高压电力设备在线监测技术第1章概论.ppt

1、第一章第一章 概论概论Overview1变压器变压器GIS 电力电缆电力电缆发电机发电机电容性设备电容性设备电气设备界定电气设备界定2课程涉及的领域课程涉及的领域高电压工程高电压工程电子测试技术电子测试技术电磁兼容电磁兼容人工智能人工智能可靠性工程可靠性工程传感技术传感技术31. 电气绝缘在线检测技术电气绝缘在线检测技术，严璋，严璋 编编 北京，北京，中国电力出版社，中国电力出版社，1995.11 2. 电绝缘诊断技术电绝缘诊断技术，朱德恒、谈克雄主编，朱德恒、谈克雄主编 北京，北京，中国电力出版社，中国电力出版社，1999.043. 电工高新技术丛书电工高新技术丛书第五分册第五分册 (电气设

2、备状态监测与故障诊断技术电气设备状态监测与故障诊断技术) 朱德恒、谈克雄编朱德恒、谈克雄编 北京，机械工业出版社，北京，机械工业出版社，2000.03主要参考书目主要参考书目4本章内容 电气设备的绝缘故障及其危害性 在线监测与状态维修的必要性及意义 在线监测技术的国内外发展概况及趋势 在线监测系统的技术要求51.1 电气设备的绝缘故障及其危害性全球全球截止到截止到2030年仍将有年仍将有1/5的人口，根本的不到电力供应。的人口，根本的不到电力供应。美国美国在未来在未来20年中需要建设年中需要建设1300个发电厂（平均每年个发电厂（平均每年65个）个）才能保证充足的发电能力。否则，加州停电问题就

3、肯定会在才能保证充足的发电能力。否则，加州停电问题就肯定会在全国范围内出现。能源短缺将对美国所有的地区造成影响。全国范围内出现。能源短缺将对美国所有的地区造成影响。发展中国家和不发达国家发展中国家和不发达国家严重的能源短缺和电力工严重的能源短缺和电力工业的落后状态，已成为影响其经济发展的瓶颈。业的落后状态，已成为影响其经济发展的瓶颈。世界电力之现状世界电力之现状6中国电力之现状中国电力之现状到到20102010年底年底: : 发电装机容量发电装机容量 9.62 9.62 亿千瓦亿千瓦 发电量完成发电量完成 41413 41413 亿千瓦时亿千瓦时直流超高压线路直流超高压线路70857085公里

4、，输送能力公里，输送能力18561856万千瓦万千瓦中国超高压交直流输电工程的设计建设、运行管中国超高压交直流输电工程的设计建设、运行管理和设备制造水平已处于国际领先地位理和设备制造水平已处于国际领先地位 7电力系统的构成电力系统的构成电厂输电网配电网用户8瞬间平衡的电力系统瞬间平衡的电力系统 电力系统是世界上最大的电力系统是世界上最大的“瞬间动态平衡系统瞬间动态平衡系统” 。 发电和用电是同时发生的，基本没有存储环节。发电和用电是同时发生的，基本没有存储环节。 电力系统的所有问题都是围绕这个特点展开的。电力系统的所有问题都是围绕这个特点展开的。9电力系统的稳定性问题电力系统的稳定性问题电厂电

5、厂电力网用户用户系统瞬间改变系统瞬间改变 发电、输电和用电过程构成了不可分割的整体，任何环发电、输电和用电过程构成了不可分割的整体，任何环节发生故障都有可能引起链式反应，导致整个系统的崩溃。节发生故障都有可能引起链式反应，导致整个系统的崩溃。 10历史上的大停电事故历史上的大停电事故1965年由于保护继电器动作失灵导致的美国纽约大停年由于保护继电器动作失灵导致的美国纽约大停电，造成近电，造成近30亿美元经济损失，亿美元经济损失，50多万人被困在地下多万人被困在地下和地铁的车厢里。和地铁的车厢里。 1989年年3月月6日太阳出现过一次强度达的日太阳出现过一次强度达的X15级耀斑，伴级耀斑，伴随产

6、生的太阳风暴导致加拿大电力输送中断，随产生的太阳风暴导致加拿大电力输送中断，600万人万人断电断电9小时之久，经济损失达小时之久，经济损失达10亿美元。亿美元。11停电原因停电原因城 市电网结构 管理不善设备故障 检 修 电源不足 外部因素气象影响 上上 海海0.06 2.12 45.31 39.17 0.00 10.78 2.56 太太 原原1.63 3.04 16.76 64.710.53 10.31 3.02 长长 春春0.40 1.82 14.66 69.26 0.00 8.02 5.84杭杭 州州2.97 4.82 18.44 67.18 0.00 5.34 1.25 广广 州州0.

