（电力系统及其自动化专业论文）变电站断路器在线状态监测分析系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h et e c h n o l o g yo f s u b s t a t i o na u t o m a t i z a t i o nh a sm a d eg r e a tp r o g r e s s b u ti td o e n ，ti n c l u d et h ef u n c t i o no fc o n d i t i o nm o n i t o r i n gw h i c hc o u l dr e f l e c tt h eh e a l t ho f e l e c t r i c a l e q u i p m e n t s s o i tc o u l d n tr e a l i z et h et r u eu n m a n n e ds u b s t a t i o n u n d e r b a c k g r o u n d o fc o n d i t i o nm a i n t e n a n c ef o re l e c t r i c a l e q u i p m e n t s ，t h i s t h e s i s d e s i g n s c o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mf o re l e c t r i c a le q u i p m e n t so fs u b s t a t i o nw h i c hw h i c hc o u l d m o n i t o r st h et r a 2 s f o r m e r , e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c ei n s t a l l a t i o n sa n dl i g h t i n ga r r e s t e r s ( m o a ， f z 、o fs u b s t a t i o no nl i n e t h i s d e s i g n m e e t st h ed e m a n d so fd e v e l o p i n gu n m a n n e d s u b s t a t i o n ，am o d e lo f o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to f p o w e rs y s t e m c i r c u i tb r e a k e r sa r el i a b l et of a u l t sb e c a u s ei t o p e r a t e sf r e q u e n t l yi ne l e c t r i c a n d m e c h a n i s m s ot h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si st h er e a l i z a t i o no fo n l i n ec o n d i t i o n m o n i r o r i n ga n da n a l y z i n gs y s t e mo f b r e a k e r o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ep r i n c i p l e sa n d a p p l i c a t i o na c t u a l i t yo fb r e a k e r , t h i st h e s i sd e s i g n sak i n do f o n l i n ec o n d i t i o nm o n i r o r i n g a n da n a l y z i n gs y s t e mo fb r e a k e rf o rs u b s t a t i o nw h i c hc o u l er o u n d l ym o n i t o rt h ec o n d i t i o n o fb r e a k e r t h i ss y s t e mc a nm o n i t o ra n da n a l y z em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s 、e l e c t r i c a l e n d u r a n c e 、s t a t e so fs e c o n d a r yo p e r a t i o nc i r c u i to fb r e a k e r s t oc a l c u l a t et h ee l e c t r i c a l e n d u r a n c eo fb r e a k e r , t h i st h e s i su s e so fa c c u m u l a t i v ec