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状态监测技术国内外研究现状调查报告
2.2状态监测技术的分类与发展
根据设备状态评价的定义可以看出，状态评价的基础是与设备健康状态相关的信息的获取，即广义的状态监测，传统的状态监测包含巡检和例行试验，然而，随着电力系统向高压、大容量、大电网发展，对电力系统安全可靠性指标的要求越来越高，传统状态监测手段的局限性越来越明显。主要体现在：巡检仅能发现设备明显的故障隐患或故障点；例行试验需停电、按固定周期进行，不能及时发现电气设备绝缘缺陷和反映设备及时状态；停电试验与设备实际运行环境、状态参数等方面存在很大差异，例行试验结果影响设备状态评价的准确性。
随着传感器技术、通信技术与数据处理技术的发展，在线监测与带电检测技术得到了快速的发展，已在国内电网进行了一段时间的应用，取得了大量宝贵的实践经验与基础数据信息，并已出台了相关设备规范与技术标准。下面即对在线监测和带电检测技术研究现状进行总结分析。
国内外对数遍带你设备在线监测及带电检测技术的探索和研究已有30多年的历史。由于电气设备种类繁多、结构各异，其在线监测及带电检测项目各有不同。目前，相对成熟应用的在线监测及带电检测技术有变压器、GIS及罐式断路器等设备局部放电监测、变压器油色谱分析、电容性设备电容量及介损带电测试、氧化锌避雷器泄漏电流监测、红外测温、紫外检测等。 2.2.1变压器在线监测技术
变压器是电力系统中最关键的设备之一，其安全稳定运行是对电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证。目前，变压器在线监测的主要项目有：油中溶解气体测量和分析、局部放电测量和定位、绕组变形、铁芯接地电流监测及振动频谱监测等。
1）变压器油中溶解气体在线监测
监测变压器油中特征气体量—油中溶解气体分析(Dissolved Gases Analysis，DGA)已被证明对于发现油浸变压器内部潜伏性故障，特别是过热性、电弧性、绝缘破坏性故障相当有效和可靠。现场试验和模拟试验表明，不同的故障类型产生的主要特征气体和次要特征气体见表2-1。
表2-1 不同故障类型产生的气体
故障类型
油过热 油和纸过热
油纸绝缘中局部放电 油中火花放电 油中电弧 油和纸中电弧
主要气体组分 CH4，C2H4，
CH4，C2H4，CO，CO2 CH4，CH4，CO H2，C2H2 H2，C2H2
H2，C2H2， CO，CO2
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次要气体组分 H2，C2H6 H2，C2H6
C2H2，CO2，C2H6 ——
CH4， C2H4， C2H6 CH4， C2H4， C2H6
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安装油中特征气体传感器对油中气相色谱实施在线监测，就可监测那些发展周期较短的故障。目前，技术相对比较成熟的油中气相色谱在线监测装置有美国Servemn公司T8变压器在线监测仪，其除了监测油中H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2和O28种气体外，还可对油中水份和变压器油温进行在线监测，所采集数据经处理后可使用三比值、四比值、谱图法等进行分析和故障诊断。英国Kelman有限公司TRANSFIX新一代油中气体及微水在线监测系统首次将光声光谱(Photoacoustic Spectroscopy，PAS)技术应用于绝缘油中溶解气体及水份分析领域，监测8种气体及微水。加拿大BravTech公司TAM-VI变压器油色谱在线监测系统可同时检测H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H26种故障特征气体。国内产品有宁波理工MGA2000变压器色谱在线监测系统，其采用特制的纳米晶半导体检测器检测H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6、总烃；采用微水检测单元检测H2O。
2）变压器局部放电在线监测
局部放电是变压器常见故障的主要原因。据统计，中国110kV及以上电力变压器事故中，有50%属于正常运行电压下发生匝间短路，其原因大多是局部放电所致。目前，变压器局部放电在线监测方法很多，常用的方法主要有：脉冲电流法、射频检测法、放电能量检测法、声测法、超高频法。其中，射频检测法和超高频法由于信号频率高、抗干扰性能好，随着数字滤波技术、信号采集技术、选频技术的发展，得到了越来越多的应用。
3）变压器绕组变形在线监测
变压器绕组变形在变压器事故中占有很高的比例，绕组变形检测已引起了电力部门的高度重视。目前，国内主要采用频率响应分析法(Frequency Response Analysis，FRA)和低压脉冲法(Low Voltage Impulse，LVI)2种离线测试手段进行绕组变形检测。为了提高FRA诊断的准确率，测量频率范围被分为几段，在整个频率范围内及每一分段的相关系数和标准偏差都被作为诊断用的特性参数。与FRA相比，LVI具有对其他非试验绕组的变形不敏感、便于实现故障定位的优点；但也存在间隔时间较长时、重复性差的缺点。
