1、前言 電力系統的供電可靠性關系到國計民生，如何有效地保障電力系統的安全、可靠運行一直是電力部門的一個重要課題，而高壓設備的安全運行是整個系統安全運行的基礎。高壓電氣設備在電網中運行時，如果其內部存在因制造不良、老化以及外力破壞造成的絕緣缺陷，會發生影響設備和電網安全運行的絕緣事故。因此，在設備投運后，傳統的做法是定期停電進行預防性試驗和檢修，以便及時檢測出設備內部的絕緣缺陷，防止發生絕緣事故。但是，隨著國民經濟的發展，社會對電力供應的可靠性要求越來越高，電力系統也逐漸發展壯大，傳統的定期停電進行預防性試驗的做法已不能滿足電網高可靠性的要求。 隨著科學技術的發展，提出了高壓電氣設備絕緣在線監測的概念，并得到業內人士的歡迎，其技術也得到了迅速發展。我公司所轄的多個500kV變電站自1998年開始使用這一技術，取得了一些經驗和較好的效果。根據在線監測系統的監測結果，發現了500kV—200kV多臺電流互感器介損嚴重超標、1臺500kV避雷器泄露電流嚴重超標的缺陷。 2、高壓電氣設備絕緣在線監測技術研究的發展概況 國外許多電力公司從上個世紀70年代就開始研究并推廣應用變電設備在線監測技術，主要目的就是減少停電預防性試驗的時間和次數，提高供電可靠性。但當時的設備簡陋，測試手段簡單，水平較低。隨著計算機技術的飛速發展，在線監測設備產品不斷更新完善，在線監測技術水平不斷提高。到目前為止，許多國家已廣泛使用線監測技術手段。在近幾年來召開的歷屆國際高電壓技術學會（ISH）及亞洲絕緣診斷會（ACEID）上，有關電氣設備絕緣在線監測與狀態檢修方面的論文占有相當大比例。絕緣在線監測技術的發展大體經歷了3個階段。 （1）帶電測試階段。這一階段起始于70年代左右。當時人們僅僅是為了不停電而對電氣設備的某些絕緣參數（如泄露電流）進行直接測量。設備簡單，測試項目少，靈敏度較差。 （2）從80年代開始，出現各種專用的帶電測試儀器，使在線監測技術從傳統的模擬量測試走向數字化測量，擺脫將儀器直接接入測試回路的傳統測量模式，取而代之的是使用傳感器將被測量的參數直接轉換成電器信號。 （3）從90年代開始，隨著計算機技術的推廣使用，出現以計算機處理技術為核心的微機多功能絕緣在線監測系統。利用計算機技術、傳感技術和數字波形采集與處理技術，實現更多的絕緣參數在線監測。這種在線監測信息量大、處理速度快，可以對監測參數實時顯示、儲存、打印、遠傳和越線報警，實現了絕緣在線監測的自動化，代表了當今絕緣在線監測的發展方向。到目前為止，大量的在線監測的技術已經在電力系統設備缺陷檢測中得到廣泛應用，并有了一定的經驗。如變壓器油在線色譜分析、電氣設備的紅外測溫技術等已經非常成熟，并在檢測設備的絕緣性能中發揮了重要的作。 在國內，在線監測技術的開發與應用始于上世紀80年代。由于受當時整體技術水平的限制，如電子元件的可靠性不高，計算機應用剛剛起步，當時的在線監測技術水平較低。80年代末曾在國內掀起了第一個應用高潮，后來由于種種原因又漫漫冷了下來，到90年代中期處于一個低落時期，但是一些廠家和科研院校并沒有放松對該項技術的研究，各地的供電部門也陸續引入在線監測技術。到2000年后，隨著在線監測技術的不斷成熟及客觀的需要，在線監測技術又開始重新被大家所重視，目前，在國內很多地區都開展了這項工作。 3、基本原理 3.1 基本原理 高壓電氣設備絕緣在線監測技術是在電氣設備處于運行狀態中，利用其工作電壓來監測絕緣的各種特征參數。因此，能真實的反映電氣設備絕緣的運行工況，從而對絕緣狀況作出比較準確的判斷。 