u r r e n ta r i t h m e t i ca n di m p r o v e st h e a r i t h m e t i c 、t a k e i n gi n t oa e c o u r i tt h ei n f l u e n c eo f a r cd u r a t i o na n dr e a r cd u r a t i o nt i m e ，t h i s i m p r o v e da r i t h m e t i cc o u l dc a l c u l a t et h ee l e c t r i c a le n d u r a n c em o r ea c c u r a t e l y n l i st h e s i s i m p r o v e st h em e t h o dw h i c hd i a g n o s e sm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fb r e a k e rb y u s eo f t r i p a n ds w i t c hc o i l c u r r e n t ，p e s e n t s am e t h o dt o d i a g n o s em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sb y u t i l i z i n gt h ed r i v ee n e r g yo f s e c o n d a r y c i r c u i ta n dt r i pa n ds w i t c hc o i lc u r r e n ts y n t h e t i c a l l y i ti sm o r ea c c u r a t et od i a g n o s em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fb r e a k e r b y u s eo ft h i sm e t h o d t h i st h e s i sp r e s e n tam e t h o dt h a tc o u l dm o n i t o rt h ew o r ks t a t u so fs e c o n d a r yo p e r a t i o n c i r c u i t se n t i r e l y t h i sm e t h o ds o l v e st h ep r o b l e mt h a tt h ei n t e g r i t yo f t r i pc o i lc i r c u i tm i s s e s m o n i t o r i n g w h e nb e a k e rh a s t r i p p e d a n dt h e i n t e g r i t y o fs w i t c hc o i l c i r c u i tm i s s e s m o n i t o r i n gw h e n b e a k e rh a ss w i t c h e d t h es y s t e ms t u d i e di nt h i st h e s i sa d o p t sc e n t r a lc o n f i g u r a t i o n i nt e r m so ft h er e q u e s t o f m o n i t o r i n gf u n c t i o n ，t h eh a r d w a r ed e s i g n e db yu s i n gm o d eo fd s p + c p l dc o u l dr e a l i z e t h ef u n c t i o no fd a t aa c u q i s i t i o na n dm a n a g e m e n t 1 1 1 ed e s i g no fh a r d w a r ee n s u r e st h e s y n c h r o n i z a t i o no fd a t aa c q u i s i t i o na n dt h es a f e t yo fd a t aw h e ns e v e r a lc p uo p e r a t e t o g e t h e r t h ed a t at r a i l s f e ra d o p t sr f i f o ) a n d ( c a n ) w h i c he n s u r e st h eh i g h - s p e e dd a t a 1 l 华中科技大学项士学位论文 t r a n s f e ra n dt h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n s a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e mh a sg o o d p e r f