7、00 19.4528.6950.96 0.00 0.00 0.90 西西 宁宁0.04 3.78 49.50 29.19 0.00 17.490.00( % )1213电气设备典型灾难性事故举例可见提高设备的运行可靠性是保证电力系统安全运行的关键。可见提高设备的运行可靠性是保证电力系统安全运行的关键。现代电力设备的可靠性在很大程度上取决于其绝缘的可靠性。现代电力设备的可靠性在很大程度上取决于其绝缘的可靠性。保证设备安全的基本途径保证设备安全的基本途径 制造制造100%可靠的设备可靠的设备 建立完善的维修计划建立完善的维修计划虽然设备的质量和可靠性主要取决于设计和制造阶段，但为了保证设备的正常运

8、行，在很大程度上也需要借助于投运后的维护工作，即在运行过程中通过对设备进行必要的巡视检查、监测和试验，建立完善的维修计划，以减少事故的发生，提高运行可靠性。制造这样的大型电力设备，在技术上是极其复杂的，尤其是对于电压等级较高的设备，多数情况下这样的设计在经济上也是不合理的。 140102030405060 （年）（年）事故率事故率 %无在线监测无在线监测有在线监测有在线监测运行运行早期早期稳定期稳定期运行晚期运行晚期更更 换换可接受的事故速率可接受的事故速率无在线无在线监测监测有在线有在线监测监测1.2 在线监测与状态维修的必要性及意义15电力系统维修方式的演变过程电力系统维修方式的演变过程1

9、. 事后修理事后修理BM（Breakdown Maintenance）或故障维修；）或故障维修；2. 定期检修定期检修TBM（Time Based Maintenance）或预防性维修）或预防性维修PM（Preventive Maintenance）；）；3. 状态维修状态维修CBM（Condition Based Maintenance）或预知性）或预知性维修（维修（Predictive Maintenance）。）。16事后维修体制事后维修体制 早期技术及管理水平都很低早期技术及管理水平都很低 ，即使再重要的设备也只能坏了再修。即使再重要的设备也只能坏了再修。以致工作毫无计划性，供电可靠性

10、以致工作毫无计划性，供电可靠性很低。很低。 简单方便，对消耗性产品是有效简单方便，对消耗性产品是有效的。的。 随着电力系统的不断扩大，设备随着电力系统的不断扩大，设备故障所造成的停电损失也越来越大，故障所造成的停电损失也越来越大，事后维修无法满足系统对运行稳定事后维修无法满足系统对运行稳定性的需求。性的需求。17现行维修体制现行维修体制定期维修定期维修 预防性试验是电力设备运行和维护工预防性试验是电力设备运行和维护工作中的一个重要环节，是保证电力系统安作中的一个重要环节，是保证电力系统安全运行的有效手段之一。在我国已有全运行的有效手段之一。在我国已有40年年的使用经验。的使用经验。 预防性试验

11、、大修和小修构成了定期预防性试验、大修和小修构成了定期维修制的基本内容。维修制的基本内容。18 1. 维修周期频繁维修周期频繁设备设备发电机发电机变压器变压器电力电缆电力电缆GIS小修周期（年）小修周期（年）1111大修周期（年）大修周期（年）3510552. 预防性试验项目过多预防性试验项目过多电力变压器电力变压器 32项项发电机发电机 25项项互感器互感器 11项项 GIS达达 20项项定期维修制的种种弊端定期维修制的种种弊端19大修一台大修一台30万万kVA的发电机需要大约的发电机需要大约3个月的时间，耗费资个月的时间，耗费资金近百万元。金近百万元。大修一台大修一台12万万kVA的变压器

