劉維功 吳冠霖 劉志良

摘 ? ? ?要：總結了煉化企業(yè)中常用的電氣設備（包括發(fā)電機、變壓器、GIS、電纜、電動機）在線監(jiān)測技術的現(xiàn)狀。對煉化企業(yè)電氣設備在線監(jiān)測技術的選型提出了建議，初步設計了煉化企業(yè)在線監(jiān)測系統(tǒng)，展望了煉化企業(yè)常用電氣設備在線監(jiān)測技術的發(fā)展趨勢。

關 ?鍵 ?詞：電氣設備;在線監(jiān)測技術;在線監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：TM 930 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）10-2268-04

Abstract： The status of on-line monitoring technology for the common electrical equipments in refinery was summarized， including generator， transformer， GIS， cable， motor. The selection of on-line monitoring technology in refinery was suggested. The on-line monitoring system in refinery was preliminary designed. The development trend of electrical equipment on-line monitoring technology in refinery was prospected.

Key words： Electrical equipment; On-line monitoring technology; On-line monitoring system

電氣設備的故障，如絕緣劣化、機械損傷等，通常具有較長的發(fā)展期，設備故障前期會在電氣、物理、化學等特性表現(xiàn)出少量漸進的變化。在線監(jiān)測是對設備在運行狀態(tài)下進行連續(xù)或實時監(jiān)測各種電氣、物理或化學等信息，進行數(shù)據(jù)處理及分析，根據(jù)監(jiān)測信息的大小、類型及變化趨勢，分析計算設備的可靠性，預測設備的剩余壽命，實現(xiàn)故障的早期發(fā)現(xiàn)，及時故障預警并按規(guī)進行操作[1]。電氣設備在線監(jiān)測技術的投資收益十分顯著，英國2 000個大型工廠的調查結果表明，采用投資成本約為0.5億英鎊的在線監(jiān)測技術和設備，每年節(jié)約3億英鎊，收益投資比為6。據(jù)日本企業(yè)統(tǒng)計，采用狀態(tài)檢修技術，降低設備維修費用約25%～50%，減少故障停電時間約75%。

1 ?電氣設備在線監(jiān)測技術現(xiàn)狀

煉化企業(yè)發(fā)電機在線監(jiān)測裝置主要包括直讀型和解讀型兩類。直讀型在線監(jiān)測內容包括：線棒層間溫度，定子鐵芯溫度，氣體冷卻器的運行參數(shù)（進出風溫度等），轉子大軸的軸振、瓦振，冷卻器漏水監(jiān)測，絕緣部件過熱煙氣，定子鐵芯振動等[2]。解讀型在線監(jiān)測內容包括：定子繞組局部放電[3]，定子繞組端部振動[4]，轉子繞組匝間短路[5]，軸電

壓[6]。目前，直讀型裝置的選用、維護和運行已越來越規(guī)范，但解讀型裝置的選用、維護和運行則相對混亂，主要原因包括：解讀型裝置工作原理復雜，信息需專業(yè)人員試驗分析;部分裝置技術不成熟、質量不可靠。因此，部分解讀型裝置在安裝后逐漸無人問津甚至退出運行[7]。

變壓器在線監(jiān)測技術比較成熟，大容量變壓器在線監(jiān)測內容主要包括6項：油色譜、鐵芯接地、局部放電、溫度、套管介損、振動[8]。油色譜在線監(jiān)測采用氣相色譜法，對油中溶解的氣體進行實時持續(xù)色譜分析，分析7種故障氣體的含量，建立模式識別系統(tǒng)實現(xiàn)故障的自動識別，是最有效的方法之一。鐵芯接地、局部放電、溫度在線監(jiān)測裝置也有比較廣泛的應用，套管介損、振動在線監(jiān)測裝置的應用較少。

GIS在線監(jiān)測技術非常成熟，“DL/T 1403變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)技術導則”對不同電壓等級GIS的監(jiān)測內容做了明確的規(guī)定。主要監(jiān)測內容有：SF6氣體泄漏量[9]，SF6微水含量[9]，局部放電[10]，斷路器狀態(tài)[11]。其中，斷路器在線監(jiān)測裝置應用相對較少，可分為斷路器動觸頭行程特征的監(jiān)測、分（合）閘線圈電流的監(jiān)測和振動信號在線監(jiān)測。

電纜在線監(jiān)測可分為電纜主絕緣的在線監(jiān)測（包括直流成分法、直流疊加法、低頻疊加法、在線介質損耗角正切法和局部放電在線監(jiān)測法等），電纜護層的在線監(jiān)測（包括接地容性電流監(jiān)測、電纜護層綜合監(jiān)測和接地電流監(jiān)測等），電纜溫度在線檢測，電纜終端的紅外和紫外在線檢測等[12]。目前，局部放電、電纜護層接地電流監(jiān)測、電纜護層綜合監(jiān)測及分布式光纖測溫成為高壓電纜在線監(jiān)測的主流技術。紅外熱成像檢測電纜附件發(fā)熱缺陷和紫外成像檢測電纜終端電暈放電技術也得到較大的發(fā)展。直流成分法、直流疊加法、低頻疊加法及介質損耗角正切的測量由于無法獲取電纜局部劣化信息等缺點，應用逐漸減少。