o r m a n c eo fa n t i - j a m m i n g t h es o f t w a r ei n c l u d e ss e v e r a lm o d u l e s t h ep r o g r a m m ei n c l u d e sd a t aa c q u s i t i o n ，d a t a m a n a g e m e n 4d i s p l a y ，t h ed i a g n o s i n g a n d a n a l y z i n g o fc o n d i t i o n t h i se n s u r e st h e c o n v e n i e n c eo f u p g r a d i n ga n d e n l a r g i n gc a p a c i t yf o rs y s t e m t h i ss y s t e mh a db e e nd e b u g g e ds u c c e s s f u l l yi nl a b o r a t o r ya n dm e e t st h eb a s i cr e q u e s t o f d e s i g n k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n b r e a k e re l e c t r i c a le n d u r a n c e o n - l i n ec o n d i t i o n m o n i t o r i n gd a t a a c q u i s i t i o n c e n t r a lc o n f i g u r a t i o n i i i 华中科技大学项士学位论文 1 绪论 f 摘要 本章简要介绍变电站电力设备在线状态监测技术及应用现状，分析了断路器主 要特点，并论述了高压断路器在线状态监测技术发展现状及在线监测装置的开发应用 现状。最后介绍本论文的主要工作和全文的章节安排。 11 引言 变电站是一个由众多设备组成的有机整体，它的发展趋向于很强的相互依赖性， 设备相互间包括很多的关联信息，因此从变电站的整体上对电力设备状态进行实时状 态监测、诊断、分析能够获得更完备的电力设备状态信息，并能根据设备间关联信息 作出故障分析诊断。基于这种思想，本文研究设计了一种能监测变电站变压器、电容 性设备绝缘性能、避霄器、断路器等电力设备的实时在线状态监测分析系统。本文重 点论述了基于变电站实时在线状态监测分析系统的断路器实时在线状态监测分析的 功能实现，文中重点从断路器状态监测原理、监测诊断方法、系统总体方案设计，系 统的硬件、软件实现上做了深入的论述。 我们知道，电力系统是一个由众多发电、输电、变电、配电、用电设备连接而成 的大系统，这些电力设备的故障，不仅会造成供电系统意外停电而导致电力企业经济 效益减少，且可能造成用户的重大经济损失和抱怨，因此这些设备的可靠性及运行状 况直接决定整个系统的稳定和安全，也决定了电力企业的经济效益及供电质量和可靠 性。检修是保证电力设备健康运行的必要手段，它关系着设备的利用率、事故率、使 用寿命、人力物力财力的消耗，以及电力企业的整体效益等诸多问题。所以，做好电 气设备的检修工作，及早发现事故隐患并及时予以排除，使其始终以良好的状态投入 运行，具有十分重要的意义1 1 , 2 l 。 设备检修是随着科学技术及生产力的进步而不断演变发展的，就检修体制而言， 大体经历了事后维修( b r e a k - d o w nm a i n t e n a n c e ) 又称设备故障检修，定期检修 ( t i m e b a s e dm a i n t e n a n c e ) ，状态检修( c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ) 三个阶段。事 后维修是当设备发生故障或其他失效时进行的非计划性维修。定期检修是一种以时间 为基础的预防检修方式，也称计划检修。状态检修是从预防性检修发展来的更高层次 的检修体制，它根据设备的日常检查、定期重点检查、在线状态监测和故障诊断所提 l 华中科技大学| 硬士学位论文 篁，e 州- _ _ _ _ _ 高黼_ 喇糌- 昌瞄黼i _ 群糕寓鼻冒黼_ 鼻蕾棚鲁昌黼= 高篇黼鲁篁j 目# 出 供的信息，经过分析处理，判断设备的健康和设备劣化状况及发展趋势，并在设备敌 漳蔻粒蛙辘洚低到不兔谗极隈裁衰诗翔安撵检修。这秘方式鬻有缀强载铮对性鞠主理 色彩，能够有效提高设嚣的可用率，并能降低检修费用。这几种检修体制是在榆修体 蒂演变过程中发联起来的不同阶段，但根据不同的设备管瑾攀求，各稀不闻的检修方 式不憝互据排斥的，在誉同的管理要求下，它们是可以菸存的。在电力系统中接行状 态检修是电气设备检修制度发展的必然选择。其匿接效益有：节省大量维修费用，延 长设螽使鬣海命；捷离镞电霹靠链，减少捻修鼠裣。款态蓝溺爨是狭态埝镑夔纂疆， 近年来，状态监测在电力系统中得到越来越广泛的应用。电力设备的实时在线状态监 测是电力设备状态检修体制种必不可少的薰要环节，无论从经济效蓣上还是从供用电 豹可纛缝上考瘩，广泛袋震实冀重在线状态姣测技零都怒逛力系绞发矮熬崧然趋势。 