现代传感与电力系统在线监测：第1章-绪论

1、现代传感与电力系统在线监测2017年5月教师：湖南大学教师：湖南大学 何赟泽何赟泽课程教材：课程教材：n王昌长、李福祺、高胜友编著：电力设备的在线监测与故障诊断，清华大学出版社，2006参考教材：参考教材：朱德恒、严璋： 电气设备状态监测与故障诊断技术，中国电力出版社，2009黄新波：变电设备在线监测与故障诊断，中国电力出版社，2010课件：课件：重庆大学，部分完善现代传感与电力系统在线监测现代传感与电力系统在线监测u 先修课程：大学物理、电路原理、电子技术传感器、检测技术电机学、电力电子技术u 连接强电与弱电的桥梁，学科交叉性强；u 专业性、实用性强，要注意理论联系实际；u 属于学科前瞻性领

2、域，研究技术日新月异，要多关注最新研究动态。现代传感与电力系统在线监测现代传感与电力系统在线监测考核方式：考核方式：n中文论文，推荐写与研究方向或课题相关的；n英文论文，必须是与研究方向或课题相关的，需要导师签字！n现在就可以开始写。现代传感与电力系统在线监测现代传感与电力系统在线监测1.1 1.1 本课程的研究对象本课程的研究对象1.2 1.2 电力系统故障及其危害性电力系统故障及其危害性1.3 1.3 电力系统维修机制的发展和状态维修的必要性电力系统维修机制的发展和状态维修的必要性1.4 1.4 在线监测技术的国内外研究现状及发展趋势在线监测技术的国内外研究现状及发展趋势1.5 1.5 本

3、课程的学习内容本课程的学习内容1.6 1.6 本课程的学习方法本课程的学习方法1 绪论绪论电力系统的构成电力系统的构成电厂电厂输电网输电网配电网配电网用户用户发电输电变配电用电1.1 电力系统汽轮发电机汽轮发电机铁塔铁塔绝缘子绝缘子导线导线220kV 220kV 电力变压器电力变压器220kV 220kV 电压互感器电压互感器220kV 220kV 电流互感器电流互感器110kV 110kV 少油断路器少油断路器220kV SF220kV SF6 6 断路器断路器220kV 220kV 金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器220kV 220kV 耦合电容器、电容式电压互感耦合电容器、电容式电压互感

4、器器500kV 500kV 二自线二自线 1.1 本课程的研究对象本课程的研究对象电力系统运行状况2. 变电设备的运行状况3. 输电线路设备的运行状况1. 发电设备（新能源）的运行状况4. 用电设备的运行状况（非浸入式电能监测）1.21.2 电气设备的故障及其危害性u电气设备是电力系统的基本元件，其性能的好坏直接影响到系统的安全可靠运行。u电气设备主要由以下材料构成： 一类为金属材料，包括铜、铝等导电材料，硅钢片等导磁材料，铸铁、钢板等外壳或结构材料； 一类为绝缘材料，如绝缘纸( (及纸筒、纸板) ) 、绝缘油、塑料薄膜、层压板( (及筒) )、电瓷等； 一类为半导体材料，如电力电子器件中很多

5、元器件。u相对于金属和半导体材料，绝缘材料更容易损坏，很容易老化变质而使机电强度显著降低。因而绝缘材料机电性能的好坏往往成为决定整个电气设备寿命的关键所在。七、八十年代我国电力系统部分电气设备故障统计1.21.2 电气设备的绝缘故障及其危害性1.21.2 电气设备的绝缘故障及其危害性u电力系统电气设备的多数故障是绝缘性故障n国外：n美国某地区4.8kV配电系统对1980-1989年间失效电容器的统计分析指出，其中92%是因绝缘劣化引起失效；n日本日新公司对故障变压器统计结果是绝缘故障占45%。n引起绝缘故障的原因n电应力n机械力n热n环境因素1.21.2 电气设备的绝缘故障及其危害性n引起绝缘

6、故障的原因n电应力n机械力n热n环境因素1.21.2 电气设备的绝缘故障及其危害性变压器的灾难性事故变压器的灾难性事故 电缆接头的破坏 套管的破坏1.21.2 电气设备的绝缘故障及其危害性n绝缘故障造成的经济损失巨大n直接损失（现有财产的减少：设备损失、电量损失）；n间接损失（可得利益的丧失，即应当得到的利益因受侵权行为的侵害而没有得到）；n社会损失。n举例：一台三相500kV/360MVA500kV/360MVA的大型变压器，若发生爆炸，直接损失上千万元。若将直接损失、间接损失和社会损失的比例按1:4:61:4:6来估算的话，将给整个社会造成上亿元的巨大经济损失。n目前采取的措施n绝缘监督专

