高压电气设备状态检测的国内外研究现状

高压电气设备状态检测的国内外研究现状

1 引言

在电力系统和各种用户系统中，高压电器和开关设备均具有重要的地位和作用，各种高压和开关设备的工作原理和功能各不相同，构成供变电工程的各个组成部分。随着电力系统的发展，对发、输、供和用电的可靠性要求越来越高。对高压电气设备的状态检测显得尤为重要。目前国内外对高压电气设备状态检测主要是针对断路器、容性设备避雷器、变压器等设备进行检测。断路器中应用最多的是SF6封闭式组合电器，它主要指将断路器、隔离开关、母线和互感器等都是浸泡在高性能绝缘材料中，如真空、SF6气体等，，称为“气体绝缘开关设备”（ GIS，Gas Insulated Switchgear) 。对高压电器状态检测主要指的是对各种开关设备和电器进行检测，其对整个电力系统的运行起至关重要的作用。

2. 高压电器状态检测的国内外研究现状

2.1断路器状态监测的国内外现状

高压断路器实时状态监测技术在国内发展的时间不超过10年, 由于断路器状态的好坏, 对电力系统的安全、可靠运行有着直接的影响。因此, 对断路器的状态监测也是十分必要的。目前用于评估断路器状态主要采用两种方法: 一是跳闸线圈轮廓法(TCP) , 一是振动监测法。振动监测法是通用的方法,而TCP 法则是通过考察断路器动作时, 流过跳闸/闭合线圈里的电流波形来获得断路器的状态信息。因为当断路器处于不同状态时, 会产生不同的电流波形。

2.1.1 GIS中SF6断路器状态的在线检测

GIS(Gas Insulated Switchgear)装置是20世纪60年代中期出现的一种新型开关装置。GIS具有占地面积小、故障率低等优点，已成为高压开关设备的主要发展方向。GIS技术的应用，使得其核心电力元件——SF6断路器的检修更加困难，所以必须对其中的断路器进行在线状态监测才能做到维修量最小和维护费用最低。

随着技术的不断发展，SF6开关设备运行状态在线检测手段也日益进步，激光检漏和超声局放等新技术的出现，可以在设备不停电的情况下对开关设备状态进行综合在线检测，并对故障点进行精确定位，为现场SF6 开关状态的在线检测提供了新的方法。激光成像技术是利用SF6 对红外光谱的吸收特性，使肉眼不能观察到的SF6 泄漏气体在红外视频上清晰可见，由图像快速地确认泄漏源，为检测人员提供了一种快速识别泄漏源的技术。当GIS、罐式断路器内部有局部放电发生时，其释放的能量使SF6 气体周围的温度升高，从而产生瞬时的局部过压，形成的扰动以声波的形式传播，传播到金属外壳时会在外壳上传播。在外壳上用特制的声探头可检测到传播波，这样就可以间接发现设备内部存在的局部放电。而如果在设备内部有金属微粒存在，微粒在电场力与重力作用下会在内部跳动，碰撞金属外壳，从而产生一定频率的声波，这同样可以用声探头进行检测。

2.1.2 GIS中局部放电在线监测技术

GIS以结构紧凑、可靠性高等优点逐渐成为超高压电力系统中的主流设备，但由于制造运输现场装配等多种原因不可避免地存在绝缘缺陷而影响其长期可靠性。鉴于绝缘介质在发生击穿前都会产生局部放电，因此对GIS进行局部放电监测可以发现绝缘的早期故障。。通过对GIS局部放电在线监测，可以监测到GIS 的绝缘状况，预先发现GIS 内部存在的绝缘缺陷，避免绝缘事故的发生。因此，开展GIS 在线监测技术的研究具有越来越重要的意义。GIS 的局部放电检测技术主要有：超声波检测法、化学检测法、脉冲电流法、超高频法等。

1. 超声波检测法。GIS 中出现局部放电时，放电区域内分子间剧烈撞击激发超声信号，这些信号可由安装在GIS外面的传感器来检测。

2. 化学检测法。通过定期对SF6气体分解组分的监测则可以检测判断出局部放电总体水平、发展情况，甚至可以根据不同分解气体组分含量之间的关系推断出局部放电的原因。

3. 脉冲电流法。当GIS 内部发生局部放电时，接地线上会有高频脉冲电流通过，可通过检测阻抗或电流传感器进行测量。这是IEC60270 标准推荐的方法，也称耦合电容法，是测量局部放电的最常用方法。

4．超高频法（UHF）。此可用预先安装在GIS 的天线传感器检测局部放电发出的电磁波中的特高频段（300~3000MHz）信号来检测局部放电，从而避开传统电测法中难以避开的电力系统中的电晕等干扰，提高局部放电检测的信噪比。