变电站是输配电系统中重鼹的环节，窀担负着电能转换和电能簸新分配的繁重任 务，对电嚼的安全帮经济运行起着举足轻羹鹩作精。我菡交嘏站自葫忧技术经j 建+ 死 等的发展已经达到一定水平，农我国城乡嗽网改港与建设中不仅中低压变电站采用了 自动化技术，实现无人德班，筛且在2 2 0 k v 及以上的趣高压变电站建设中也大量采用 变毫游鸯动纯技零，据离7 毫爝建浚豹嚣代佬承警，臻强7 输嚣毫豹可靠健，洚羝了 变电站建设的总造价。但是目前的变电站自动化技术只包括了基本的运行监控、测量、 故障保护功能，缺少了电力设备状态监测环节，溺此不能对嘏力设备的蜜全状躐做出 浮售秘羚甄，不憝实现襄忑意义上懿无人壤守。扶这个摄念上寒说，变电站塞动他斡 内容也应包括高压电气设备本体特性的监视信息，即包括电气设备的状态监测。除了 为调度中心键高变电站的信息井，还簧为运行方式科和检修中心提供检修决策掰需要 麴电气设备状态信息b 4 j ，傲到粪正匏无人值守变赶站魏动化。 2 变电站电宠设簧状态监测研究现状 1 2 1 氇力浚各获森蛰裾每渗糖瓣蠢客 焱线状态j | 釜测及鼓黪诊叛分掇系统，变要是撰剩蠲凌我终感器技术、信息技术、 计算桃技术以及各类领域技术，综合构成的辅助逡行系统。随着这些技术的迅猛发展， 实对谯线获悉盆涮成为可能。状态簸铡、分析及放障诊新系筑的基本结构鲡舀l l 。 状态监测与故障诊凝是一个寡机的整体。状态监测是故黪诊断的基础、先决条i 孛 及必要手段，而故障诊断则是综合利用监测数据和信息的决策部分。 2 华中科技大学项士学位论文 l e _ l _ _ _ i _ _ _ - # l 目_ _ l _ _ 目 _ _ 目目_ _ = _ 目目_ = 图1 1 状态监测、分析及故障诊断系统 所谓状态监测( c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，c m ) ，是一种利用设备在需要维护之前，存 在一个使用寿命的预测方法，充分利用整个设备或者设备的某些重要部件的寿命特 征，开发应用一些具有特殊用途的设备，并通过数据采集以及数据分析来预测设备状 态发展的趋势f 2 ，5 】。状态监测有离线状态监测、在线状态监测两种方式。离线状态监测 就是通过定期对运行中设备或停止运行的设备进行规定项目的检查，发现设备的问题 和隐患。传统的设备管理方法如预防性试验、设备“点检”制度，属于离线状态监测。 其优势在于投资小，监测面宽，检测设备相对简单方便，易实现，但反应相对迟缓、 采集信息有限。必须另外配备分析系统，因此不能适应当前广泛推广的变电站自动化 的要求。因此，需要在线状态监测来弥补离线状态监测的不足。 状态监测的任务是了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种检测、测量、监视、 分析和判别方法，结合历史和现状，考虑环境因素，对设备运行状态进行评估，判断 设备处于正常还是异常状态，并对状态进行显示和记录，对异常状态作出报警。 所谓故障就是使系统不能按给定要求工作的一种不允许的性能偏离。主动发现故 障的过程就是故障诊断【4 l ，它包括故障报警、故障定位、故障程度估计。设备的故障 诊断实际上指在设备不解体的情况下，根据人类积累的经验和数据，采用一定的技术 手段，对设备所处的状态进行判断、对设备的故障及发展变化进行诊断和估计的技术。 故障诊断的任务就是要确定设备的故障性质、程度、类别和部位，明确故障征召、 并指明故障发展趋势。 一般来说，故障诊断可归纳为两种模式：比较法和按机理分析诊断法。比较法包 括横向比较和纵向比较。所谓纵向比较是指同一设备不同时期监测到的数据归算到同 一条件下进行比较，若数据在时间上有一定的积累时。可有效地反映设备状态的变化 华中科技大学硕士学位论文 | _ l l t 目t _ _ _ = e _ _ _ z 目_ _ 目l 自_ 目_ _ _ _ l = = _ - _ _ = # 趋势。这主要包括同一设备的当前与历史数据比较；与运行前或者检修后“指纹”比 较；当前运行数据和与离线试验参数比较( 中试结果) 比较；随时间推移、运行环境 和气候变化的设备状态信息的比较；与规范比较，与规范比较是指与行业规范、规程的 技术指标或生产厂家的技术规范比较。横向比较是将同类型设备的状态监测数据比 较、判断。网络技术在设备综合管理中的应用，可实施更广范围的横向比较。比较是 判别设备状态的基本方法【6 1 ，把测量分析到的各种状态数据、图谱与历史数据或标准 进行纵向、横向比较，从而判别故障的类型和程度。由于在线监测不能完全替代离线 试验，有些离线试验的数据依然有较高的参考价值。 通常所说的故障“指纹”是指故障的特征。在设备投用前或大修后监测记录设备 正常或最佳状态的特征一作为正常“指纹”，如果可事先提取某种故障的特征一作为 某一故障“指纹”。将运行中的设备监测到的“指纹”与正常“指纹”比较，即可发 现是否存在故障；与某一故障“指纹”比较，即可发现是否存在该种故障。比较法是 以统计学为基础的。 机理分析诊断法是建立在被监测对象或监测量的数学模型化的基础上的。能直观 地用数据表征设备的某一状态。如高压断路器电寿命的监测与诊断。 一般地说，状态监测与诊断可分为数据采集：数据分析及特征提取：状态评估或 故障诊断及分类3 个基本步骤。