電動機在線檢測方法可分為3類[13-14]：

1）基于信號監(jiān)測的診斷方法，主要通過傳感器監(jiān)測電動機的溫度、絕緣狀態(tài)（局部放電、介質損耗因數(shù)、泄漏電流、設備電容值）、振動、電壓電流等電氣特征、軸電壓和軸向漏磁通、滾動軸承等信號;

2）基于數(shù)學解析模型的故障識別方法，主要通過識別轉子、定子的電阻預測其內部溫度;

3）基于人工智能的方法，最近模糊數(shù)學、神經(jīng)網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)逐步應用到電機故障診斷中，但應用甚少。目前，振動分析法是電動機故障診斷中運用最廣泛、最有效的方法。電氣特征分析法通過采集電動機電流和電壓信號，分析和判斷故障的性質和程度，具有在線遠程監(jiān)測、技術成熟可靠的優(yōu)點，在不方便安裝振動傳感器時應用較廣。近年來，紅外線測溫診斷、局部放電監(jiān)測在電動機故障診斷中得到一定應用，已發(fā)展成為比較可靠的技術。

2 煉化企業(yè)電氣設備在線監(jiān)測技術選型

煉化企業(yè)電氣設備在線監(jiān)測技術應遵循以下原則：

1）傳感器安裝方便。以不對設備產(chǎn)生影響為宜。

2）技術成熟、可靠。應選取廣泛應用的在線監(jiān)測設備。

3）收益投資比高。一般安裝在重要的電氣設備上。

4）全面監(jiān)測，無死區(qū)。對重要設備，可安裝多種在線監(jiān)測設備，實現(xiàn)對不同故障類型的全面診斷。

5）不能取代繼電保護設備。在線監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)早期故障，使傳統(tǒng)的保護功能得以延伸，與繼電保護設備并不排斥。

表1給出了某煉化企業(yè)電氣設備在線監(jiān)測的安裝范圍和技術選型，以供參考。對某企業(yè)的所有發(fā)電機，都安裝直讀型設備，解讀型設備選擇了定子繞組局部放電、定子繞組端部振動和軸電壓監(jiān)測，放棄安裝轉子繞組匝間短路監(jiān)測的原因是，該方法需要將探測線圈固定在定子上，并使其盡量靠近轉子鐵芯，這在已經(jīng)投運的發(fā)電機上十分困難，也較難被電廠所接受。國家電網(wǎng)通過“Q/GDW 534變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)技術導則”，對變壓器、GIS的在線監(jiān)測技術做了比較明確的規(guī)定，目前變壓器、GIS的在線監(jiān)測技術在投運時已經(jīng)比較健全。由于煉化企業(yè)電纜數(shù)量很多，考慮到經(jīng)濟性，建議僅對 ? ?110 kV以上電纜安裝局部放電監(jiān)測設備和電纜護層接地電流監(jiān)測設備。煉化企業(yè)內電動機種類繁多，質量參差不齊，建議僅對10 MW及以上電動機或重要電機安裝電壓電流等電氣特征分析設備，這種不需要在電動機本體額外增加傳感器的方法應首先考慮，同時增加振動監(jiān)測或紅外測溫、局部放電監(jiān)測等其他監(jiān)測設備。

3 ?煉化企業(yè)電氣設備在線監(jiān)測系統(tǒng)

煉化企業(yè)電氣設備在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，由基于B/S模式的“專家系統(tǒng)層-企業(yè)分析層-裝置數(shù)據(jù)存儲及分析層”3層網(wǎng)絡架構信息平臺實現(xiàn)。

在裝置數(shù)據(jù)存儲和分析層，對重要裝置的電氣設備進行在線監(jiān)測技術選型，確定需要安裝傳感器的位置和數(shù)量，合理安排傳感器的安裝。電壓、電流、振動、局放等信息經(jīng)傳感器檢測后轉換為電壓信號，經(jīng)同軸電纜進入信號預處理單元，進行信號放大、信號去噪、信號整形等操作，數(shù)據(jù)經(jīng)過調制之后，進入到PLC數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)的采集，通過RS-232/RS-422/RS-485通訊接口和通訊通道，進入到企業(yè)局域網(wǎng)。每套被監(jiān)測裝置均配置數(shù)據(jù)存儲及在線監(jiān)測終端，實現(xiàn)裝置中電氣設備的在線監(jiān)測及數(shù)據(jù)存儲。