12、需投入的变压器需投入300多个工作人日，资金多个工作人日，资金10万元。万元。大修一台大修一台220 kV开关需投入开关需投入100多个工作人日，资金多个工作人日，资金2万元。万元。长时间停电检修，将造成大量的电量损失。长时间停电检修，将造成大量的电量损失。300MW机组机组停运一天，少发电停运一天，少发电720万度，直接损失万度，直接损失150万元。万元。3. 经济性差经济性差4. 增大不安全因素增大不安全因素易发生人身和设备安全事故。易发生人身和设备安全事故。 发生在检修、试验人员身上的伤亡事故占全部供电伤亡事故的77.8%。停送电过程易造成误操作。停送电过程易造成误操作。20大连局的预试

13、统计大连局的预试统计 19831991年，共检测111万片线路绝缘子，测出零值414片，且同一串无2片零值的。要否每13年普测？ 19821998年，继保及自动化装置不正确动作率：10kV及220kV电压级分别为0.02%及6.2%。要否每年同样要整定？215. 过度维修过度维修对对110台高压变压器进行的台高压变压器进行的162台次定期吊检大修结果进行统台次定期吊检大修结果进行统计。共发现缺陷计。共发现缺陷24项，其中一般性缺陷项，其中一般性缺陷23项，危及安全运行项，危及安全运行的仅的仅1项。项。对对110kV及以上油开关大修统计表明，及以上油开关大修统计表明，95%以上未发现部件以上未发

14、现部件损坏。损坏。 定期检修虽有成效，但过于保守。定期检修虽有成效，但过于保守。实践证明，频繁检修实践证明，频繁检修非但不能改善设备性能，反而常常会引入新的故障因素。非但不能改善设备性能，反而常常会引入新的故障因素。 6. 维修不足维修不足 由于采用周期性定期检查，很难预防由于随机因素引由于采用周期性定期检查，很难预防由于随机因素引起的偶发事故。设备仍可能在试验间隔期间内由于微小缺起的偶发事故。设备仍可能在试验间隔期间内由于微小缺陷的持续发展导致发生故障。陷的持续发展导致发生故障。 22 预防性试验是在停电情况下，进行的非破坏性试验，预防性试验是在停电情况下，进行的非破坏性试验，试验电压一般不

15、超过试验电压一般不超过10kV。而大部分变电设备工作电压为。而大部分变电设备工作电压为110 500kV。很难正确反映高压电气设备在运行中存在的。很难正确反映高压电气设备在运行中存在的缺陷。缺陷。7. 预防性试验条件与实际运行工况不同预防性试验条件与实际运行工况不同 设备的现代化对设备的维修体制提出了变革设备的现代化对设备的维修体制提出了变革的要求，设备运行的高可靠性和维修方式的经济的要求，设备运行的高可靠性和维修方式的经济性已成为电力系统降低运行成本的关键。性已成为电力系统降低运行成本的关键。 23发展中的维修体制发展中的维修体制状态维修状态维修状态维修方式的基本思想状态维修方式的基本思想“

16、治于未病治于未病”24 状态维修即根据具体设备的实际情况来确定检修周状态维修即根据具体设备的实际情况来确定检修周期和检修内容的维修体制。期和检修内容的维修体制。 通过对设备运行情况的实时监测，随时查明设备可通过对设备运行情况的实时监测，随时查明设备可能能“存在着什么样的隐患，什么时候会发生故障存在着什么样的隐患，什么时候会发生故障”，预，预先得知将要发生事故的部位和时间，设备管理人员因此先得知将要发生事故的部位和时间，设备管理人员因此可以从容地安排停电计划和组织维修人力，采购必须的可以从容地安排停电计划和组织维修人力，采购必须的备件，以便在短时间内完成高质量的维修工作。备件，以便在短时间内完成

17、高质量的维修工作。 实现实现“无病不修、有病才修、修必修好无病不修、有病才修、修必修好”的目的。的目的。 状态维修的必要性状态维修的必要性25 虽然设备内部缺陷的出现和发展具有很强随机性，但虽然设备内部缺陷的出现和发展具有很强随机性，但大多都具有一个的较为缓慢的发展过程，在这期间，会产大多都具有一个的较为缓慢的发展过程，在这期间，会产生各种前期征兆，表现为其电气、物理、化学等特性发生生各种前期征兆，表现为其电气、物理、化学等特性发生渐进的量变。根据这些特征量值的大小及变化趋势，即可渐进的量变。根据这些特征量值的大小及变化趋势，即可对设备的可靠性随时做出判断，从而发现早期潜伏性故障。对设备的可靠