对于不同的步骤根据不同的监测对象，可采用不同 的疗法。电力设备的监测与诊断经历了停电试验、带电测量、在线监测三个阶段。目 前，根据无人值守变电站自动化的要求，电力设备在线的实时状态监测诊断成为一种 必然。但是变电站电力设备的状态信息众多，影响设备性能、状态的因素很多。要准 确、更完整反映电力设备的状态，需要不同来源、不同层次的空间信息和不同时间点 的时间信息。这些信息由数据库进行有效的管理，通过数据集成、信息融合得出精确 定位和特性判断的各种信息。因此，综合运用各种分析工具、方法，进行智能化的监 测诊断是大势所趋。 信息融合是一项多源信息综合处理新技术，是将系统中若干相同类型或不同类型 的传感器所提供的相同或不同形式、同时刻或不同时刻的测量信息加以分析、处理与 综合，得到被测对象全面、一致的判断。多源信息融合的结果可得到比单一信息源更 精确更完全的判断。此外一些新的科学分支，如神经网络、小波变换等也在故障诊断 领域得到了成功的运用，为故障诊断技术开辟了新的途径。 在电力系统状态监测中，已经提出了许多不同的监测方法，如振动分析法、油中 气体分析法、局部放电检测法、油纸的酸性湿度分析法、绝缘恢复电压法、低压脉 4 华中科技大学硕士学位论文 冲法等。这些方法各有特点，可根据不同的监测要求，采用其中一种或综合多种方法 来完成所要求的任务。从而根据状态监测获得的设备状态信息，综合运用各种诊断方 法作出对设备状态的准确评估。 例如对于变压器的状态监测与诊断，可以利用不同的方法或传感器来采集振动信 号、油中气体、油中湿度、温度、电流电压等原始信号，然后可采用频谱分析方法、 小波变换方法、神经网络方法和其它方法来完成对这些信号的分析和特征提取。这样 再采用神经网络、专家系统、模糊逻辑和其它有效的方法对所提取的特征进行判断、 推理，从而判定变压器是否存在局部放电和绝缘老化程度如何等，以达到变压器状态 监测诊断的目的。 1 2 2 电力设备在线监涮技术的发展应用现状及趋势 变电站高压电气设备越来越趋向于在不可能长时间停役检查和检修的情况下运 行，因此有必要对运行中的变电站电力设备进行在线状态监测和诊断，以便能检测到 异常情况的征兆或使用寿命终结的迹象。目前国内外对电力变压器、容性设备、高压 断路器等电力设备的在线监测都做了大量深入研究，监测量的范围也越来越广泛。文 献【7 1 着重讨论了作为状态检修基础的在线监测和故障诊断方法，包括电力变压器、容 性设备( 含氧化锌避雷器) 、断路器和气体绝缘组合电器。 对于变压器，其本体及其有载开关应该是在线监测的重点。变压器的在线监测项 目主要有油中气体测量与分析、局部放电测量、有载开关的触头磨损及机械和电气回 路的完整性测量等。 对于容性设备( 包括氧化锌避雷器) 的在线监测。主要测量容性设备的电容、电容 电流、介质损耗、不平衡电压等参量和氧化锌避雷- - 器( m o a ) 的全电流、阻性电流、功 耗等参量。 对于断路器的在线监测。断路器的监测内容有4 个方面：操作回路的完整性、绝缘 特性、开断能力、机械特性。 目前关于变电站电力设备在线监铡的产品已经基本成型，并已广泛应用于现场。 澳大利亚最权威的公用电力公司- e n e r g e x 研发并由厦门红相电力设备公司协作的 d r m c c 变压器在线监测控制系统可通过可持续的在线变压器的工作状况，通过安装 在变压器的特征部位上的高精度传感器，持续地探测各类型的数据，如；温度，溶解 在变压器油中h 2 ，h 2 0 及烃类气体。调压抽头位置等。经过变压器的专家诊断系统 综合分析各类数据，得出的结果能全面地反映变压器的现行工作状态和科学地预测它 5 华中科技大学硕士学位论文 口_ 自目e i i , r_,m 1 目_ _ # = = = 目目口目= = ； 的使用极限。由武汉高压所研制的h s j 1 型变电站一次设备绝缘在线监测系统可对主 变压器、电抗器局部放电监测及定位。对容性电气设备( 包括c t 、c v t 、o y 、主变、 电抗器套管) 的介质损耗、电流、电容量的监测。对主变铁芯接地电流、避雷器泄漏 电流及其有功分量、电压互感器一次电流及一次和二次闻泄漏电流、母线电压及谐波 的监测。该装置已安装应用于在吉林、陕西、贵州、四川、江苏、湖南、河南等省1 2 个大中型变电站( 5 0 0 k v 、2 2 0 k v ) 中。 但是，据中国电力科学研究院1 9 9 8 年对国内部分省、市电力部门安装的5 7 套集 中型在线监测系统的调查结果，属于正常或比较正常的监测系统仅占3 0 ，而确定 不能正常运行或处于闲置状态的约占3 5 。这些在线监测系统的硬件结构主要包括带 电检测结构形式，集中式结构形式，分层( 级) 分布多c p u 式结构形式【8 】。应该看到， 由于有些开发单位开发技术上的缺陷以及产品的功能完善工作不力，这些结构形式的 在线监测装置都存在着不同程度的缺陷，给在线监测工作造成了被动局面。并且，目 前越来越多的电力设备被纳入状态监测的范畴，丽开发的产品大多是针对设备某或 者几个方面性能的监测，通用和兼容性都很差，这就产生好多实际问题。系统的兼容 性差造成设计上的复杂，重复设计过多。监测量的局限性使得监测装置不能完整而准 确得反映设备的状态，并且每套装置都有独立的平台，操作复杂，通讯能力差，造成 变电站监测装置过多，使得维护管理复杂，不符合现在大力推广的变电站自动化的趋 势。