為提高電工設備運行可靠性，判斷設備壽命和及時發現早期故障，對電力系統中運行的各種電工設備的絕緣狀況進行的實時檢測與診斷。監測與診斷的主要內容包括：自動連續檢測流過絕緣的電流、介質損耗角正切(tgδ)、局部放電、絕緣油中含有的氣體、發電機過熱點、高壓斷路器和SF6全封閉組合電器，以及電力系統的全工況等。這是20世紀70年代以來逐漸發展起來的，是電子計算機和光電子學在電力工程中套用的結果。由於電工設備的事故大多是絕緣事故，所以絕緣線上監測與診斷不僅在發電廠、變電所的全工況監控中占有重要地位，而且在整個電力系統的綜合自動化調控系統中也占有重要地位。
基本介紹
- 中文名：絕緣線上監測與診斷
- 目的：提高電工設備運行可靠性等
- 檢測內容：自動連續檢測流過絕緣的電流等
- 對象：設備及其群體
監測與診斷,工作原理,
監測與診斷
線上監測與診斷技術是以設備及其群體為對象，建立在檢測技術、信號處理、識別理論、預報決策以及計算機技術等多種現代科學成就基礎上的一門新技術。其主要步驟如下：
信號檢測→特徵提取→狀態識別→診斷決策①信號檢測：按不同診斷目的選擇最能表征工作狀態的信號。一般將這種工作狀態信號稱為初始模式。②特徵提取：又稱信號處理。將初始模式矢量進行維數壓縮和形式變換，去掉冗餘信息，提取故障特徵，形成待檢模式。③狀態識別：將待檢模式與樣板模式（故障檔案）相比較，進行狀態分類。為此要建立判別函式,規定判別準則,併力求使誤判率最小、故障漏判率為零。④診斷決策：根據判別結果採取相應對策。電工設備絕緣的線上監測與診斷同一般非電機械的診斷不同之處在於信號檢測常是位於高電位下，且有強電磁場的干擾，所以需採用光電技術隔離高電位，並設法解決電磁干擾問題，包括用光導纖維傳送信號或採用電磁禁止技術。
絕緣電流監測與診斷 高壓電工設備的電容式套管和電容式電壓互感器（見互感器）等設備具有電容式絕緣,其正常狀態下的等值電路由電容-電阻鏈組成。當有絕緣缺陷時，則絕緣電阻已不能忽視。無論絕緣缺陷是處於早期或是已充分發展，均可由電流作為監測對象靈敏地反映出來。測量三相系統中 3個同類設備的電流總和,可將流過正常絕緣的電流補償掉,從而提高測量的靈敏度。此外，還需設法補償掉鄰近設備的感應電流。測得的信號送入計算機，以實現線上監測與診斷。
介質損耗角正切的監測與診斷 利用電橋法可實現對介質損耗角正切的線上監測。用低壓電容作為比較用的標準電容，通過電壓互感器與電力系統相連。採用微處理機可實現電橋調節平衡的自動化和數據定時採集等功能。由於經常調節電橋觸點，長期監測需保證其運行的可靠性,是其缺點。數位化測量法採用tgδ數位化測量儀，避免了調節平衡的複雜過程。基本原理是通過相位比較器，利用脈衝計數直接求得兩個正弦電信號之間的相位差。被測設備的電壓信號由高壓標準電容取得。利用特殊的自動平衡電路以減少相位比較器的飄移。通過相位比較器測得數據後採用脈寬調製轉換為光脈衝，再經過光導纖維傳送到接收部分,然後又還原為電信號,最後實現數字顯示。利用光纖技術，接收部分可以直接處於高電位，而且避免了電磁干擾。當電壓信號從電壓互感器取得時，需利用軟體修正互感器的角差。通過對監測到的 tgδ值與過去測得值、一般經驗值以及標準規定值的對比和判定，可對絕緣作出診斷。
