试析高压发电设备、电力变压器运行监测的新要求

摘要：高压水力发电设备和电力变压器是水力发电站的主要设备，其重要性不言而喻，国内大多数大型水力发电设备的运行监测仍处于相对薄弱的环节。对于大型的水轮机、发电机以及大容量的高压发输电、供变电设备，影响这些关键设备运行安全的主要因素是各方面的应力变化，根据被测对象的特性如振动的机械应力、温度的热应力、绝缘强度和电压强度的电场应力等确定合适的采样传感器和传输方式后（某些传感器需要在高电位端选择适当的取能方式），经有线或无线网络上传数据至后台上位机和数据中心，实现了对一次关键设备运行状况的实时监控，进而实现电网设备的可观测、可控制和自动化操作，为智能化电站的发展提供有利条件。

关键词：监测；采样；应力；传输方式；智能电网

作者简介：孙红霞（1960-），女，满族，辽宁西丰人，铁岭师范高等专科学校，副教授。（辽宁 铁岭 112008）

中图分类号：TV741；TM930 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）15-0235-02

对高压水力发电设备和电力变压器监测运行安全的主要目的是危险预测和防范，对监测仪器的真正要求并不在于像正式计量那样需要达到如0.2%水平的高精度和准确度，而是更加注重信号采样和传输途径的稳定性与可靠性，重复精度达到2%～5%即可完全满足预警系统的基本使用要求。科学设置合理的、多层预警门槛，监测回报信号的重复间隔时间的长短是和实测值与正常值的大小有着直接关系，偏离正常值越大回报间隔越短。反之亦然，这也是大多数监测环节采取节能环保的理想方案。

一、信息采样与传输方式的多样性

在测量电参量时传统的信息传输技术大多使用PT、CT采用有源以及有线的信息传递技术，传统的信息传输技术历史悠久，目前为止已经运用得相当成熟。

近年来出现了许多新型的基于无线传输、红外传输和光纤传输等新技术的监测设备，它们能够与最新的科学技术成果相结合，在实际的工程应用当中发展迅速。新型监测设备非常方便和行之有效，可以根据现场所有被监测对象的特性、种类和数量等设计一个有限的无线局域网络，网络的终端通过计算机后台统一方便管理，监测传递来的几十个甚至几百个监测点数据。

有限的局域网终端处理机其主要功能在于有效管理和分析实测数据，并且向中心控制室的上位机提供有使用价值的数据，同时可根据采集数据的实际情况设置智能分析程序，对某些几倍于或远低于正常值水平的数值进行更为科学的统计学几率计算和插值估值以及平均值或真有效值还原，最大限度地去伪存真，提取其有效成分和使用价值。同样终端机也可以分段设置实测值与正常值的差值，以差值的大小强度来确定数据的紧急和优先程度。

对于监测水轮机或发电机轴振动的机械应力，以及断路器触头温度的热应力，均可采用形变电阻、热敏电阻或机械能转换成的电信号的声波/电压变换器来采集信号，由于这些应力变化的时间常数都比较长，采用无线传输的方式比较适合。特别是水轮机、发电机轴或是断路器触头，在有外罩保护的情况下，其传输方式会显得较为麻烦，而无线传输具有不受空间所限的优势，实现起来较为容易。

对于监测电场应力及电量变化的对象，例如变压器的绝缘状态、断路器的合分变化状态都是时间常数非常短，而且有快速瞬态变化过程的信号。因此，采样方式大多使用电容分压器、电阻分压器或阻容式分压器来进行电压取样，电流采样通常采用Rogowski线圈（罗氏线圈）或无感分流器来取样，而传输部分通常采用光纤或红外传输方式。

二、高电位端采样供电电源的多种形式

如果采用无线传输的采样形式，一般首选使用高能量的锂电池作为能量供应，一般3.7V/0.5AH的高性能电池可以使用3～5年，这种电源供给方式占用空间很少、安装灵活更换方便，达到使用期限后全部换新即可。

如果安装位置可使用的空间余地较大，也可以采用安装太阳能电池板和市电射灯的组合方式。太阳能电池板的作用是利用射灯的光隔离作用得到高电位隔离电源，太阳能电池板通过隔离二极管输出给储能电容作为储能充电环节；也可以通过DC/DC变换器得到所需的供电电压，这样只要设备不损坏就可实现无线传输的长期电力供应。