随着传感器技术的发展，可以监测的状态量将越来越多，而计算机技术的发展， 使允许处理的数据量越来越大。因此研发多功能、能监测多状态参量的实时在线监测 系统将得成为可能。由于可获得的数据量的增大，常规的数据处理方法会遇到更大的 困难，因此，智能状态监测系统将得到进一步研究和应用，尤其是神经网络技术、知 识系统、模糊逻辑等会得到更广泛的应用，些新的数学工具，如小波变换，将得到 迸一步研究。 1 3 断路器在线状态监测研究现状 断路器在电网中起控制和保护作用，高压断路器发生故障或事故时会引起电网事 故或扩大事故，造成相当的经济或其他方面的损失。2 l 世纪世界电能将有更大的发展， 电能的安全可靠性、电能质量、经济性，包括现在电力行业大力推行的变电站自动化， 都对高压断路器的可靠性提出了更高的要求。因此大力开展断路器的实时在线监状态 监测工作就成为整个变电站电力设备状态监测体系的重要的一环。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 3 1 断路器的特点 断路器与其他高压电力设备如电机、电抗器、变压器、电容器相比，有以下特点： ( 1 ) 结构多样性。 ( 2 ) 试验的重要性。电机、变压器等电力设备的基本工作过程已比较清楚，理 论分析与设计计算的方法也比较成熟。而断路器的基本现象一电弧的物理过程还不清 楚，有关电弧的理论分析、设计计算方法也很粗糙。 ( 3 ) 要求高度的可靠性。断路器是电力系统重要的保护设备。它与被保护的设 备如发电机、变压器等相比价格低了很多，但断路器发生故障造成的损失，比断路器 本身的价值要大得多。因此要极端重视断路器工作的可靠性。 1 3 2 新路器在线监测系统研究应用现状 目前国内外对于高压断路器在线状态监测的研究报道很多，i e e e 的开关委员会 对高压断路器的监测选型已有指导标准f 9 】。研究的对象包括油断路器、s f 6 气体断路 器、真空断路器、g i s 组合开关、自动重合器和分段器、隔离开关和负荷开关、高低 压开关柜等。研究范围涉及到各种类型高压断路器故障的机理分析、故障类型的分布、 故障特征的提取、故障分析诊断的方法的综合运用。目前已有成型的在线状态监测装 置运行于变电站。 断路器的监测内容主要有4 个方面：操作回路的完整性、绝缘特性、开断能力f 1 2 t 或i t ) 、机械特性。文 1 0 】、【1 1 】、【1 2 、【1 3 探讨了断路器的机械特性监测，文 1 4 】、【1 5 、 【l6 】、 17 】、【1 8 】论述了机械振动监测的方法，文 19 】【2 6 】、 2 7 1 、 2 8 】提出了电寿命 监测若干方法，s f 6 气体监测在文【2 9 】【3 2 中进行了仔细的研究，关于高压断路器绝 缘监测的方法在文 3 3 】得到了讨论。 断路器的机械特性参数包括合、分速度：合、分时间；储能时间；操作次数；分 合闸线圈电流波形等。这些状态监测比较容易实现，但分合闸线圈电流波形的监测没 有考虑操作电源电压的变化对诊断的影响。对高压断路器操作时机械振动信号的研究 成果很多，由于振动信号的重复性差，孤立的振动信号很难做出诊断。电寿命的计算 多局限于工程简化计算【l9 】r o 】，原因是对电寿命影响很大的燃弧时间测量困难，只好回 避。而文【2 2 】提出测量燃弧时间的高频探测方法，仍存在缺陷。文 2 4 】在假定断路器的 分闸时间是固定的基础上计算燃弧时间，而实际上，分闸时间是变化的，我们需要通 过监测分闸时间的变化来反映高压断路器的机械状态。文 3 4 】分析了操作电源对分合 闸线圈电流的影响，并提出了一种简单可行的计算燃弧时间的方法及监测操作二次回 7 华中科技大学硕士学位论文 路方法。 在高压断路器在线状态监测装置( 系统) 的研制方面，国内为许多科研单位和厂 家已经做了大量的工作。主要针对高压断路器的机械特性、机械振动、触头电寿命、 绝缘性能的某个或几个方面进行监测。 文【1 3 】介绍的日本一种气体断路器在线监测与诊断系统，能通过分闸指令探测传 感器、光传感器、时间计数器获得高压断路器操作时间一行程曲线。分析高压断路器 操作时间一行程曲线，可判断高压断路器的机械特性。a b b 公司推出的s a f e g u a r d 监 测系统f 3 5 1 ，能够监测高压断路器的温升、电磨损、机械状态，并可通过对系统记录的 数据拟合得出整个时间一行程曲线。 文 3 6 】介绍了一种智能的高压断路器，能完成简单的电寿命计算功能，并用断路 器合位辅助触头变位和线路电流消失之差来近似断路器触头拉弧时间，并能记录断路 器合分操作次数。 由于s f 6 断路器的广泛使用，国外针对s f 6 气体监测的研究也很有进展，已开发 出相关仪器。如瑞士制造的d p l 9 型气体微水测量仪，英国生产的q 2 0 0 示踪气体检 漏仪，美国开发的t i f 5 7 5 0 a 检漏仪。 在国内的状态监测装置有w d j c 系列断路器在线监测装置【3 ”，可监测高压断路器 的机械动作特性和开断电流；d z j j r i i 型高压断路器实时状态监测系统，可监测高 压断路器的机械动作特性、开断电流及高压断路器的振动特征【3 8 】；s f 6 电气设备气体 在线监测装置1 3 9 j 。 