高壓電氣設備絕緣在線監測主要檢測參數是電氣設備的介損值，其測量原理大都使用硬件鑒相既過零比較的方法。目前的絕緣在線監測產品基本都是用快速傅立葉變換（FFT）的方法來求介損。取運行設備PT的標準電壓信號與設備泄露電流信號直接經高速A/D采樣轉換后送入計算機，通過軟件的方法對信號進行頻普分析，僅抽取50HZ的基本信號進行計算求出介損。這種方法能很好地消除各種高次諧波的干擾，測試數據穩定，能很好地反映出設備的絕緣變化。對于設備物理量（如變壓器油溫、氣體含量等）的在線監測則是通過置放傳感器探頭的方法采集信號，并轉換成數字信號送入計算機分析處理。 3.2 系統的一般功能 近幾年研制的高電壓設備絕緣在線監測系統既能對帶電設備的絕緣特性參數實時測量，又能對獲取數據進行分析處理。一般具有以下功能： （1） 測量避雷器在運行中的容性電流和阻性電流變化情況，掌握其內部絕緣受潮以及閥片老化情況。 （2） 測量CVT、耦合電容器、電流互感器、套管等容性設備的泄漏電流和介質損耗，掌握其內部受潮和絕緣老化及損壞缺陷。 （3） 測量充油設備絕緣油的內部可燃性氣體變化情況，掌握設備內部有無過熱、放電等缺陷情況。但對整套在線測量系統來說，要保證其測量準確、性能穩定，其必須達到以下性能： a. 檢測阻抗穩定，不受變電站強電磁干擾的影響，在系統操作過電壓、雷電過電壓作用下具有自保護性，不發生性能變化和軟件損壞現象。 b. 檢測信號傳輸好，不發生失真和對其附近的其他信號有影響，同時也不受其他信號的干擾。 c. 具有專家分析功能，智能化判斷設備內部絕緣狀態。 d. 系統分析數據能夠遠程傳輸，實現數據共享。 4、監測設備要點分析 4.1 避雷器 目前變電站使用的氧化鋅避雷器絕大部分不再有串聯間隙，MOA運行期間總有一定的泄漏電流通過閥片，加速閥片老化；而受潮和老化是MOA閥片劣化的主要原因。檢測MOA泄漏全電流和阻性電流能有效地反應MOA的絕緣狀況，在電流測量反映整體嚴重受潮現象，早期老化時阻性電流增加較多，全電流變化則不明顯。在正常運行情況下，流過避雷器的主要電流為容性電流，阻性電流只占有很小的一部分，約為10%-20%左右。阻性分量主要包括：瓷套內、外表面的沿面泄漏，閥片沿面泄漏及其本身的非線性電阻分量，絕緣支撐件的泄漏等。當閥片老化、避雷器受潮、內部絕緣部件受損以及表面嚴重污穢時，容性電流變化不多，而阻性電流卻大大增加。避雷器事故主要原因是阻性電流增大后，損耗增加，引起熱擊穿。所以測量交流泄漏電流及其有功分量是現場檢測避雷器的主要方法，預防性試驗規程也將氧化鋅避雷器（MOA）“運行中泄漏電流”的測量列入預試項目。 4.2 CVT、耦合電容器、電流互感器、套管等容性設備 測量CVT、耦合電容器、電流互感器、套管等容性設備介質損失角正切值是一項靈敏度很高的試驗項目，它可以發現電氣設備絕緣整體受潮、絕緣劣化以及局部缺陷。絕緣受潮缺陷占用電容型設備缺陷的85.4%，這是由于電容型結構是通過電容分布強制均壓的，其絕緣利用系數較高，一旦絕緣受潮往往會引起絕緣介質損耗增加，導致擊穿。 絕緣最終擊穿的發展速度非常快，然而絕緣劣化一般具有以下一些基本特征： （1） 絕緣介質損耗值會增加，由此以及其他原因產生的熱量最終可能導致絕緣的熱擊穿。測量絕緣損失角正切值（tgδ）可以檢測介質損耗的變化。 （2） 絕緣中可能伴隨有局部放電和樹枝狀電的發生。放電量很大的局放通常只是在有雷電或者操作過電壓存在以及絕緣損壞的過程中才出現，通過tgδ測量可以反映由此產生的介質損耗。 （3） 絕緣特性受溫度變化的影響增大。絕緣溫度系數決定于絕緣本身的型式，大小和絕緣狀況，對于特定的電壓等級和絕緣設計，由于絕緣劣化導致溫度系數的增加，tgδ值的溫度非線性和靈敏度都會增加。因而，影響絕緣溫度的所有因數（介質損耗、環境溫度、負載變化等）對于老化的絕緣tgδ值的影響都更加顯著。 對于具有電容式絕緣的設備，通過其介電特性的檢測可以發現尚處于比較早期發展階段的缺陷。研究表明，在缺陷發展的起始階段，測量電流增加率和測量介質損耗正切值變化所得的結果一致，都具有很高的靈敏度；在缺陷發展的后期階段，測量電流增加現象和電容變化的情況一致，更容易發現缺陷的發展情況。 5、案例介紹 目前，我公司管轄9座500kV變電站和13條線路。我公司管轄的500kV變電站于上世紀90年代后期開始對部分變電站安裝高電壓設備絕緣在線監測裝置。以500kV濰坊變電站高壓設備狀態監測系統為例，介紹其安裝及運行情況。 500kV濰坊變電站高壓設備狀態監測系統自1988年投運，投運之初系統不完善，且部分高壓設備實際并未接入運行，造成運行不可靠，沒有發揮應有的作用。2001年我們投資對系統進行改造，安裝了一套CIE—2000型絕緣在線監測系統。 5.1 系統介紹 （1）CIE—2000型絕緣在線監測系統分三大部分。第一部分是就地信號采集單元，第二部分是前臺處理系統，第三部分為遠程數據分析和傳輸系統。前臺處理系統通過工業總線控制就地信號采集單元，用多種形式顯示，直觀對比當前與歷史數據曲線，并由內部局域網或向遠程數據分析和傳輸系統傳送。診斷軟件通過WEB遠程下載變電站當前、歷史數據，并可接入山東電力超高壓公司MIS系統，協助有關專業人員作出評估及管理。 電壓信號傳感器 電流信號傳感器 電壓信號 絕緣泄漏 電流信號 A/D轉換 FFT算法 測試箱 工控機 本站CRT 電話 控制器 MODEM CIE2000后臺系統 （2）根據終端板放置在不同的位置可分為總線式和分線式?？偩€式是指終端板放置于終端箱內，并安裝在現場，信號箱輸出電纜都接于終端板內，只須n根總線引到主控室，使主控室中機屏更整齊，節省了電纜。分線式是指終端板裝于主控室中的機屏里，電纜都要從現場引入主控室的機屏斷子排，再引入終端板。 （3）CIE—2000型絕緣在線監測系統的測試精度 一次泄露電流：1% 設備等值電容：1.5% 系統電壓：1% 頻率：0.05HZ 介損測試精度：0.1% 避雷器有功電流：10% 避雷器全電流：5% 5.2 全面升級改造主機柜 2001年初，500kV濰坊變電站高壓設備狀態監測系統升級改造開始施工，安裝了CIE—2000型絕緣在線監測系統。主機柜內含計算機（工控機）系統、信號輸入/處理、電源等部件，工控機是控制測量核心部件。將主機柜設備全部更新換代，更換工控機為PENTIUM III800SIC級，基本滿足全站數據檢測、處理和存儲要求；更換前臺主機為CPU586，內存16M，顯示內存1M，硬盤容量1G；工作軟件使用新開發CIE2000系統。 5.3 更換所有探頭傳感器 傳感器分為絕緣信號傳感器和電壓信號傳感器，它在系統中起著獲取、變換信號的關鍵作用，因為它的性能優良好壞直接決定檢測系統品質。將其全部更換為全環氧澆注且帶鐵殼屏蔽的ISS-80型，末屏接地線一并更換大截面多股線。注意在安裝信號抽取箱時，使信號抽取箱安裝后前部比后部略高，以防積水進入；信號抽取箱接地要用10號鋼筋焊接接地，保證其接地可靠。 