近年来，基于变压器短路阻抗及阻抗中的电感分量与绕组几何尺寸及相对位置有关，通过在线监测变压器短路电抗变化来分析绕组状况的技术逐渐得到重视。现场试验证明这种测量方法具有较高的准确性和稳定性；但是，由于它只是一个外在表征量，存在对绕组的变形类型不敏感的缺点。
4）变压器铁芯接地电流在线监测
电力变压器正常运行时，铁芯必须一点可靠接地，否则铁芯对地产生悬浮电压或铁芯多点接地产生发热故障，严重威胁变压器以及电网的安全。目前，国内
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外都把铁芯接地电流作为诊断大型变压器铁芯短路故障的特征量。铁芯或夹件接地电流主要是容性电流，常利用穿心电流传感器取样测量。
5）变压器振动频谱在线监测
在线监测变压器油箱表面振动可反映绕组、铁芯、有载调压开关、油泵等机械性缺陷。
20世纪80年代中期起，美国、俄罗斯和加拿大等国开始在试验室中利用振动信号对离线状态变压器的绕组和铁芯状况进行检测。检测结果表明，与正常运行的变压器相比，发生绕组或铁芯故障的变压器的器身振动信号有很大差异。变压器振动频谱的在线监测始于20世纪90年代中后期。在中国，振动法监测变压器的起步较晚，现仅有西安交通大学、上海交通大学等少数科研机构进行了这方面的研究目前，国内外在变压器振动在线监测研究主要有以下几方面：
（1）利用传感器、数据采集卡以及计算机组建振动测试系统，并对监测到的振动数据进行研究和分析。
（2）根据影响变压器振动的因素，将这些因素转化为各个参数建立数学模型，根据数学模型来研究变压器的振动状况。
（3）由于在运行变压器的振动会产生噪声，因此，可以从噪声方面来研究变压器的振动。
2.2.2电容型设备在线监测技术
电容型设备主要包括电力电容器、电容式套管、高压电流互感器、高压电压互感器及电容式电压互感器等。变电站中电容型设备数量约占设备总台数的40%~50%，其绝缘状态是否良好直接关系到整个变电站能否安全运行。在所有电气设备中，电容型设备在线监测是开展最早、最多的。目前，电容型设备在线监测的主要项目有：泄漏电流、电容量及介质损耗等。
1）泄漏电流和电容量的测量
电容性设备泄漏电流的测量信号是从末屏采集的，一般为毫安级，由于在现场易受强电场的干扰，因此要求传感器具有较高的稳定性和抗干扰性，材料一般使用线性度和稳定性高的坡莫合金(permalloy)，结构米用零磁通传感器，并用钢质外壳屏蔽，传输线则釆用双屏蔽或多屏蔽电缆来减少电磁干扰。现在倾向于将采集信号就地进行数字化处理以消除干扰，电容量的测量可根据泄漏电流和采集的母线电压换算而得。
2）介质损耗的测量
介质损耗的测量，对于发现设备绝缘整体受潮、劣化变质等缺陷非常有效。介质损耗的在线监测项目开展很早，最初根据介损电桥原理选取合适的高压标准电容Cx、R3等进行现场带电测试，但受电场干扰严重。后来运用单片机，采用
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过零补偿法进行在线测量，这种方法受电网谐波和元件零漂影响使得测试数据极不稳定。近年来，在介损测量的数据处理上取得突破，主要使用谐波分析法，其采用数字频谱分析的方法求出电压和电流信号的基波，进而通过相位比较求出介质损耗。
2.2.3金属氧化物避雷器在线监测技术
金属氧化物避雷器电阻片受潮、老化以及经受热和冲击破坏会引起故障，严重可能会导致变电站母线短路，影响系统安全运行。
金属氧化物避雷器在线监测主要监测阻性泄漏电流，常用方法有：总泄漏电流法、阻性电流三次谐波法、基波法和常规补偿法等。目前应用较多的测试方法是用补偿法测量阻性泄漏电流。 2.2.4断路器和GIS设备在线监测技术
断路器和GIS设备在电力系统中起着控制和保护的双重任务，开关状态的好坏直接影响着电力系统的安全运行。对断路器和GIS设备实施状态监测和故障诊断，掌握其运行特性及变化趋势，对提高其运行可靠性极为重要。由于断路器的种类不同，在线监测内容也不同。目前，断路器在线监测的主要项目有：机械动作特性、灭弧室电寿命和SF6气体监测等。
1）机械动作特性监测
机械动作特性的监测主要包括:①利用加速度传感器，监测断路器在分合闸过程中操作机构、连杆机构、触头的振动信号波形；②采用电流传感器测量分合闸线圈的电流波形，识别机构卡涩等早期故障；③通过位移传感器测量断路器操作过程中的行程时间特性。
2）灭弧室电寿命监测
灭弧室电寿命的监测主要是通过监测累计开断电流，进行灭弧室烧蚀情况的判断。
3）SF6断路器和GIS设备SF6气体监测
SF6气体的监测是利用压力和密度传感器来监测开关设备的气体泄漏量，用SF6湿度传感器来监测气体湿度。
4）GIS设备振动及局部放电监测
GIS设备振动监测是利用加速度或超声波传感器监测机械振动；局部放电监测是利用高频电磁波传感器或天线等监测电磁波，以发现GIS内部的颗粒放电、电晕放电等。
目前，技术相对比较成熟的GIS局部放电在线监测装置有英国DMS公司生产的PDMG-P便携式超高频局放检测仪，其利用宽动态电流耦合器感应GIS设备内部产生的超高频局部放电信号的特征信息，然后利用局部放电智能分析系统
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