超特高压变电站中在线监测技术的应用分析
时间：2023-03-03 09:05:08 来源：千叶帆 本文已影响人
国网安徽省电力有限公司超高压分公司 许 尧 许旵鹏 臧 伟 于和林 穆云龙
作为整个电网系统中的重要枢纽载体，变电站的各个环节设备都切实关乎生产生活安全稳定，一旦变电站出现问题，整个电力系统都将受到波及，极有可能造成火灾、范围停电甚至爆炸等事故。在我国围绕信息智能化建设电网的当下，在线监测技术可实现对变电站的动态实时监测，对运行中的信息进行自动化采集、处理，从而确保在变电过程中每个环节的正常运行。在日常的运行中，在线监测技术也可通过对设备运行信息的分析来判断设备情况，如出现设备功能下降或预兆则可于出现问题前进行及时检修，并由此进一步对超特高压变电站运行进行安全性保障。
1.1 何为超特高压设备在线检测技术
高压设备是变电站运转的基础配件，随着智能变电站的推广，传统的电网运转技术逐步转换为现今的在线监测技术。外国电力部门较早开始对高压设备进行系统地在线监测，时至今日高压设备的在线监测已被有效地应用于电气系统；
这项技术也使得电子技术和传感器的联系更为紧密，将在线监测技术应用于智能变电站的高压设备，还需考虑自动收集设备信息的情况，并通过传感器对设备状态进行分组，以便在实际中使用。
此外，外置传感器的设计应考虑到不对相关技术的准确性产生影响[1]。过程中可向数据网络上传数据进行备份，如现场检查数据和系统缺陷数据，可明晰一系列的流程中设备的情况，进一步指导分析设备状态。高压设备具有不同的运行特点，主要表现在故障的频率和这些故障产生的影响两方面。为正确使用在线监测技术须对需求予以明确，并为智能化超、特高压变电设备创造基本条件；
同时需了解故障的类型和所呈现的特征，从而制定相应的对策，也需提供足够的技术支持，以确保在线监测技术能够准确完成检测。
1.2 在线监测技术投入实际应用的必要性
经济增长和生活水平的提高，提升了人类社会对电力的需求和对供应稳定性的依赖程度。目前传统方式中对设备所使用的监测技术、控制和维护方法并不能很好地满足当今的用电需求，传统方法检修设备采用定期检查，而在对电力高度依赖的当下应对实时检测进行推广。定期检查往往忽略了电网在发生故障时的实际运行情况，而将纠正工作交给扁平化的故障处理；
虽从经验看也可解决问题，但却不能保证电网系统中各设备的安全和稳定[2]。与之对应的是，在线监测技术在实际运行中避免了这一问题，因为超、特高压设备的在线监测技术可让维护人员了解整个电网的运行状况，不仅提高了设备维护的效率还有效降低了维护成本。
2.1 变压器
因变压器的正常运转对于保证电力系统的安全性、可靠性和经济性非常重要，所以在电力系统的日常运行中应竭尽所能地避免和减少变压器的故障和事故。作为电力系统中必不可少的昂贵设备，变压器负责电压转换、电力分配和传输。当下超、特高压变压器在线监测系统包括安装于其上的一系列高性能传感器，用于持续收集和监控动态信息；
通过系统自动收集数据的智能监测装置收集、存储和处理监测所得数据，并为趋势预测和维护提供一整套监测工具。监测数据由一个智能专家系统收集、存储和处理，从而对趋势进行预测，为维护提供解决方案。
2.2 电压、电流互感器
在线监测技术的电容监测工作是检测电容性设备的电容量，并分析所检测到的电容数据，以了解整个设备的实际工作状态，该技术使用起来相对简单方便且较为稳定。超、特高压电网的设备在线监测技术主要关注的设备有电压、电流互感器等，其绝缘特性直接影响到整个电网运行的稳定性和安全性，因此对电容设备的绝缘特性进行实时监测具有重要的现实意义。
2.3 断路器
电力系统运转中，当监测设备连接到断路器时，通过监测装置的动触头持续工作来收集断路器的运行信息。可被用作分析断路器同步故障的参考因素有监测设备运作时的速度和行程信息，在线监测技术被用来监测和分析各种测试对象的连接状态和运行条件，这种监测必须是连续且与断路器的运行同步的。断路器的分闸时间必须被严格控制，只有保持控制状态断路器才能起到对电力系统的保护作用。在发生故障（如停电）的情况下，断路器的长弧会导致接触点烧毁和爆炸。此外，确保断路器的分合闸时间同步也很重要，如果时间不受控制则变压器也会处于异常接入状态，从而产生过电压问题。
2.4 避雷器
在电力系统中，许多配电变压器和电缆线都将避雷器用于防雷保护装设，如果配电系统的避雷器出现损坏则可能出现许多严重后果。如避雷器没有完全穿透则其漏电电流会增加，导致线路损耗增加；
如果避雷器被完全击穿则会导致接地故障。由于避雷器的故障是无法直接观测的，所以一旦出现这种情况就需要大量的人力和物力来寻找故障点。现代的MOA在线监测方法是对避雷器采用泄漏全电流法：即当MOA老化或潮湿时电流的电阻分量增加，这会导致总电流增加，因此可以利用这一特性来对MOA的工作状况进行监控。
目前大部分电力系统中使用氧化锌材料的避雷器，通常用这种避雷器是无间隙的，其阀片部分长时间承受电压，随着系统运行持续输出电流，同时如果其内部元件受潮后或者受冲击电压，则会导致阀片部分温度上升到热击穿点，产生热崩溃；