7、职工程师；春查。1.3 1.3 电气设备维修机制的发展和状态维修的必要性 电气设备检修技术的发展大致可分为三个阶段电气设备检修技术的发展大致可分为三个阶段 事故检修事故检修定期检修定期检修状态检修状态检修50年代以前，设备年代以前，设备发生了故障或事故发生了故障或事故以后进行检修以后进行检修设备比较简单设备比较简单设计裕量大设计裕量大修复容易修复容易设备停运影响不大设备停运影响不大6070年代，定期预防检修年代，定期预防检修设备的生产效率越来越高设备的生产效率越来越高突发故障造成的损失越来越大突发故障造成的损失越来越大通过定期检修，设备能恢复到通过定期检修，设备能恢复到接近新设备的状态接近新设

8、备的状态以牺牲企业的自身经济利益为以牺牲企业的自身经济利益为代价，造成了不必要的人、财代价，造成了不必要的人、财、物的浪费、物的浪费在前苏联、东欧各国和我国推在前苏联、东欧各国和我国推广应用并延续到现在广应用并延续到现在根据设备状态确定检根据设备状态确定检修策略修策略起源于起源于60年代美国航年代美国航空工业飞行器的设备空工业飞行器的设备检修方式检修方式1978年开始应用于美年开始应用于美国海军舰艇设备检修国海军舰艇设备检修80年代在核工业中推年代在核工业中推广应用，并很快发展广应用，并很快发展到电气设备检修到电气设备检修针对性强，经济合理针对性强，经济合理1.31.3电气设备维修机制的发展和

9、状态维修的必要性 国内外国内外应用应用状态检修的电力企业实践证明：状态检修的电力企业实践证明：电气设备状态电气设备状态检修管理策略具有明显的社会效益和经济效益检修管理策略具有明显的社会效益和经济效益 主要包括：检修与管理效率提高，设备大修间隔和小修频率降低，杜主要包括：检修与管理效率提高，设备大修间隔和小修频率降低，杜绝不足维修和过剩维修，减少重大事故发生，提高设备可用系数，降低绝不足维修和过剩维修，减少重大事故发生，提高设备可用系数，降低企业经营成本企业经营成本据统计，实施状态检修后，据统计，实施状态检修后，设备故障率可降低设备故障率可降低75%，综合检，综合检修费用可减少修费用可减少30%

10、50% 根据美国对典型电厂开展状态检修的统计，在根据美国对典型电厂开展状态检修的统计，在400-1300MW的电厂的电厂成功应用此项技术后，收益为每年成功应用此项技术后，收益为每年160万美元万美元1.31.3电气设备维修机制的发展和状态维修的必要性 u事故后维修事故后维修20世纪世纪50年代以前采用年代以前采用u定期维修定期维修20世纪世纪60、70年代沿用至今年代沿用至今方法：方法：预防性试验预防性试验一般在每年春查时进行，将预试一般在每年春查时进行，将预试结果与结果与电气设备预防性试验规程电气设备预防性试验规程的标的标准进行比较，若有超标，即要安排维修和准进行比较，若有超标，即要安排维修

11、和停电计划。停电计划。预防性维修预防性维修1.31.3电气设备维修机制的发展和状态维修的必要性 我国现行绝缘预防性试验项目的主要内容我国现行绝缘预防性试验项目的主要内容 1.31.3电气设备维修机制的发展和状态维修的必要性 绝缘预防性试验主要是停运时测量直流下的绝缘电阻Ri或泄漏电流I1、测量交流下的介质损耗因数tg等。对于油浸电气设备要取油样进行绝缘油试验，进行油中气体的色谱分析等，然后对该设备的绝缘状况作出综合判断。非破坏性试验项目，如测量绝缘电阻Ri、测量介质损耗因数tg、测量直流高压下的泄漏电流I1等，几乎被广泛用作各种高压电气设备的预防性试验项目。破坏性试验项目，如交流耐压试验可能引

12、起残余破坏，仅仅在必要时、大修后等情况下才进行，而且在非破坏性试验项目通过后才可进行。 我国现行绝缘预防性试验项目的主要内容我国现行绝缘预防性试验项目的主要内容 220kV主变压器大修1.31.3电气设备维修机制的发展和状态维修的必要性 定期维修的局限性定期维修的局限性l经济角度经济角度分析：分析：定期试验和大修均需停电，引起电量损失；定期试验和大修均需停电，引起电量损失；定期大修和更换部件的投资，造成巨大的人、财、物定期大修和更换部件的投资，造成巨大的人、财、物的浪费。的浪费。l 技术角度技术角度分析：分析： 试验条件不同于运行条件，多数项目是在低电压下进行检查，很可试验条件不同于运行条件，