局部放電的監測與診斷 較大的局部放電是電工設備絕緣開始老化的徵兆。70年代以來，對它的監測和控制越來越重視。檢測局部放電有兩種方法：脈衝電流法和超聲法。前者用於測量放電電流脈衝；後者用於測量放電造成的超聲壓力波。脈衝電流法靈敏度高，但難於與設備外部電暈等放電現象造成的電磁干擾相區別。超聲法抗電磁干擾性能好，採用幾個超聲感測器還能對放電定位。但由於聲波在設備內部絕緣中的吸收和散射，靈敏度不如脈衝電流法高，而且易受機械振動（如風砂敲擊設備外殼、鐵心電磁振動等）的干擾。線上監測系統綜合採用脈衝電流法和超聲法，並採用光纖傳輸信號以克服干擾影響，從而提高監測的靈敏度和可靠性。以某500千伏變壓器的監測裝置為例，其原理是,從電容套管末屏和中性點接地引線測得局部放電產生的脈衝電流信號。緊貼油箱外壁裝設5個壓電超聲感測器,檢測局部放電造成的超聲信號。根據超音波在變壓器內部絕緣中的傳播速度和變壓器的尺寸，可以算出超聲信號比電流信號(它的傳播時間可忽略不計)滯後的最小時間t和最大時間t。若滯後時間t符合下列關係：
信號檢測→特徵提取→狀態識別→診斷決策①信號檢測：按不同診斷目的選擇最能表征工作狀態的信號。一般將這種工作狀態信號稱為初始模式。②特徵提取：又稱信號處理。將初始模式矢量進行維數壓縮和形式變換，去掉冗餘信息，提取故障特徵，形成待檢模式。③狀態識別：將待檢模式與樣板模式（故障檔案）相比較，進行狀態分類。為此要建立判別函式,規定判別準則,併力求使誤判率最小、故障漏判率為零。④診斷決策：根據判別結果採取相應對策。電工設備絕緣的線上監測與診斷同一般非電機械的診斷不同之處在於信號檢測常是位於高電位下，且有強電磁場的干擾，所以需採用光電技術隔離高電位，並設法解決電磁干擾問題，包括用光導纖維傳送信號或採用電磁禁止技術。
絕緣電流監測與診斷 高壓電工設備的電容式套管和電容式電壓互感器（見互感器）等設備具有電容式絕緣,其正常狀態下的等值電路由電容-電阻鏈組成。當有絕緣缺陷時，則絕緣電阻已不能忽視。無論絕緣缺陷是處於早期或是已充分發展，均可由電流作為監測對象靈敏地反映出來。測量三相系統中 3個同類設備的電流總和,可將流過正常絕緣的電流補償掉,從而提高測量的靈敏度。此外，還需設法補償掉鄰近設備的感應電流。測得的信號送入計算機，以實現線上監測與診斷。
介質損耗角正切的監測與診斷 利用電橋法可實現對介質損耗角正切的線上監測。用低壓電容作為比較用的標準電容，通過電壓互感器與電力系統相連。採用微處理機可實現電橋調節平衡的自動化和數據定時採集等功能。由於經常調節電橋觸點，長期監測需保證其運行的可靠性,是其缺點。數位化測量法採用tgδ數位化測量儀，避免了調節平衡的複雜過程。基本原理是通過相位比較器，利用脈衝計數直接求得兩個正弦電信號之間的相位差。被測設備的電壓信號由高壓標準電容取得。利用特殊的自動平衡電路以減少相位比較器的飄移。通過相位比較器測得數據後採用脈寬調製轉換為光脈衝，再經過光導纖維傳送到接收部分,然後又還原為電信號,最後實現數字顯示。利用光纖技術，接收部分可以直接處於高電位，而且避免了電磁干擾。當電壓信號從電壓互感器取得時，需利用軟體修正互感器的角差。通過對監測到的 tgδ值與過去測得值、一般經驗值以及標準規定值的對比和判定，可對絕緣作出診斷。