以上的产品开发都是面向高压断路器某几个性能的状态监测装置，未能全面反应 高压断路器的状态。目前的趋势是开发能监测多种电力设备，并能完整准确反映设备 状态信息的综合在线监测分析系统。随着微机技术和通信技术的发展以及高压断路器 状态监测研究的深入，开发系统构成紧凑，硬件结构合理，监测理论完善的产品已经 成为可能。 1 4 本文的主要工作和章节安排 论文工作基于整个变电站电力设备状态监测大背景，重点讨论了变电站断路器在 线状态监测分析系统。在对现有的电力设备的在线状态监测技术和装置做简要阐述 后，重点讨论了变电站电力设备在线状态监测系统总体方案的设计，并对其中的断路 器在线监测分析系统实现做了突出的研究。本文作者参与了断路器在线状态监测系统 8 华中科技大学项士学位论文 的整体方案设计，硬件设计及软件方案设计和实现。设计实现了一种相对集中结构形 式的断路器在线状态鉴测分拆装矍。 全文的章节安排如下： 第一章绪论，介绍了本课题背景及研究重点，论述了变电站电力设备状态髓测的 研究现状，分析了断路器在线蓝测技术豹发嶷及在线篮测装鬟懿应用状况，并提出了 评价意见。 第二章变电站奄力设备在线状态监测系统设计。分缨了交怠站是力设备的农线状 态膝测原理，讨论了变电站的几种在线篮涮的结构形式及变电蛄毫力设备在线盆测系 统总体设计，并绘出基于变压器、电容性设餐绝缘、断路器监测量的监测装暨总体方 案。 第三章变电站颤路器在线监测原理研究。主要讨论了断路器的机械特性、电寿命、 操作二次弱路宪好性等方谣的在线鉴测琢淫及实现。 第四章变电站断路器在线状态监测分析系统硬件实现研究。介绍了系统总体方案 设计，从淤能实现现角度构成了系绞熬下层硬件，并详缨介绍了硬l 牛设计特色。 第五章变电站颤路器在线状态溢测分析系统软件实现研究。分析了系统的软件构 成。重点奔绍了主控扳的款传实现。 第六章全文蒽结。 _ 一_ 一 9 华中科技大学硕士学位论文 2 变电站电力设备在线状态监测系统设计 【摘要】本章介绍了典型地区变电站接线图，并对变压器、电容性设备绝缘性能、避雷 器、断路器等电力设备的在线状态监测原理进行了详细的论述。基于这些原理，给出 了一种变电站电力设备在线状态监测分析系统的总体方案设计。 2 1 变电站电力设备在线监测系统设计思想 2 1 1 典型地区变电站介绍 典型地区变电站接线图如图2 - 1 ，地区变电站主要向一个地区供电。该变电站有 d 洲支羔文嘤主羔支点。 汪i i 世i i下i i i 型i 漭 图2 1 典型地区变电站接线图 4 个电压等级：2 2 0k v 、1 1 0k v 、3 5k v 和6 k v 。 高压侧由2 2 0k v 电网受电经2 台9 0 m v a 自耦变压器降压至1 1 0 k v 和3 5 k v 后分别向本地区下一级变电站供电。1 1 0k v 一。1 0 侧母线和3 5 k v 侧母线各接有一台3 1 5 1 , 5 a 变压器降压至6 k v ，供电给变电站自用电或 附近用户。接于1 1 0k v 的三绕组变压器，起着1 l ok v 和3 5 k v 系统的联络作用，2 2 0 k v 和1l o k v 配电装置均采用双母线带旁路母线接线。3 5 k v 采用双母线接线。6 k v 侧配电 装置采用的是断路器分段的单母线接线。变电站有2 台9 0 m v a 自耦变压器，1 台3 1 5 m v a 三二绕组变压器，1 台3 1 5 m v a 双绕组变压器。配置断路器2 6 台。 2 1 2 变电站电力设鲁在线监测系统设计思想 变电站是一个由众多设备组成的有机整体，它的发展似乎趋向于很强的相互依赖 性，维修管理将不再局限于某一设备个体，变电站长期运行的电力变压器、互感器、 断路器等高压电气设备由于多种原因( 电场、导体发热、机械力、化学腐蚀和环境因 索) 的影响，不可避免地导致运行性能变坏，出现早期的故障缺陷。在线监测的目的 就是在缺陷还没有发展成重大事故的之前，及时准确的找出故障隐患，运用智能技术 对其健康情况进行实时评判，依据诊断结果制定检修方案和策略。 变电站自动化是将变电站的二次设备( 包括测量仪表，信号系统、继电保护、自动 装置和远动装置) 经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、 通信技术和信号处理技术，实现对全站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、 自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能，并要求具备电力设备 自动管理功能，以实现无人值守状态的设备管理。变电站电力设备的在线状态监测是 进行设备管理的必要手段，但是由于设备运行和设备管理上的实时性要求不同，对于 运行监控系统要求较高的实时性，而设备状态监测诊断实时性要求相对较低，因此把 实时状态监测诊断纳入运行监控系统中是不合适的，有必要建立变电站状态监测诊断 系统，实现对变电站变匝器、电容性设备、断路器、避雷器等电力设备的实时在线状 态监测，并且系统能通过网络通讯和变电站自动化系统接口，被纳入变电站自动化系 统范畴。 目前的在线监测系统都是针对设备的某一参数进行在线的测量，然而由于设备的 整体状况和是否检修并不是由单个参数的好坏来决定，而是由设备的多种参数进行综 合评判来反映。