18、性随时做出判断，从而发现早期潜伏性故障。 状态维修的技术可行性状态维修的技术可行性26设备状态设备状态在线监测在线监测故障诊断故障诊断维修决策维修决策状态维修的基础状态维修的基础2728电力设备维修方式分类原则电力设备维修方式分类原则后果轻微？后果轻微？状态维修状态维修定期维修定期维修事故维修事故维修NNYNYYYN渐变？渐变？数据分散？数据分散？数据可测？数据可测？故障模式特征故障模式特征多种维修方式多种维修方式 并非对立并非对立合理维修以延长寿命合理维修以延长寿命29状态维修与监测是一个铜板的两面状态维修与监测是一个铜板的两面q 维修方式决定了所要采用的监测技术；维修方式决定了所要采用的监

19、测技术；q 监测与诊断的结果将指导维修策略的建立。监测与诊断的结果将指导维修策略的建立。30运行现场的两种检测方法运行现场的两种检测方法 带电测量带电测量 (On-site detection)：对在运行电压对在运行电压下的设备，采用专用仪器，由人员参与进行下的设备，采用专用仪器，由人员参与进行的测量。的测量。 在线监测在线监测 (On-line monitoring)：在不影响设在不影响设备运行的条件下，对设备状况连续或定时进备运行的条件下，对设备状况连续或定时进行的监测，通常是自动进行的。行的监测，通常是自动进行的。 1.3 在线监测技术的国内外发展概况及趋势31设备状态维修管理流程设备状

20、态维修管理流程设备检修管理设备检修管理试验数据(离线)试验数据(离线)OSSQL Server 7.0OSSQL Server 7.0沪南供电所服务器迎勋变电站服务器SCADASCADA各种在线检测仪(介损,全电流,阻性电流.)各种在线检测仪(介损,全电流,阻性电流.)! !是否生成新的是否生成新的检修工单?检修工单?触发信号触发信号(手动)(手动)离线信息离线信息在线信息在线信息录入历次录入历次试验数据试验数据! !已处理的已处理的检修工单检修工单诊断修正信息诊断修正信息离线数据离线数据存储及提取存储及提取在线数据在线数据存储及提取存储及提取在线数据转换接口在线数据转换接口执行执行查询/返回

21、查询/返回设备台帐设备台帐各种管理信息各种管理信息的存储与提取的存储与提取任务管理任务管理人力资源人力资源工作单管理工作单管理.状态检测/综合诊断状态检测/综合诊断.32EPRI PDM ProgramEPRI PDM Program的年收益的年收益Equipment Life EnhancementsOperationEnhancement1%- 2% HRAvailability Improvements30% - 50% MaintenanceSavings 5% - 15%$1.5 to 4.0百万百万/年年3334美国优化维修收益美国优化维修收益35HECOHECO性能提高程度性能提

22、高程度l 已节省 $4.5M用于提高系统可靠性l 降低非计划维修约50%，更有利于合理利用资源以提高维修效率及系统稳定性Maintenance Mix(as of 6/03)28%29%28%30%39%7%8%15%19%19%65%64%57%51%42%0%10%20%30%40%50%60%70%1998199920002001200220032004PreventivePredictiveCorrective 36Technologies/Benefits US Utilities技术方法技术方法异常情况异常情况比例比例(%)避免损失避免损失效益效益(%)Thermography86

23、0647,560,69764Visual/Ops.303222,202,35419Oil645892,0498UT Noise967946,0208Vibration322134,6401Total1355100*11,735,76010037EPRI SPDM Program Implementation Project -Resulting UTILITY BENEFITS38Schematic of Transformer Condition Assessment and Condition Based Loading AnalysisData collection and analys

24、isOnsite testing and surveyCondition assessmentDetermination of loading limitsAnalysis on loading applicable conditionRating calculationRisk of failure analysisLoss of life estimationPTLOADXVisor39SSPGSSPG的状态监测成果（一）的状态监测成果（一）40SSPGSSPG的状态监测成果（二）的状态监测成果（二）41状态监测的优点状态监测的优点l 避免事故避免事故提升电网表现提升电网表现l 去除冲击去