局部放電的監測與診斷 較大的局部放電是電工設備絕緣開始老化的徵兆。70年代以來，對它的監測和控制越來越重視。檢測局部放電有兩種方法：脈衝電流法和超聲法。前者用於測量放電電流脈衝；後者用於測量放電造成的超聲壓力波。脈衝電流法靈敏度高，但難於與設備外部電暈等放電現象造成的電磁干擾相區別。超聲法抗電磁干擾性能好，採用幾個超聲感測器還能對放電定位。但由於聲波在設備內部絕緣中的吸收和散射，靈敏度不如脈衝電流法高，而且易受機械振動（如風砂敲擊設備外殼、鐵心電磁振動等）的干擾。線上監測系統綜合採用脈衝電流法和超聲法，並採用光纖傳輸信號以克服干擾影響，從而提高監測的靈敏度和可靠性。以某500千伏變壓器的監測裝置為例，其原理是,從電容套管末屏和中性點接地引線測得局部放電產生的脈衝電流信號。緊貼油箱外壁裝設5個壓電超聲感測器,檢測局部放電造成的超聲信號。根據超音波在變壓器內部絕緣中的傳播速度和變壓器的尺寸，可以算出超聲信號比電流信號(它的傳播時間可忽略不計)滯後的最小時間t和最大時間t。若滯後時間t符合下列關係：
t<t<t
則可判定確為內部絕緣的局部放電。而單獨出現的脈衝電流信號或超聲信號都是外部干擾。根據各超聲感測器測得信號的時間差，還可確定放電的部位。自動監測儀還定期發出模擬局部放電的信號，送回感測器，以檢查感測器和傳輸系統工作是否正常。每天放電次數的增加，特別是放電超過1000皮庫的數目的迅速增加，就說明絕緣在快速老化。許多國家規定，正常變壓器的局部放電量標準是不超過100～300皮庫。
絕緣油中氣體的監測與診斷 油浸電工設備如變壓器中發生局部放電或過熱故障時，油和紙都會析出氣體。例如,局部放電時會分解產生H2、C2H2、CH4、C2H4等；發生過熱故障時絕緣油會熱分解出H2、CH4、C2H4等；絕緣油和絕緣紙、紙板等植物纖維製品會分解產生CO、CO2、H2、CH4、C2H4等。多年經驗證明,這些氣體量的變化相當可靠地反映出絕緣的狀況,以及是否能再繼續運行。所以採用氣相色譜儀分析油中溶解的氣體含量不僅能判斷早期故障，還能判斷故障的類型和程度。由於上述各類故障都會產生H2，所以連續監測油中的H2含量就能判斷早期故障。利用高分子膜(聚醯亞胺膜或聚四氟乙烯膜)的透氣性，從油中抽取所溶解的H2，然後用氣敏元件檢測、記錄，並於超過某一限值時報警。為判斷故障類型，還需發展能監測更多種氣體的連續監測儀，例如能監測H2、CO、C2H2、C2H4等4種氣體的儀器。用聚四氟乙烯膜抽取油中的氣體，再用高分子膜分離出H2，H2可用氣敏元件監測，其餘氣體用空氣作載體送入簡易氣相色譜儀分析。利用診斷單元進行的線上診斷如圖1所示。 發電機過熱點的監測與診斷 發電機定子或轉子發生故障之前，通常是先出現由於電應力或機械應力引起的某種形式的發熱。對現代氣體冷卻發電機，高電壓和氫氣的潛在爆炸危險是對發電機進行過熱點線上監測與診斷的主要原因。早期報警可對設備進行檢修，這種短暫停機的小修可以防止需要幾周時間的長期停機的大修，或者防止機組發生重要大事故。
絕緣油中氣體的監測與診斷 油浸電工設備如變壓器中發生局部放電或過熱故障時，油和紙都會析出氣體。例如,局部放電時會分解產生H2、C2H2、CH4、C2H4等；發生過熱故障時絕緣油會熱分解出H2、CH4、C2H4等；絕緣油和絕緣紙、紙板等植物纖維製品會分解產生CO、CO2、H2、CH4、C2H4等。多年經驗證明,這些氣體量的變化相當可靠地反映出絕緣的狀況,以及是否能再繼續運行。所以採用氣相色譜儀分析油中溶解的氣體含量不僅能判斷早期故障，還能判斷故障的類型和程度。由於上述各類故障都會產生H2，所以連續監測油中的H2含量就能判斷早期故障。利用高分子膜(聚醯亞胺膜或聚四氟乙烯膜)的透氣性，從油中抽取所溶解的H2，然後用氣敏元件檢測、記錄，並於超過某一限值時報警。為判斷故障類型，還需發展能監測更多種氣體的連續監測儀，例如能監測H2、CO、C2H2、C2H4等4種氣體的儀器。