劉志良

（中科（廣東）煉化有限公司）

0 引言

煉化企業(yè)是國民經(jīng)濟基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的重要構(gòu)成部分，具有高溫高壓，連續(xù)生產(chǎn)等特點，其正常運作離不開機泵、變壓器、變頻器等電氣設(shè)備的支持。由于煉化生產(chǎn)的連續(xù)性要求及大量電力設(shè)備的使用，使得其對電能供應(yīng)具有很高的依賴性。而電氣設(shè)備相互之間的聯(lián)系相當(dāng)緊密，如果某個元件發(fā)生故障，嚴(yán)重的情況下將會引起電力供應(yīng)中斷，造成重大的事故，威脅企業(yè)的安全生產(chǎn)。

降低電氣設(shè)備故障率，提高供電系統(tǒng)可靠性是減少生產(chǎn)裝置非計劃停車，確保煉化企業(yè)安穩(wěn)運行的關(guān)鍵。為了確保供電系統(tǒng)可靠運行，必須解決以下問題：①杜絕電力設(shè)備故障，減少非計劃停車造成的重大經(jīng)濟損失，做到計劃檢修及維護(hù)；②在確保設(shè)備狀況良好的情況下延長電力設(shè)備的維護(hù)周期，縮短維護(hù)時間，減少因設(shè)備維護(hù)對生產(chǎn)造成的影響；③通過采取有效的措施延長電力設(shè)備的使用壽命，避免頻繁維修及更新，減少費用支出。電力設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，為提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，及早采取措施，保證供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供了很好的幫助。

1 電力設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)點

1.1 電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

電力設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測是采用有效的檢測手段和分析診斷技術(shù)，對運行狀態(tài)下的變壓器、發(fā)電機、電動機、電纜、斷路器等電力設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測，可以及時、準(zhǔn)確地掌握設(shè)備運行狀態(tài)，實時進(jìn)行故障預(yù)警，保證設(shè)備的安全、可靠和經(jīng)濟運行。由于電力設(shè)備在線監(jiān)測可以在不影響系統(tǒng)正常運行的情況下對設(shè)備直接進(jìn)行監(jiān)測，從而直接反映運行中的設(shè)備狀態(tài)，相較于離線檢測，在線監(jiān)測更為及時、有效和可靠。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測通常是采用特定的方法及技術(shù)手段對某種設(shè)備、某種故障進(jìn)行監(jiān)測。例如采用輻射傳感來檢測設(shè)備的發(fā)熱、放電（發(fā)光），可判斷過熱與局部放電現(xiàn)象；采用聲與振動傳感，可檢測設(shè)備機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及間隙放電的故障；采用表面電位變化或感應(yīng)電流的檢測可判斷內(nèi)部絕緣的完好程度等。隨著傳感技術(shù)與計算機技術(shù)的不斷普及，電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)也在不斷完善，自動化、智能化程度不斷提高。采用微電子技術(shù)與傳感技術(shù)對電力設(shè)備進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測，可實現(xiàn)對電氣設(shè)備運行數(shù)據(jù)的記錄及故障判斷。

1.2 電力設(shè)備數(shù)據(jù)的采集及監(jiān)測

電力設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測通常分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及故障診斷等幾個階段。通常情況下，電力設(shè)備是封閉式結(jié)構(gòu)，要監(jiān)測電氣設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)，需要將傳感器安裝在設(shè)備內(nèi)部，通過傳感器將采集到的信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)綘顟B(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行判斷，以實現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備的在線監(jiān)測。為了在不影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的情況下實現(xiàn)對在運電氣設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測，所安裝的傳感器必須與帶電部位進(jìn)行可靠隔離。

為了掌握關(guān)鍵及重要電氣設(shè)備的運行狀態(tài)，可以對相應(yīng)設(shè)備安裝傳感器，利用在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測，該系統(tǒng)同時具備數(shù)據(jù)圖表生成、故障設(shè)備跟蹤、數(shù)據(jù)處理分析、維修單設(shè)備查詢、遠(yuǎn)程維護(hù)、故障設(shè)備跟蹤報警及事故記錄等功能，可以在對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測的同時進(jìn)行分析判斷，對異常數(shù)據(jù)提前做出預(yù)警。