25、除冲击延长设备寿命延长设备寿命l 提供数据提供数据支持状态检修支持状态检修42新加坡新能源电网的对策新加坡新能源电网的对策43电网资产管理面对的挑战电网资产管理面对的挑战l 高服务质量高服务质量零事故零事故l 低服务价格低服务价格降低维修成本降低维修成本44新能源运行管理策略新能源运行管理策略45状态监测质保策略状态监测质保策略46状态监测与资产管理流程状态监测与资产管理流程47新能源例行状态监测项目新能源例行状态监测项目48数字化变电站数字化变电站l Since the electronic transformer applied in 2004, and the first digital

26、 substation was built in 2005, lots of digital substations are building. Network in process level and smart switchgear with smart terminal and PASS in electronic transformer have been put into practice. The digital substation will be used widely in the future.l 自自20042004年电子式互感器进入工程化应用，年电子式互感器进入工程化应

27、用，20052005年数字化变年数字化变电站投入电网运行以来，陆续已有五十多座数字化变电站电站投入电网运行以来，陆续已有五十多座数字化变电站投入运行投入运行. . 网络化的过程层设备，智能开关，配置电子式网络化的过程层设备，智能开关，配置电子式互感器的互感器的PASSPASS、GISGIS等也已在电网中批量应用。在不久的等也已在电网中批量应用。在不久的将来，数字化变电站将在电网中普及应用。将来，数字化变电站将在电网中普及应用。4950Application of Digital Substation Now/Application of Digital Substation Now/现阶段的数

28、字化变电站现阶段的数字化变电站国内智能变电站情况国内智能变电站情况110kV金谷园220kV午山变500kV芝堰变750kV洛川变51变压器的智能化变压器的智能化变压器状态监测参量变压器状态监测参量状态监测参量状态监测参量110kV金谷园油色谱、油温、铁芯接地电流。220kV午山变油色谱、油温、微水、套管介损、铁芯接地电流。500kV芝堰变油色谱、油温、绕组温度、铁芯接地电流、局部放电。750kV洛川变油色谱、微水、顶层油温、铁芯接地电流、局部放电。52变压器的智能化变压器的智能化变压器智能组件应用情况变压器智能组件应用情况应用情况应用情况110kV金谷园就地安装，主站端实现变压器负荷的自动调

29、节。220kV午山变就地安装，实现运行状态监测，采用变频冷却风机。500kV芝堰变配置主变本体智能终端，并实现变压器过载能力优化的调度端负荷调节及主变冷却器智能控制。750kV洛川变含智能单元、状态监测单元及智能通风系统。智能单元、状态监测单元放置在智能控制柜内，智能冷却控制单元以及各种传感器和智能控制风冷却器集成在主变本体上，采用变频冷却风机。5354组合电器组合电器/断路器的智能化断路器的智能化组合电器组合电器/断路器状态监测参量断路器状态监测参量状态监测参量状态监测参量110kV金谷园110kV PASS实现SF6气体压力、密度、微水、断路器操作机构、储能装置动作特性监测。220kV午山

30、变GIS实现SF6压力、微水、断路器动作特性、局放监测500kV芝堰变AIS实现SF6压力、微水、开关动作特性监测750kV洛川变AIS实现储能电机电流、操作线圈电流、油压、气体密度、气体微水、局放监测55组合电器组合电器/断路器的智能化断路器的智能化组合电器组合电器/断路器智能组件应用情况断路器智能组件应用情况状态监测参量状态监测参量110kV金谷园智能组件柜集成保护、控制、合并单元及智能终端等二次功能；110kV断路器安装状态监测，智能组件集成安装于就地汇控柜。220kV午山变包含合并单元、保护、测量、控制等，下放至GIS汇控柜500kV芝堰变550kV断路器智能组件实现对SF6微水、压力

31、和断路器动作特性监测和报警；220kV断路器智能组件集成保护、控制、合并单元及智能终端等功能；智能组件集成安装于就地汇控柜。750kV洛川变750kV、330kV、66kV就地智能组件包括智能单元、状态监测单元。5657避雷器的智能化避雷器的智能化避雷器状态监测参量避雷器状态监测参量状态监测参量状态监测参量110kV金谷园无220kV午山变全站避雷器全电流、阻性电流和动作次数的监测和远传。500kV芝堰变550kV、220kV各一个间隔安装避雷器全电流、阻性电流及动作次数监测，实现无线传输。750kV洛川变全站避雷器全电流、阻性电流和动作次数的监测和远传。58电子式互感器电子式互感器电子式互感