用聚四氟乙烯膜抽取油中的氣體，再用高分子膜分離出H2，H2可用氣敏元件監測，其餘氣體用空氣作載體送入簡易氣相色譜儀分析。利用診斷單元進行的線上診斷如圖1所示。 發電機過熱點的監測與診斷 發電機定子或轉子發生故障之前，通常是先出現由於電應力或機械應力引起的某種形式的發熱。對現代氣體冷卻發電機，高電壓和氫氣的潛在爆炸危險是對發電機進行過熱點線上監測與診斷的主要原因。早期報警可對設備進行檢修，這種短暫停機的小修可以防止需要幾周時間的長期停機的大修，或者防止機組發生重要大事故。
工作原理
美國環境公司在一些發電廠安裝了他們開發的發電機狀態監視系統(GCM)。其工作原理是,通過監視器的氫氣流含有低電平的離子源，在發電機正常運行狀態下監視保持著穩定的檢測電流。若過熱點發展，在氫氣中含有發熱的材料產生的微粒時,粒子就收集在離子室內,並且檢測電流將按粒子集中的比例而發生變化。這就提供了故障趨勢或根據記錄進行報警。80年代後期，這種檢測形式又有發展，用各種“標記”化合物塗在發電機的內部和各元件上，既可以檢測過熱，又能鑑別實際發熱點的位置，為檢修工作尋找潛在的故障點提供方便。
高壓斷路器和SF6全封閉組合電器(GIS)的監測與診 斷 高壓斷路器和 GIS是變電所的兩大基本設備，它們的安全運行是整個變電所和全電力系統安全運行的基礎。對於高壓斷路器的電容式套管的監測與前述電容式套管和電容式互感器的監測相同。對於開關油的監測則與變壓器油的監測相似。至於現在廣泛套用的六氟化硫斷路器,其套管的監測同前,而SF6氣體的監測與GIS的氣體監測相似。由於GIS結構上的特點,發生故障後難於尋找故障點,而且檢修停電時間又長,所以各國都很重視它的線上監測與診斷。監測的項目也比其他設備要求齊全，一般包括:①盤形絕緣子等有機部件的局部放電；②SF6氣體的成分及所含水分；③SF6氣體的壓力；④開關動作；⑤故障定位。對後者的監測採用電信號法和聲傳播法等。
全工況監控系統 電力設備和電力系統向大容量、高電壓、大系統的發展，給自動線上監測與診斷提出了更高的要求。80年代以來，變壓器、開關設備等的少維修、免維修，以及發電廠、變電所的綜合自動化和無人值守，更要求線上監測向多參量、全工況發展，而且不僅是對絕緣進行監測，還要求對與絕緣有關的溫度（如最熱點），以及其他參數和狀態進行監測，並逐步實現智慧型化。絕緣線上監測與診斷已經與其他項目的監測與診斷有機地結合在一起，形成智慧型化的全工況監控系統。圖2是變電所全工況監控系統的構成。 隨著電子計算機的廣泛套用，傳統的模擬式信號測量與傳輸將要發展為數字式遙測。信號傳輸通過硬線聯結的集中式繼電器保護系統將要轉變為以軟體編程為主的計算機分級監控保護系統，在電網調度中心的統一監控下,組成多級的智慧型化的遠方終端方式,而各電工設備本身則附有各自的微機線上監測與控制裝置。這樣,系統的各級都有不同程度的智慧型化的功能完善的控制和保護系統。這種系統不僅起到傳統的控制保護作用,而且還可進行系統的負荷、潮流的最佳分配,可對各種電工設備的工作狀態進行監測，預測可能發生的故障，預測設備的壽命等等。這樣的系統被稱為電力系統的第三代監控保護系統（Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA）。這些新技術的開發和套用,在以安全第一為宗旨的電力系統中雖然還是謹慎、緩慢地進行著，但其發展的趨勢是清楚的。