2.2 氧化锌避雷器在线监测

国内外开展较早和较多的在线监测工作便是容性设备( 包括氧化锌避雷器) 的在线监测。氧化锌避雷器在线监测主要方法是对运行电压下交流泄漏电流的测量以及远红外测温。运行电压下交流泄漏电流的测量是装设泄漏电流在线监测仪，此漏电流指示表目的是监视MOA 在运行中流过的电流。该电流能粗略地反映MOA 的绝缘状况和物理特性。35 kV 及以上的氧化锌避雷器（MOA）应装带泄漏电流表的动作记录器。远红外测温通常是用红外热像仪进行故障诊断时，根据热像特征发现有不正常的发热，局部温度升高或降低，或者有不正常温度分布，则可以判断为异常。

2.3 变压器在线监测技术国内外现状

2.3.1 变压器色谱在线监测系统

国内外学者在电力变压器在线监测以及故障诊断方面进行了大量的研究工作。目前变压器的在线监测技术主要有以下几种方法:1.溶解在变压器油中的烃类气体色谱探测分析法。利用各种( 低分子化合物) 烃类气体在变压器油中单位体积的含量及产生的速率来分析、探测变压器内部局部放电情况, 并通过油谱分析( 三比值法、四比值法、特征气体法)初步分析变压器故障。2.水分析法。采用催化燃烧测试技术测量油中游离氢的含量和微水含量, 从而了解变压器内部绝缘状况。3.温度监测法。主要测油温和绕组热点温度, 反应的是变压器的安全热效应。其中最成熟且主要使用的方法是油中气体含量在线监测, 即气相色谱法( 三比值法、特征气体法、Rogers 法等) ,即监测正在运行时的电力变压器油中出现的各种气体的含量来判断电力变压器潜在性故障。

变压器油在热和电的作用下, 分解出氢、一氧化碳以及多种烃类气体, 设备内部故障的类型及严重程度与这些气体分子的组成及产气速率有着密切关系, 利用这一关系判断设备内部故障和监视设备的运行状况, 成为充油电气设备安全运行不可缺少的手段, 在国内外已得到普遍推广和使用。国际电工委员会制定了专门的油中溶解气体分析导则IEC567 和IEC599, 国内也制定了GB17623 和DL722相关标准。正常情况下变压器内的绝缘油在热和电的双重作用下, 会逐渐老化和分解, 产生少量的氢气、各种低分子烃类及二氧化碳、一氧化碳等气体, 这些气体大部分溶解在油中。当存在过热或局部放电等潜在性绝缘缺陷时,就会加快这些气体的产生速度。因此, 分析油中溶解的各种气体含量, 能尽早发现设备内部存在的潜在性故障并可随时掌握故障的发展情况。目前, 国内外现有的油中溶解气体在线监测装置按监测参数的不同分为两大类: 一类主要监测单组分氢气含量, 另一类监测多组分故障气体各自含量。

2.3.2变压器振动监测系统

用振动法监测变压器绕组和铁心的状况可以追溯到上世纪80 年代中期，美国、俄罗斯和加拿大等几个国家在试验室中对利用振动信号监测绕组和铁心的状态进行了初步研究。近年来，由于振动法监测铁心和绕组的越来越受到人们的重视，国内外学者在这方面做了大量的

研究，这些研究可以归纳为以下两个方面。

（1）将监测到的振动数据进行不同的研究讨论和分析。利用传感器、数据采集卡以及计算机组建振动测试系统，对监测到的振动数据进行研究。

（2）通过建立数学模型来研究变压器的运行状况。根据影响变压器振动的因素，将这些因素转化为各个参数组建一个数学模型。从而根据这个数学模型来研究变压器的振动状况。

在我国，振动法监测变压器的起步较晚，目前仅有西安交通大学、上海交通大学等少数几个高校进行这方面的研究， 这些研究也大致分为两个方面。

（1）对变压器在各种工况下运行的振动数据进行研究和分析，进而来研究它们之间的关系。

（2）从噪声的方面来研究变压器的振动。由于在运行中的变压器的振动会产生噪声，因此，可以从噪声的角度来研究变压器的振动。

综合多种监测方法,利用油中气体分析、局部放电、负荷电流/负荷电压、线圈温度、

压力/真空等参数来监测变压器或变压器抽头的状态, 是变压器状态监测的趋势；而采用一些新的分析工具和手段, 如神经网络、模糊逻辑等来改进常规的特征分析和判别, 如对振动模式的分类、油中气体的综合判别等, 是变压器状态监测的另一趋势。

3.结论

随着计算机技术的推广使用，出现以计算机处理技术为核心的微机多功能绝缘在线监测系统。利用计算机技术、传感技术和数字波形采集与处理技术，实现更多参数的在线监测。这种在线监测信息量大、处理速度快，可以对监测参数实时显示、储存、打英远传和越线报警，实现了在线监测的自动化，代表了当今在线监测的发展方向。到目前为止，大量的在线监测的技术已经在电力系统设备缺陷检测中得到广泛应用，并有了一定的经验。