13、多数项目是在低电压下进行检查，很可能发现不了绝缘缺陷和潜在的故障；能发现不了绝缘缺陷和潜在的故障； 绝缘的劣化、缺陷的发展有一定的潜伏和发展时间，而预试是定期绝缘的劣化、缺陷的发展有一定的潜伏和发展时间，而预试是定期进行的，常不能及时准确地发现故障，从而出现漏报、误报或早报。进行的，常不能及时准确地发现故障，从而出现漏报、误报或早报。 u状态维修2020世纪7070年代提出方法：n对运行中的电气设备的运行状况进行连续的在线监测，随时测得能反映设备运行状况变化的信息，对这些信息进行分析处理后对设备的绝缘状况作出诊断，根据诊断结果安排必要的维修。预知性（预测性）维修步骤：在线监测分析诊断状态维修1

14、.31.3电气设备维修机制的发展和状态维修的必要性 1.31.3电气设备维修机制的发展和状态维修的必要性 优点：l降低设备事故率，提高系统安全可靠运行水平；l提高设备利用率；l减少了维修次数、停电次数和维修费用；l投资省，收益高。1.31.3电气设备维修机制的发展和状态维修的必要性 n绝缘事故比例高绝缘事故比例高n大型电气设备的重要性大型电气设备的重要性n定期预防性维修体制的不足定期预防性维修体制的不足n状态监测的科学性状态监测的科学性0102030自然灾害 设备故障 人员责任其它2000年2001年2002年2003年自然灾害17%设备故障45%人员责任19%其它19%1.31.3电气设备维

15、修机制的发展和状态维修的必要性 1.31.3电气设备维修机制的发展和状态维修的必要性 显示和运行显示和运行人员的操作人员的操作在线监在线监测系统测系统诊诊 断断设备的设设备的设计和制造计和制造运行中运行中的设备的设备维修计划维修计划状态维修体系方框图状态维修体系方框图组成：在线监测及绝缘诊断是状态维修的基础和根据在线监测及绝缘诊断是状态维修的基础和根据1.4 1.4 在线监测技术的国内外研究现状及发展趋势u提出1951年，美国西屋公司的约翰逊（John S. Johnson）u美国最先开展（2020世纪6060年代）60年代初，使用可燃性气体总量（TCG）判断变压器的绝缘状态。u加拿大1975

16、年研制成功变压器早期故障监测器（油中溶解气体监测），主要是单一氢气；80年代研制的发电机局部放电分析仪（PDA）成功应用于现场水轮发电机；魁北克水电局（IREQ）研制成功多参数在线监测系统（AIM），可对变压器局放、油中溶解气体组分及线路过电压进行监测。1.4 1.4 在线监测技术的国内外研究现状及发展趋势u前苏联发展于70年代；研究领域：电容性设备绝缘监测、局部放电在线监测。u日本起步并发展于70年代；70年代末以来研制了油中氢气的监测装置、三组分和六组分的油中气体监测装置；东京电力公司于80年代研制了变压器局放自动监测仪。1.4 1.4 在线监测技术的国内外研究现状及发展趋势1.4 1.4

17、 在线监测技术的国内外研究现状及发展趋势u我国开始于开始于8080年代，安徽、广东等省市电力部门研制了电容性设备年代，安徽、广东等省市电力部门研制了电容性设备监测装置，但效果不理想；监测装置，但效果不理想；9090年代，重庆大学、武汉高压研究所、湖北省中试所、武汉水年代，重庆大学、武汉高压研究所、湖北省中试所、武汉水利电力大学等单位的研究水平日趋完善，逐渐得到了电力部门利电力大学等单位的研究水平日趋完善，逐渐得到了电力部门的认可；的认可；20022002年，重庆大学开展的年，重庆大学开展的“变电站电气设备绝缘多参量多功能变电站电气设备绝缘多参量多功能在线监测及故障诊断技术研究在线监测及故障诊断

18、技术研究”荣获荣获国家科技进步二等奖国家科技进步二等奖；目前较成熟的技术有：电容性设备监测、油中六种气体监测、目前较成熟的技术有：电容性设备监测、油中六种气体监测、发电机局放监测、主变压器局放监测及相应的诊断技术。发电机局放监测、主变压器局放监测及相应的诊断技术。1.4 1.4 在线监测技术的国内外研究现状及发展趋势u发展趋势新型传感技术的应用多功能多参数的综合监测及诊断对电厂或变电站的所有电气设备集中监测和诊断（设备群）高的可靠性和灵敏度在积累监测数据和诊断经验的基础上发展人工智能技术，实现绝缘诊断的自动化（数据库+深度学习）1.4 1.4 在线监测技术的国内外研究现状及发展趋势u在线监测系统的技术要求系统的投入和使用不应改变和影响电气设备的正常运行；系统的投入和使用不应改变和影响电气设备的正常运行；系统应能自动地连续进行监测、数据处理和存储；系统应能自动地连续进行