1.3 電力設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)點

電力設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測可以對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，與傳統(tǒng)監(jiān)測手段相比，具有能夠第一時間發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備存在的問題，提前預(yù)知可能發(fā)生的故障，使相關(guān)人員提前做好各種應(yīng)對措施，從而有效降低設(shè)備故障率，避免電力設(shè)備故障對供電系統(tǒng)的影響。采用在線監(jiān)測技術(shù)，可以降低設(shè)備檢維修次數(shù)，減少不必要的費用開支。

2 電力設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

杜絕設(shè)備問題造成的非計劃停工，確保裝置的平穩(wěn)運行，減少損失是企業(yè)努力追求的目標(biāo)，電力設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)所具有的優(yōu)點使電力設(shè)備完全處于受控狀態(tài)，是降低設(shè)備故障率，保證電力設(shè)備穩(wěn)定運行的有效手段，在進(jìn)行認(rèn)真評估后，在部分重要電力設(shè)備上進(jìn)行了應(yīng)用。

2.1 在線局放及微水監(jiān)測技術(shù)在GIS設(shè)備上的應(yīng)用

GIS是氣體絕緣全封閉組合開關(guān)設(shè)備的簡稱，該型設(shè)備利用SF6氣體良好的絕緣性能，將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、PT、CT、避雷器、母線、進(jìn)出線套管、電纜終端等封閉的組合在一起，具有占地面積小，體積小，重量輕，安裝方便，檢修維護(hù)量小，故障率低，可靠性高等特點。在220kV及110kV系統(tǒng)中均采用此類設(shè)備，它們是企業(yè)電力系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，負(fù)責(zé)相應(yīng)電壓等級的電能輸送與分配。

GIS設(shè)備主要通過SF6氣體實現(xiàn)絕緣及開關(guān)滅弧，其工作氣壓高低及微水含量直接影響設(shè)備的安全運行。SF6氣體中的水分主要由兩方面原因產(chǎn)生：①GIS設(shè)備裝配過程中，有部分水氣附著在設(shè)備表面，有部分是在充氣過程中帶入。②外部環(huán)境中的水分通過密封環(huán)節(jié)進(jìn)入。如果水分超標(biāo)，電氣設(shè)備的絕緣強度將會明顯下降，SF6氣體中的水分還會參與SF6電弧分解反應(yīng)，產(chǎn)生氟硫化合物，這些化合物與水反應(yīng)會生成腐蝕性很強的氫氟酸、硫酸和其他毒性很強的化學(xué)物質(zhì)。強腐蝕性的物質(zhì)會對設(shè)備造成腐蝕，影響設(shè)備的使用壽命及安全生產(chǎn)，劇毒物質(zhì)會對設(shè)備運行、檢修人員的生命構(gòu)成威脅。因此，掌握GIS設(shè)備中SF6氣體的狀況將有助于提高設(shè)備運行的可靠性，保證人員不受傷害。

GIS設(shè)備為全封閉結(jié)構(gòu)，設(shè)備投運后，日常的巡檢難以了解內(nèi)部元件的運行情況，設(shè)備的絕緣缺陷往往難以發(fā)現(xiàn)，而運行設(shè)備存在的缺陷如果不能及時消除，狀況會不斷惡化，當(dāng)缺陷的狀況超過設(shè)備所能承受的極限后將會發(fā)展成為事故，帶來災(zāi)難性的后果。通過對GIS安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以及時掌握GIS設(shè)備內(nèi)部元件的運行狀況，彌補日常巡檢難以發(fā)現(xiàn)的問題。