5.4 敷設鎧裝屏蔽電纜 將原有電纜更換，重新敷設六芯鎧裝屏蔽電纜，電纜頭加裝高強度絕緣護套，既防鼠、防機械損傷，又抗干擾、整齊美觀。 5.5 連接調試 在整個安裝施工階段，須注意要有良好接地系統，接地線要有足夠的流通容量。整個系統設備安裝完畢，進入聯機調試試運行階段。對即時出現不正常狀態及時進行調機處理，如發現1#主變B相接地電流超標報警，用鉗形表實際測量設備正常，后發現是一相探頭出問題，馬上進行改正。經過反復調試比較，經過一周時間的試運行后，裝置趨于穩定。下圖是1#主變500KV避雷器的信號傳輸圖，可以看出通過圖象、數據都可進行設備運行分析，并且實現了自動檢測、人工判斷雙軌并行。 5.6 系統特點 （1） 信號采集單元設計原理 采集單元就地采集所監測設備的電壓、末屏電流等信號并進行數據處理，求得其幅度、相位等參數，進而在上微機可計算介質損耗角等電氣參數。 （2） 采集單元設計特點： 采用DSP技術作為硬件平臺；傳感器采用高導磁率鐵心，可準確測量小信號的幅度及角度，屏蔽措施完備，干擾影響減少；前向放大部分采用低溫漂、高精度型運算放大器以及高精度電阻使模擬放大通道穩定。 （3） 監測系統的選型要求 選擇運行高電壓設備絕緣在線監測系統，按照檢測設備的安裝不影響變電站設備的運行方式（特別是設備部件的接地）的要求，系統采用與高壓設備沒有直接電氣連接的一匝穿芯式傳感器；選用分層分布式系統，就地采集電氣參數，應避免微安、毫安級小電流模擬信號的遠距離傳輸；施工安裝簡便，可維護性好；狀態數據就地測量要求準確、穩定。 5.7 系統運行情況 該站高壓設備狀態監測系統選擇了變壓器套管、鐵芯、電容式電壓互感器、電流互感器、氧化鋅避雷器為主要被測設備，其中避雷器測量泄漏全電流及其容性和阻性分量；變壓器套管、電容式電壓互感器、電流互感器測量其泄漏電流和介質損耗相對變化量，鐵心檢測泄漏電流，同時監測和記錄現場溫度、濕度及瓷裙表面污穢電流等環境參數。整套系統進行后臺調試后投入運行至今，系統運行正常，測量數據準確，對比實際帶電和停電測量數據，基本相吻合。經過一年運行實際運行，數據分析系統軟件功能比較完善，整個系統運行可靠。運行實踐表明，利用絕緣在線監測系統可以有效地發現某些早期絕緣故障。 6、在線監測與狀態檢修 電力系統傳統的運行維護工作，傳統的做法是實行“計劃檢修”?！坝媱潤z修”就是按照高壓電氣設備預防性試驗規程所規定的試驗周期，到期必對電氣設備進行停電檢修。而狀態檢修則是基于設備的實際工況，根據其在運行電壓下的絕緣特性參數的變化，通過分析比較來確定電氣設備是否需要檢修，以及需要檢修的項目和內容，具有及強的針對性和實時性。因此，可以說“狀態檢修”就是“應修既修，修必修好”。 6.1 計劃檢修的特點 （1） 周期性。計劃檢修是按照預防性試驗規程所規定的試驗周期，到期必修，具有很強的周期性。優點是便于工作計劃的安排。缺點是它不管設備的實際狀況，具有很大的盲目性和強制性，易造成設備的“過度檢修”，浪費了大量的人力物力，同時各種耐壓試驗又有可能對設備絕緣造成新的損傷，等等。 （2） 短暫性。定期預防性試驗只能檢測某一時間設備的絕緣狀態，不能適時檢測設備的絕緣狀態，無法確定設備何時出現絕緣缺陷，無法檢測缺陷的發展狀況，特別是設備內部發展速度快、易造成重大絕緣事故的缺陷，更是無法檢測到。 （3） 試驗電壓低。定期預防性試驗的試驗電壓一般低于設備運行電壓，所以定期預防性試驗無法準確地檢測出設備運行電壓下的缺陷。 （4） 降低了電網的供電可靠性。