企業(yè)分析層實現(xiàn)對煉化企業(yè)內所有裝置電氣設備的在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲。企業(yè)分析層通過防火墻與企業(yè)局域網(wǎng)相連，獲取每套被監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)信息，并設置數(shù)據(jù)庫服務器存儲企業(yè)的電氣設備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，設置數(shù)套電氣設備在線監(jiān)測客戶端供運行維護人員、設備管理人員使用在線監(jiān)測系統(tǒng)對電氣設備進行故障預警和診斷，設置網(wǎng)絡服務器將各被監(jiān)測裝置的事件記錄傳送到專家系統(tǒng)層。

專家系統(tǒng)層設置數(shù)據(jù)庫服務器接收各煉化企業(yè)被監(jiān)測設備的事件記錄，并開發(fā)電氣設備在線監(jiān)測專家系統(tǒng)，運用神經(jīng)網(wǎng)絡、人工智能等大數(shù)據(jù)分析技術，為各企業(yè)提供遠程診斷和輔助決策，同時實現(xiàn)各企業(yè)電氣設備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中存放管理，增強企業(yè)間的信息共享，為中國石化電氣設備在線監(jiān)測軟硬件平臺的標準化提供基礎。

4 ?煉化企業(yè)電氣設備在線監(jiān)測技術發(fā)展趨勢

1）在線監(jiān)測新技術得到迅速發(fā)展和應用。隨著傳感器和數(shù)據(jù)分析等新技術的高速發(fā)展，電氣設備在線監(jiān)測會不斷地應用先進的現(xiàn)代化技術手段。近年來，利用超聲波和超高頻測量局部放電等，已經(jīng)獲得了較廣的應用，利用紅外線測量設備的溫度影響、利用紫外線監(jiān)測設備的局部放電、利用X射線探測設備的損傷等也獲得了較大的發(fā)展和應用。

2）多種在線、離線監(jiān)測技術相互融合。單純的某種在線監(jiān)測技術，并不能完全保證電氣設備的實時準確監(jiān)測。近年來，對至關重要的電氣設備，如發(fā)電機、大型電動機等，多使用多種在線監(jiān)測技術，并與離線檢測相互配合，實現(xiàn)多尺度、全面無死區(qū)的監(jiān)測，綜合診斷設備的不同故障類型及原因。

3）智能算法和大數(shù)據(jù)分析技術的應用。人工智能技術的發(fā)展與完善，極大地促進了在線監(jiān)測技術的發(fā)展。高效率的運算處理器和人工智能技術（如機器學習算法等），逐步應用于在線監(jiān)測技術。分布式計算機技術、5G技術、數(shù)據(jù)庫及云平臺等技術的迅速發(fā)展，使設備狀態(tài)監(jiān)測的準確性逐步提升。在企業(yè)現(xiàn)場可靠地采集數(shù)據(jù)，完成設備的前期現(xiàn)場檢測和檢修，同時通過互聯(lián)網(wǎng)，構建遠程診斷分析系統(tǒng)，實現(xiàn)專家智能診斷和數(shù)據(jù)共享分析已成為主流趨勢。

4）電氣設備在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺的建立。目前，各生產(chǎn)行業(yè)、監(jiān)測設備供應商和研究機構都在構建自主的監(jiān)測系統(tǒng)平臺，將多種在線監(jiān)測技術和診斷方法融入一個在線監(jiān)測系統(tǒng)中，利于實時調用多種檢測信息，對被監(jiān)測設備進行多尺度的狀態(tài)診斷。通過綜合分析設備的監(jiān)測信息、運行信息、檢維修記錄等，有利于設備狀態(tài)監(jiān)測和故障預警模型的完善，通過大數(shù)據(jù)分析和智能算法的完善，促進在線監(jiān)測技術的完善。當某區(qū)域在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)樣本較少或非常難以診斷時，通過計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，有利于獲取不同領域和地區(qū)電氣專家的分析咨詢和技術支持。

5 ?結 論

本文對煉化企業(yè)電氣設備在線監(jiān)測技術的研究現(xiàn)狀、選型建議、系統(tǒng)設計和發(fā)展趨勢進行了全面綜述，得到以下結論：

1）煉化企業(yè)中，變壓器和GIS遵循國家電網(wǎng)的相關規(guī)范，一般都配置了可靠的在線監(jiān)測技術。發(fā)電機、電纜、電動機等設備，在線監(jiān)測技術配置狀況較差，應提高在線監(jiān)測技術的應用水平，長遠看來，這是經(jīng)濟合理的。

2）對至關重要的電氣設備，可使用多種在線監(jiān)測技術，并與離線檢測相互配合，同時維持繼電保護裝置。

3）新型傳感器及大數(shù)據(jù)分析技術，促進了電氣設備在線監(jiān)測技術的完善。在選取技術成熟、應用廣泛的在線監(jiān)測設備的同時，要勇于嘗試新技術。

4）建議煉化企業(yè)電氣設備在線監(jiān)測系統(tǒng)，按“專家系統(tǒng)層-企業(yè)分析層-裝置數(shù)據(jù)存儲及分析層”3層網(wǎng)絡架構平臺進行設計。

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