采用在線監(jiān)測系統(tǒng)對GIS設(shè)備進(jìn)行局放及微水監(jiān)測，如圖1所示。局部放電在線監(jiān)測主要通過超高頻（UHF）在線監(jiān)測技術(shù)，用于監(jiān)測并分析氣體絕緣組合電器（GIS）內(nèi)部局部放電信號。GIS內(nèi)局部放電產(chǎn)生的特高頻（UHF）電信號能夠在GIS中有效地傳播，UHF信號在經(jīng)過絕緣子時，可以通過絕緣子露出金屬法蘭的部位到達(dá)GIS外部，所以在盆式絕緣子外部可以測量GIS內(nèi)部的UHF信號，實現(xiàn)局部放電監(jiān)測和放電點定位。超高頻局部放電檢測技術(shù)，可有效抑制干擾，通過分布式的監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)信號調(diào)理和采集，獲得GIS局部放電信號及特征參數(shù)，通過測量放電信號的幅值、極性、放電相位、放電次數(shù)等表征參數(shù)，利用圖譜分析，進(jìn)行放電模式識別及故障類型診斷，觀察和預(yù)測局部放電故障的發(fā)展趨勢，故障信號及故障嚴(yán)重性報警，為絕緣狀態(tài)診斷提供重要判據(jù)。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架圖

SF6氣體密度在線監(jiān)測采用高分子薄膜電容式濕度和壓力傳感器，可以實現(xiàn)對SF6氣體密度、壓力、微水和溫度的在線監(jiān)測，主要技術(shù)指標(biāo)如表所示。傳感器從檢測取氣口通過專用轉(zhuǎn)換接口與氣室相連，具有DRYCAP自動校準(zhǔn)功能，采用硬件溫度補償技術(shù)、軟件補償技術(shù)，減少誤差，克服環(huán)境溫度對實際測量的影響。

表 主要技術(shù)指標(biāo)

通過對GIS安裝在線監(jiān)測設(shè)備，可以及時獲得SF6氣體密度、壓力、微水和溫度等運行數(shù)據(jù)，掌握設(shè)備運行狀況，通過參數(shù)的變化及時發(fā)現(xiàn)各種缺陷，為及早采取措施贏得時間，避免事故的發(fā)生。

GIS局放、微水探頭及設(shè)備如圖3所示。

2.2 局放監(jiān)測及油在線分析在主變上的應(yīng)用

主變是煉化企業(yè)電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，一旦發(fā)生故障將可能導(dǎo)致多套裝置生產(chǎn)受到影響，其穩(wěn)定運行是裝置能夠平穩(wěn)生產(chǎn)的關(guān)鍵。主變主要利用絕緣油進(jìn)行絕緣和散熱，在運行電壓下，油與浸泡其中的紙板等絕緣材料，會受電、熱、氧化和局部電弧等多種因素的影響，分解出氣體，氣體形成的氣泡不斷溶解在油中，與油質(zhì)結(jié)合以后，會使變壓器油的色譜發(fā)生一定的改變，呈現(xiàn)出異樣的顏色，當(dāng)變壓器出現(xiàn)故障時會產(chǎn)生更多的氣體，油質(zhì)顏色變化也會更加劇烈。變壓器內(nèi)部出現(xiàn)不同故障的情況下，會產(chǎn)生不同的氣體，如果是局部放電，將會有氫氣產(chǎn)生，如果是溫度過高過熱，將會產(chǎn)生乙烯，如果是電弧放電，將會產(chǎn)生乙炔等等。通過對變壓器油進(jìn)行采樣分析，可以掌握溶解于油中的氣體組分（檢測的氣體主要有CH4、C2H4、C2H6、C2H2、H2、CO、CO2等）、含量及產(chǎn)氣速率，由此判斷內(nèi)部故障類型及嚴(yán)重程度。通常的色譜分析，是將現(xiàn)場采集的變壓器油樣送至檢測點后采用色譜分析儀進(jìn)行檢測，通過檢測分析，與正常指標(biāo)值進(jìn)行對比，提前發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部一些隱性故障。然而，傳統(tǒng)的采樣檢測分析法存在一定不足：一是油在采集及運輸過程中可能會對油樣構(gòu)成一定影響，造成檢測結(jié)果存在一定偏差；二是每次采樣都需要耗費一定人力物力，且分析費用較高；三是檢測周期較長，變壓器油不可能經(jīng)常取樣分析，發(fā)生在兩次取樣時間期間的內(nèi)部缺陷未能及時發(fā)現(xiàn)，長期運行將會導(dǎo)致缺陷逐漸擴大，最終發(fā)生短路事故。