32、器应用情况电子式互感器应用情况应用情况应用情况110kV金谷园全站采用EVCT，主变中性点采用全光纤ECT。220kV午山变全站采用电子式互感器，220kV采用罗氏ECT；35kV采用低功率线圈ECT和电容分压EVT。在部分间隔采用纯光学互感器。500kV芝堰变仅220kV的一条线安装全光纤电子式互感器。750kV洛川变主变、750kV部分、330kV完整串和66kV采用罗氏ECT，330kV不完整串采用无源光纤型ECT，全站采用电容分压技术的有源EVT。在750kV挂网部分磁光玻璃和光纤型互感器。59信息一体化信息一体化信息一体化应用范围信息一体化应用范围应用范围应用范围110kV金谷园全景

33、数据采集，包括各子系统及各类数据。220kV午山变SCADA、智能组件、保护测控、电源、运行环境监测、智能巡检机器人、开关柜早期故障预警等信息。500kV芝堰变全站SCADA数据、保护、录波、计量、状态监测。750kV洛川变变电站自动化信息、同步相量采集、状态监测、电源系统等。60其他基础配置其他基础配置/功能功能 网络报文记录分析系统网络报文记录分析系统 通信与信息安全防护系统通信与信息安全防护系统 一体化电源系统一体化电源系统 61高级应用高级应用技术先进性技术先进性 顺序控制顺序控制 源端维护源端维护 设备状态可视化设备状态可视化 站内状态估计站内状态估计 站域控制站域控制 智能告警智能

34、告警 无功优化控制无功优化控制62高级应用高级应用技术先进性技术先进性 继电保护信息综合监视及分析继电保护信息综合监视及分析 变电站辅助系统综合运行与监视变电站辅助系统综合运行与监视 其他设备及环境智能化监控其他设备及环境智能化监控636465白银超导变电站白银超导变电站白银超导变电站集成了我国在超导电力技术近十年来最新、最先进的研究开发成果，是国内领先、国际一流的一系列技术成果的结晶，应用了包括：超导储能系统、超导限流器、超导变压器、超导电缆等多种高温超导电力装置。超导变电站采用串、并联相结合的系统结构。超导储能系统以并联方式接入；超导限流器、超导变压器、超导电缆依次串接，并与电网实际负荷相

35、连接。6667现场交流情况现场交流情况 智能组件柜智能组件柜集成能力不足：220 kV 及以下电压等级采用保护测控一体化装置并就地安装时，智能终端、合并单元、在线监测IED 及保护测控装置均安装于就地智能组件柜中，设备厂家的集成能力有待提高。68现场交流情况现场交流情况 智能组件柜智能组件柜运行情况不稳定。智能组件投运后，多次出现组件发送数据错误、信息品质异常等问题。就地安装仍需运行检验。需要进一步检验高低温、潮湿、振动、电磁干扰等运行工况。6970已装在线设备收效不明显的原因已装在线设备收效不明显的原因缺乏全局性的长远规划有些检测设备质量不高不善于选用、检验各类检测设备认识上的片面性、局限性

36、相应的规章制度未跟上对监测设备的选择、运行、维护等缺乏责任制现场交流情况现场交流情况状态监测系统传感器故障率较高。因电源故障等原因传感器多次停止工作；监测系统部分数据与实测数据差距较大。71现场交流情况现场交流情况状态监测系统各设备供应厂家在联调及测试阶段，存在模型不统一、配置工具不统一等问题，影响了现场调试进程。因此需要继续补充完善IEC 61850标准的工程应用规范，并实现配置工具的标准化设计。72现场交流情况现场交流情况状态监测系统不同厂家设备之间的通信存在障碍。监测装置与监测系统平台通信存在问题，导致监测系统平台无法读取监测装置的数据信息。部分断路器三相智能汇控柜中的监测IED 通信模块出现故障，导致无法与监测网络连接，后台显示该相断路器监测装置未连接。73现场交流情况现场交流情况电子式互感器性能不稳定。光学互感器的光学特性和测量精度