同时因为设备的检修停运涉及到整个输电和变电系统的运行，特别是 大电网的停运检修还涉及整个区域的运行方式和电力供求关系的调整，所以现有的在 线监测系统并不能满足对变电站整体的监测功能。 本章提出了一种能符合当前变电站自动化无人值守要求的变电站电力设备在线 状态监测分析系统，其主要思想为用一套变电站在线状态监测系统实现对变电站断路 华中科技大学硕士学位论文 器，变压器，电容性设备绝缘和避雷器的在线状态监测功能。基于这样一种思想，结 合目前的主流的在线监测装置结构形式，我们设计了两种变电站实时在线状态监测分 析系统。 1 分层分布式c p u 结构形式 如图2 2 所示为分布式变电站在线状态监测分析系统。不同的采集模块通过网 络通讯交换数据，并送给上层进行状态监测诊断、故障处理，并实现设备管理。系统 留有与传统的变电站自动化系统以及目前开发的变电站自动化系统的接口，实现信息 共享，满足了无人值守变电站自动化的要求。在线监测最初采用的是分散式，即利用 便携号用的测试仪器【4 “，从安装在设备附近的传感器上读取信号，就地进行测量。其 优点是投资小、结构简单。但需要人工操作，不利于信息自动化的发展。分布式系统 是分散式系统的发展，即信号采集与数据处理功能下放到被监测设备附近，通过传输 电缆或数据总线将监测到的信息上传到上位机。具有地理上的分散和功能上的分布的 特点。其主要优点是：可靠性高、效率离、可扩展性强、资源共享。 图2 2 分布式变电站在线状态监测分析系统 2 丰目对集中式结构形式。 如图2 - 3 所示为相对集中式变电站在线状态监测分析系统结构示意图。其主要 设计思想为相对的集中和分散相结合，即将被测信号通过电缆送到在线监测装置。而 对f 一些智能化的传感器采集的信息，可以就地采集，通过通讯方式上传到在线监测 华中科技大学硕士学位论文 j = = = = = = = = = = = = = = 口目目目自_ - = # 自z # t t 自t ；= 装置，集中完成监测数据的分析与处理。其优点是，可对所有设备实施巡回监测，监 测量大，便于建立诊断系统。缺点是可靠性差、传输电缆量大，占用空间多。 图2 - - 3 相对集中式变电站在线状态监测分析系统 设计以上两种结构形式的考虑为：对于一个大型变电站，要监测设备众多，监测量 大，用相对集中体系结构的在线监测装置就难免增大设备台数，而采用分布式体系结构 能做到系统扩容方便，能根据不同容量变电站的监测要求进行系统扩展。对于中小变电 站，用一台集中式在线监测装置能满足监测要求，相对性价比也很高。这两种监测系统 的不同点是分布式在线监测系统突出其高性能，相对集中式的则有好的性价比。 我们将致力于研发基于这样种集成化的变电站电力设备在线状态监测系统。 2 1 3 变压器在线监测原理及实现 主变压器是变电站的关键设备。运行经验表明，变压器的各种事故时有发生。变 压器在长期运行中，绝缘的劣化及潜伏性故障在运行电压下将产生光、电、声、热等 一系列的化学反应。变压器故障中绝缘事故占绝大多数。例如根据1 l o k v 及以上变压 器的9 3 次事故分析，绝缘事故在占8 0 以上( 匝绝缘、主绝缘及套管绝缘各占4 3 、 2 3 、1 5 ) 【4 1 1 。变压器在线监测主要包括油中气体在线监测、局部放电在线监测和 华中科技大学硕士学位论文 = = 目# _ # _ _ _ # # _ 目$ 、 绝缘在线监测簿。 2 1 3 。1 变医器辫陆牛气体在线簸溜原理 变鹾器绝缘油在熟和电的俸埔下，分聪出氢、一氧化碳、二氧化碳以及多种小分 孑烃类气体，设备内部故障的类型及严重程覆与这些气体分子的组成及产气速率有黄 密切关系。变压器油气色谱在线监测是篮测分析变压器油中溶解气体的组分及浓度， 物蓬过程是油中的固体有机绝缘耪料( 纸和纸板等) 在运行电压作用下，因电、热、 氧化和局部电弧等多种因素作用会逐渐交质，裂解出包摇h 2 、c o 、c k 、c 2 憋、c 2 h 4 、 c 2 魄在内的多种气体。通过浊气色谱分析气体含器和产气速率进行故障诊断，熊够判 断变压器内部有否存在着过热性故障( 导电回路、铁芯多点接地引起过热等) 和敖电性 ( 局部放电和电弧放电等) 放障等。 目前变压器油的在线监测是采用渗透膜脱气法。变压器油经过健感器进入脱气装 置然后进入气体分析仪器。色谱在线分柝采集装置哥安装在变压器附近或直接安装 在变压器上。该装置可对油中气体进行分丰斤，箍视油气含量变化，在气体继电器未动 之前预测变压疆内部缺陷的存在和发展，并将分析结果传输给生产部门。 2 1 3 2 变墨器局部放电在线啦港赢理 局部放电( p a r t i a ld i s c h a r g e ，p d ) 既是设备绝缘老化的先兆，也是造成绝缘老化的 一个重要原因。大量统计资料表明，影桶变压器可靠往的关键因素是绝缘性能的劣化， 其中一个重要特征是局部放电馈母的变化，油中气体分析法可以从一个方面反映局部 放电，惩专门对局部教电进行测羹也是设备状态j j 盏灏的一个重要内窑，很多故障都可 默从放电量茅日放电模式的变化中反映出来。 图2 4 为监铡系统监测一台变压器时的结构示意图，当变压器内部发生局部放 电时，超声传感器u s 和电流传感器c t 分别接收相应的超声脉冲和电脉冲信号，由 傣号电缆