圖2 GIS局放、微水探頭及設(shè)備圖

變壓器油在線監(jiān)測裝置可以持續(xù)監(jiān)測變壓器油中的氣體含量及微水含量，在氣體或微水含量超過預(yù)設(shè)閾值時發(fā)出告警，提醒盡快抽取變壓器油樣做進(jìn)一步分析，為及早采取措施，防止故障進(jìn)一步擴大創(chuàng)造條件。油色譜在線監(jiān)測示意圖如圖3所示。

圖3 油色譜在線監(jiān)測示意圖

變壓器油在線監(jiān)測裝置如圖4所示。

圖4 變壓器油在線監(jiān)測裝置設(shè)備

為及時掌握變壓器的運行狀況，提高主變運行的穩(wěn)定性，對主變加裝了在線局放監(jiān)測裝置。目前，在線監(jiān)測變壓器局部放電的方法主要有7種：脈沖電流法、超聲波檢測法、射頻檢測法、氣相色譜法、化學(xué)法、UHF法。我們使用的在線監(jiān)測裝置采用的監(jiān)測方法為UHF法。UHF法是目前局部放電檢測的一種新方法，該方法通過天線傳感器接受局部放電過程敷設(shè)的UHF電磁波，實現(xiàn)局部放電的檢測。該監(jiān)測技術(shù)的特點主要是檢測頻段較高，可以有效地避開常規(guī)局部放電測量中的電暈、開關(guān)操作等多種電氣干擾，檢測頻帶寬，靈敏度很高，可以對故障類型進(jìn)行識別和定位。

變壓器局部放電監(jiān)測系統(tǒng)的主要構(gòu)成有：超高頻天線傳感器、噪音天線傳感器、濾波放大模塊、數(shù)字采集比較模塊、工業(yè)控制計算機、高頻電纜、機械附件以及專業(yè)分析軟件等。通過掃描比較電平與局部放電信號進(jìn)行電平比較，獲取工頻周期各相位區(qū)間超過比較電平的脈沖數(shù)。通過不同比較電平下的脈沖數(shù)值，可得到超高頻局部放電信號的三維譜圖。

變壓器局放監(jiān)測探頭如圖5所示。

圖5 變壓器局放監(jiān)測探頭

2.3 在線絕緣監(jiān)測技術(shù)在電動機回路上的應(yīng)用

電氣設(shè)備的絕緣性能對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行非常重要，由電氣設(shè)備絕緣性能下降而導(dǎo)致供電系統(tǒng)發(fā)生短路放電的故障占供電系統(tǒng)故障的很大比例。通常情況下，電力設(shè)備的絕緣老化是一個逐步發(fā)展的過程，根據(jù)運行環(huán)境不同，老化的時間也不盡相同。對電氣設(shè)備進(jìn)行定期交流或直流耐壓試驗，是檢查設(shè)備絕緣缺陷的常用手段，但由于耐壓試驗屬于破壞性試驗，會對設(shè)備絕緣帶來不可修復(fù)損傷，不斷積累也會導(dǎo)致絕緣故障的發(fā)生。某些情況下，設(shè)備耐壓試驗合格并不代表設(shè)備狀況良好，當(dāng)進(jìn)行耐壓試驗時，如果設(shè)備存在的絕緣缺陷還沒有降低到耐壓值以下，則缺陷并不能被發(fā)現(xiàn)，在設(shè)備投運后，隨著缺陷部位的惡化，設(shè)備絕緣會逐漸降低，當(dāng)達(dá)到擊穿臨界點時，便會發(fā)生短路故障，損壞設(shè)備，影響生產(chǎn)，給企業(yè)帶來損失。