同时设备中的阻性泄露电流也会增加，阀片的使用寿命也会减少，或者无法使用。变电站中的氧化锌材质避雷器发生故障时，非常容易对变电站和整个输电线路的运转产生不良影响，以至危害安全。因此，引入避雷器在线监测系统可以保证及时监测氧化锌避雷器的运行状态，保证输电线路的安全正常运行，这对电力企业的可持续运营和输电线路的安全供电至关重要。
在线监测技术应用于氧化锌避雷器的优势主要有两点：一是可以及时地发现避雷器的异常状况；
二是可以实现即时性大范围监测。根据前文所述的避雷器原理可知，应用于氧化锌避雷器的在线监测技术应当主要注意监测系统泄漏电流和动作次数，从而提升变电站运行的稳定性，保证变电站避雷器的可靠运转。
在线监测氧化锌避雷器的泄漏电流可以有效地反映出监测时间段内的绝缘状况，这种技术应用于实际中，可以在运行现场进行广泛监测，可以掌握避雷器的即时电流数据状态，尽最大可能保证线路运行安全。
一般而言，避雷器正常运行时的阻性电流分量是十分之一到五分之一的总电流量，并持续保持在这个安全范围内，通过技术手段可以及时监测和发现数值的变化。反之，如果避雷器的阀体部分出现问题，则会造成电流流动不正常等问题，引起绝缘性能的严重下降，使得容性电流变少、阻性电流激增。因此，通过对阻性电流分量的在线监测技可以确保避雷器顺利和安全地运行。
2.5 氟化硫封闭式组合电器
GIS设备是指变电站各种电气设备（除变压器外）共同组装而成的封闭金属外壳内的设备，在这个密封的金属外壳中，充满六氟化硫或六氟化硫混合气体，从而使得导线对金属外壳和端口之间形成绝缘[3]。目前使用的GIS主要用于监测局部放电和大气压力等指标。局部放电表明存在内部缺陷，导致电脉冲、电磁波和超声波的产生，因此就演生出相应的电脉冲检测、超高频检测和超声波检测方法来对进行在线监测。
GIS设备的优势有如下四点：大大缩小电气设备所占用的体积和占地面积；
因六氟化硫气体的绝缘性，有效缩短距离，且因电气设备占地面积和空间体积与绝缘距离之间均呈现正相关，所以电压等级越大，对绝缘距离的缩短和对占地面积空间体积的减少意义更为重大，在超、特高压变电站中这一点尤为明显；
GIS设备有助于优化电网系统、加强变电站的建设，为满足近城市地区电力需求和工业电力需要奠定了坚实基础；
超、特高压变电站多在相对恶劣的自然环境（如高海拔、严重污染和盐雾地区等）建设，因其空间和地理环境的局限性，传统方法建造的变电站无法适应[4]，此时采用GIS就可以轻松应对区域空间产生的限制。GIS设备的在线监测可以有效防止六氟化硫气体泄漏，保证工作人员的生命安全。
2.6 针对超特高压变电站出现的特有问题
误报多。针对实际应用的研究表明，局部在线监测设备的误报比较多，准确率约在十分之一左右，而且因为出现的故障可能是不可逆的，一旦没有警告或警报显示，则可能造成极为严重的后果。在实际工作的应用中，在线检测技术对其他因素非常敏感，稍有不慎就可能导致检测效果不佳，从而导致高误报率，降低了检测效率。
传感器故障。在实施过程中，六氟化硫封闭式组合电器在线检测设备有高达八成以上的故障率，这是其内置传感器故障频发所导致的，又因为GIS的结构导致了维修困难，这大大降低了设备的利用率；
相关技术人员的缺失。一般来说，超、特高压变电站设备对局部放电故障进行检测时，需要在实际完成在线检测技术的安装和应用过程之前，由有资质的相关技术人员进行检测，这样可以提高在线检测技术的应用水平。
数据查询方面。运营和维护人员不得不花费大量时间来寻找在线监测数据，例如，如果检测六氟化硫气室的在线压力，监测系统需要检查全站的每一个气室是否有故障，就必须逐一测试气室，并分析所得的图表，以人为地确定是否存在故障。这不仅耗费时间，而且可能导致对故障的误判其他方法如油色谱法，在线监测只能从某个时间点开始，因此不能对历史数据进行分析或比较[5]。
数据分析方面。大多数情况下，超、特高压电站的在线监测系统只能依靠单一维度的数据来发布提示和警报。如六氟化硫室的压力低会触发警报，但六氟化硫气室内部的压力也由各种外部的因素影响，如温度、负荷和气室密封性。目前的在线监测无法分离出哪个因素是影响了警报的关键因素，也无法提前检测到哪些气室在泄漏，所以需要考虑所有的因素，在这大量的数据中找到隐藏的规律，探索数据的价值，并使用多变量分析来预测和诊断六氟化硫气室的泄漏缺陷。
数据利用方面。现有的在线监测技术只是在数据值超过设定的阈值时发出提示来反映设备的状态，但如今要求电力系统的可靠性越来越高，这意味着要尽可能对检测所得数据进行细致分析，从而确定设备的运行状态，预先确定故障设备，有针对性地进行预防和维护，从而大幅降低故障发生的概率。
超、特高压变电站设备的在线监测技术实施，需要技术人员利用在线监测系统和适当的操作，来监测储油罐、避雷器、变压器和六氟化硫封闭式组合电器等的状况。当变电站设备连接到一个在线监测系统时，搭载系统的监测装置也应被监测，以确保变电设备不受到负面影响。此外，必须确保系统传输的稳定性，通过与现代先进的技术相结合，可预见的是在线监测技术在未来能够得到更好的发展。同样，技术人员也必须提高他们的专业技能，以便高效地对电网进行运行状态监测。
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