所以隨著電力系統自動化的發展，絕緣線上監測與診斷技術及其裝置，雖然有些仍然獨立存在，但有些則日益與電力系統的綜合自動化和智慧型化監控相結合，形成電力系統的智慧型化的線上監控系統。在上述變電所的全工況監控系統中，還設定了工業電視及感測器，以監視設備現場的外觀狀態。基層監控箱經過光導纖維通道與變電所主控室的主計算機聯接。主控室實現人機對話，有各種輸入輸出設備，定期從各設備監控箱讀取數據，並向上一級控制中心傳送數據和各種處理後的信息。主控室的計算機系統有更強的智慧型化功能，除處理本變電所的信息外，還與電力系統的上一級調度中心進行聯繫，以實現全系統的綜合自動化調控。
高壓斷路器和SF6全封閉組合電器(GIS)的監測與診 斷 高壓斷路器和 GIS是變電所的兩大基本設備，它們的安全運行是整個變電所和全電力系統安全運行的基礎。對於高壓斷路器的電容式套管的監測與前述電容式套管和電容式互感器的監測相同。對於開關油的監測則與變壓器油的監測相似。至於現在廣泛套用的六氟化硫斷路器,其套管的監測同前,而SF6氣體的監測與GIS的氣體監測相似。由於GIS結構上的特點,發生故障後難於尋找故障點,而且檢修停電時間又長,所以各國都很重視它的線上監測與診斷。監測的項目也比其他設備要求齊全，一般包括:①盤形絕緣子等有機部件的局部放電；②SF6氣體的成分及所含水分；③SF6氣體的壓力；④開關動作；⑤故障定位。對後者的監測採用電信號法和聲傳播法等。
全工況監控系統 電力設備和電力系統向大容量、高電壓、大系統的發展，給自動線上監測與診斷提出了更高的要求。80年代以來，變壓器、開關設備等的少維修、免維修，以及發電廠、變電所的綜合自動化和無人值守，更要求線上監測向多參量、全工況發展，而且不僅是對絕緣進行監測，還要求對與絕緣有關的溫度（如最熱點），以及其他參數和狀態進行監測，並逐步實現智慧型化。絕緣線上監測與診斷已經與其他項目的監測與診斷有機地結合在一起，形成智慧型化的全工況監控系統。圖2是變電所全工況監控系統的構成。 隨著電子計算機的廣泛套用，傳統的模擬式信號測量與傳輸將要發展為數字式遙測。信號傳輸通過硬線聯結的集中式繼電器保護系統將要轉變為以軟體編程為主的計算機分級監控保護系統，在電網調度中心的統一監控下,組成多級的智慧型化的遠方終端方式,而各電工設備本身則附有各自的微機線上監測與控制裝置。這樣,系統的各級都有不同程度的智慧型化的功能完善的控制和保護系統。這種系統不僅起到傳統的控制保護作用,而且還可進行系統的負荷、潮流的最佳分配,可對各種電工設備的工作狀態進行監測，預測可能發生的故障，預測設備的壽命等等。這樣的系統被稱為電力系統的第三代監控保護系統（Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA）。這些新技術的開發和套用,在以安全第一為宗旨的電力系統中雖然還是謹慎、緩慢地進行著，但其發展的趨勢是清楚的。所以隨著電力系統自動化的發展，絕緣線上監測與診斷技術及其裝置，雖然有些仍然獨立存在，但有些則日益與電力系統的綜合自動化和智慧型化監控相結合，形成電力系統的智慧型化的線上監控系統。在上述變電所的全工況監控系統中，還設定了工業電視及感測器，以監視設備現場的外觀狀態。基層監控箱經過光導纖維通道與變電所主控室的主計算機聯接。主控室實現人機對話，有各種輸入輸出設備，定期從各設備監控箱讀取數據，並向上一級控制中心傳送數據和各種處理後的信息。主控室的計算機系統有更強的智慧型化功能，除處理本變電所的信息外，還與電力系統的上一級調度中心進行聯繫，以實現全系統的綜合自動化調控。