由于計劃檢修的定期預防性試驗需要在設備停電下進行試驗檢測，增加了設備停電時間，必然影響電網的供電可靠性，同時供電部門也造成少供電量的損失。 6.2 在線監測指導下的狀態檢修 （1） 實時性。高壓設備在線監測技術對設備絕緣狀態實時監測，不受設備運行情況和時間的限制，可以隨時檢測設備的絕緣狀態，一旦設備出現缺陷，能及時發現并跟蹤檢測、處理，對保證電網安全更具意義。 （2） 真實性。由于在線監測技術在設備運行電壓和狀態下的絕緣參數進行檢測，檢測結果符合實際情況，更加真實和全面。 （3） 針對性更強?？筛鶕^緣缺陷的發展和變化來確定檢修項目、內容和時間，檢修目的明確，針對性更強。 （4） 提高了設備供電可靠性。由于實行狀態檢修，減少了設備停電次數和時間，提高了設備供電可靠性，避免少供電損失，同時也提高了電力部門全員勞動生產率。 6.3 狀態檢修的基礎是要實時掌握和了解設備在帶電工況下的絕緣參數，在線監測技術則是獲得設備在帶電工況下的絕緣參數的唯一途徑。通過在運行電壓下實時監測絕緣的各種狀態參量并對這些量的變化量進行分析比較，來確定是否對設備進行檢修。近幾年來高電壓設備的制造質量和水平有了很大提高，也為狀態檢修提供了更好條件，狀態檢修的優勢也更加明顯。 7、問題討論 電氣設備絕緣在線監測技術的推廣應用，對電氣設備的安全運行起到了積極作用，許多供電部門積極推行狀態檢修，減輕了設備檢修工作量，提高了電網可靠性，深受供電基層單位和供電職工的歡迎。但是，由于技術的復雜性和電氣設備的多樣性，尚有一些問題值得研究和商鶴。 （1） 傳感器的特性和質量是在線監測的關鍵。目前常用的是羅可夫斯基線圈式傳感器，易受溫度、壓力、沖擊等外界環境的影響，是影響測試精度和穩定性的重 要因素。所以研制高精度、高穩定的傳感器仍是在線監測的一個研究課題。 （2） 干擾問題。由于高壓電氣設備處在強電場環境中，使微量信號的采集難度增大。 （3） 對設備制造廠家提出在線監測技術要求。目前的高壓電氣設備均未考慮在線監測問題，都是在線監測設備廠家針對運行站內設備情況進行設計并按裝。運行設備有的安裝和抽取信號，有的則不能。如變壓器鐵心溫度及頂部油溫、氣體的監測則因為無法安裝傳感器而不能監測。但如果在變壓器制造設計時予以考慮，則是一件并不困難的事。 （4） 積累運行經驗，完善專家系統，制定監測標準。 高壓電氣設備絕緣在線監測的絕緣參數往往與停電測試結果有一個“偏差”，但這個“偏差”往往存在一定規律，只要積累數據，加以分析就不難發現，并可以此為依據對照預防性試驗標準設定報警值，當設備絕緣參數超越報警值時，系統自動報警。完善專家系統，建立數據庫，強化分析功能，制定監測標準仍是目前亟待解決的問題。 （5） 積極推行狀態檢修。在積累運行經驗的基礎上，實施狀態檢修，提高電網可靠性，減少檢修工作量，又反過來推動在線監測技術的發展。 （7） 超高壓電力線路絕緣子在線檢測設備尚處于起步開發階段。前幾年，受通訊條件的限制，線路絕緣子在線檢測設備無法實現數據遠傳，沒有得到推廣使用。隨著通訊技術的快速發展，GSM無線通訊網已經基本覆蓋全國城市和鄉村，線路絕緣子在線檢測數據遠傳以不成問題。當前研制、推廣使用超高壓電力線路絕緣子在線檢測設備是一個良好的機遇。 8、結論 （1） 高壓電氣設備絕緣在線檢測技術能夠及時發現和檢測出設備內部絕緣狀態的變化，對設備絕緣故障及時處理，保證電網的安全運行。 （2） 高壓電氣設備絕緣在線監測技術是供電單位實行狀態檢修的基礎和唯一技術手段。應當進一步推廣使用絕緣在線監測技術，積累運行經驗，積極推行電氣設備狀態檢修。