綜上所述，單純通過對設(shè)備進(jìn)行定期試驗發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷存在一定的概率性，難以發(fā)現(xiàn)一些突發(fā)性的設(shè)備缺陷，設(shè)備發(fā)生故障的風(fēng)險不能完全排除。如果對電氣設(shè)備的絕緣狀況進(jìn)行在線實時監(jiān)測，則可以隨時了解設(shè)備的絕緣狀況，掌握設(shè)備絕緣變化趨勢，提前預(yù)知設(shè)備絕緣故障，采取有效的應(yīng)對措施，避免絕緣故障的發(fā)生，提高供電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及可靠性。

煉化企業(yè)中有大量的轉(zhuǎn)動設(shè)備，而這些設(shè)備大部分都是通過電動機進(jìn)行驅(qū)動，一旦電動機出現(xiàn)絕緣故障而停機，將直接影響到裝置的正常生產(chǎn)。降低電動機的絕緣故障率，可有效提高裝置的生產(chǎn)穩(wěn)定性，實現(xiàn)裝置的安全生產(chǎn)。為了及時了解電機回路的絕緣狀態(tài)，我們?yōu)橹匾妱訖C回路安裝了在線絕緣監(jiān)測裝置。當(dāng)前使用的在線絕緣監(jiān)測裝置采用直流疊加法的工作原理，此原理主要是將直流電壓信號（DC1500~2500V）疊加在運行中的電氣設(shè)備上，由于直流電壓信號與交流電壓工作于不同的頻率，根據(jù)絕緣層對地通過的直流電流值換算出系統(tǒng)或電氣設(shè)備對地的絕緣數(shù)值，實現(xiàn)對設(shè)備的在線監(jiān)測。通過在裝置面板上設(shè)定報警定值，當(dāng)被測電機絕緣電阻值小于設(shè)定值時，裝置面板上的紅色LED指示燈會進(jìn)行報警，同時，將報警信號輸出至電氣自動化系統(tǒng)，從而實現(xiàn)在線監(jiān)測功能。在線絕緣監(jiān)測裝置工作原理圖如圖6所示，在線絕緣監(jiān)測裝置如圖7所示。

圖6 在線絕緣監(jiān)測裝置工作原理圖

圖7 在線絕緣監(jiān)測裝置

電動機在線監(jiān)測系統(tǒng)，還可以對電動機的電壓、電流、功率及功率因數(shù)、漏電流、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩、電壓偏差及不平衡度、頻率、溫濕度、畸變率等全方位參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測。包括①可以不間斷地監(jiān)測電機和負(fù)載的運行工況；②可以對電氣故障、機械故障、負(fù)載缺陷（故障）全面監(jiān)測和診斷；③經(jīng)過評估后可以實現(xiàn)將定期維修轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)維修和預(yù)測維修；④提供故障早期報警，防止由于設(shè)備故障出現(xiàn)意外停機；⑤可以減少維修工作和成本，提高效率。

電動機在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 電動機在線監(jiān)測系統(tǒng)

3 結(jié)束語

設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對重要電氣設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，智能系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄及分析，了解不同時間段相關(guān)參數(shù)變化的趨勢，通過與正常數(shù)據(jù)對比，實時掌握設(shè)備的健康狀況，預(yù)警各類故障出現(xiàn)前的征兆，從而采取有效的措施降低設(shè)備故障率。通過在系統(tǒng)的應(yīng)用中不斷積累經(jīng)驗，總結(jié)規(guī)律，把握設(shè)備最佳的檢修時機，從而實現(xiàn)將定期維修轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)維修及預(yù)測維修，減少維修工作，節(jié)約大量的人力物力，降低維護(hù)成本，提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，為企業(yè)創(chuàng)造更大的效益。