪与现场便携式故障处理装置，已在河北、山东电网的厂站实际应用，运行效果良好。

CT
铁芯电流
在线监测
系统
铁芯接地线
铁芯引出线套管
限流电阻网络
电流传感器信号预处理、采集、存储、显示
和控制电路
变压器铁芯
RS 232变压器
监
控装置本体
接口
PXI 工控机
程控放大、滤波
A /D 转换
单片机
开关量输出
RS 232接口
FLASH 存储器
实时时钟
LCD 、LED 显示
键盘
限流电阻投/切远程通信模块
开关量输入
信号隔离
铁芯电流、限流电阻两端电
压输入
R 1R 2R 3R 4
J1J2J3支路1支路2支路3支路4支路5AC
i(t)等效阻抗Z
回路感应
电动势J4保护元件铁芯内部等效电路
限流电路
用自行研制的单匝穿芯传感器。

传感器采用高导磁超微晶材料，配合准确的变换电路，在大范围内的电流变化和温度变化情况下，能确保变换的准确度，测量误差小于1％。

纵向比较铁芯接地电流的变化趋势，判断铁芯接地是否正常。

变压器停运时可以进一步检测是否多点接地故障，并判断故障性质。

故障发生后，能够初步判断故障点的位置。

当接地电流超过设定值时，限流保护电阻自动投切。

对于悬浮接地类型的故障，具有电容放电冲击法处理的功能。

支持采样参数、历史记录、当前记录、故障记录等信息的报表查询、打印与修改，所以信息可以通过局域网Web浏览。

应用现状
铁芯接地电流在大范围内的电流变化和温度变化情况下，能确保变换的准确度，测量误差小于1％。

能迅速限制铁芯接地电流，提供接地点。