如果在高电位端需要对较大的电流进行采样，电流互感器可以采用复合铁心结构，即使用铁基纳米非晶和硅钢复合的铁心。铁基纳米的初始磁导率高4万～8万G/O，在母线很小的电流下也能产生较大的感应电动势；而硅钢铁心饱和磁通密度比较高，一般为1.8～2.0T抗饱和能力强，在母线电流很大时仍可产生足够的能量。

图2是高电位端复合铁心线圈的绕制方式。

在一个复合铁心上同时绕制两种线圈，一个为取能线圈，通过整流模块整流后为供电模块提供电能；另一个为控制线圈，通过另一个整流模块给控制模块供电。当取能模块的整流电压Udc大于某一设计電压时，控制模块起作用，提供反向磁通和分流，使复合铁心中的主磁通保持不变，同时使取能线圈I2×N2保持不变，最终达到输出电压不变。表1列出了一组测试数据。

表1 高电位端电流互感器测试数据

母线电流（A） 12 20 300 600 1800 3000 5000 8000 10000

整流取能模块输出电压Udc（V） 3.31 9.44 10.56 11.32 12.11 12.44 12.32 19.26 18.79

稳压电源输出U2（V） 2.61 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69 3.69

注：当母线电流大于20A时，控制模块参与工作，开始调节Udc值，使其变化趋缓，这种取能方式一般在大型电流互感器中采用。由于这种电子电流传感器其本身的通流容量很大，所以配置相应的取能电路并不复杂。

三、典型的采样和传输系统

对于监测机械应力的场合，通常采用机械能/电能转换模块采样，它可以方便地把运动或静止的机械能量转换成电信号进行传输。由于设备空间的限制许多监测对象都采用无线传输的方式，而且这些监测对象的变化曲线相对缓慢，惯性时间常数比较大，图3展示了上述系统的框图，高压电气设备的触头温度监控也可归属于这一类。

对发电机内部进行测温时，传统测温采用埋设铂电阻PT100的方式，缺点是安装空间小，布线复杂且容易损坏，而采用无线传输技术安装调试简单，测量准确可靠。可在瓦上安装温度传感器，传感器把温度转换为无线发射信号，无线接收器安装在推力油槽外壳上，通过无线接收器完成数据转换，再由RS485无线传输媒介使用MODBUS网络协议传输到上位机接收器，进而把数据上传到上位机，工作站通过上位机设定温度预警值和温度变化率预警值。

对于监测电场应力的场合，对电压类信号如绝缘强度和电压幅度的采样，通常会用电容或阻容分压器作为衰减探头；而对漏电流或强电流的采样一般采用无感分流器或罗式空心线圈，传输方式大多采用光纤传输，光纤传输方式可以分为两种：±1%精确度的系统采用模拟电压/频率的调制解调方式就可达到；而0.2%精确度的系统就得采用模拟电压/数字计算机。前者造价大约是后者造价的1/4。图4展示了这种传输系统的框图。

四、高压水电设备监测技术的发展

水力发电站的机电设备在电力系统中的重要性不言而喻，随着时代发展和科技进步，对设备监测的要求也将越来越高，目前已经可以实现或正在发展以下监测技术：

1.加强对流量和磁场的监测

在监测传统的温度和压力参数的同时，增加了对液体和气体的变量，如流量、流速和风速的监测。如在发电机蜗壳出口、导叶进口、顶盖下空腔和尾水管入口处增加流量传感器监测水压脉动；在发电机中增加对磁场强度的监测，例如在定子上端上游侧槽楔处增加非接触式磁场强度传感器，可以监测到最小磁场强度和相位变化，进而判断产生振动的原因是否为电磁力，判断是否存在匝间短路等故障以及检测机组定、转子结构和组件由于振动、过热等导致的不平衡。

2.对机械设备物理参量的监测

对转动的机械设备增加振动和摆度的监测，例如在发电机定子线棒端部每支路分别加装1只振动传感器，对发电机定子线棒的径向振动（即线棒与定子铁心的相对振动）传感器与目标之间的距离变化进行监测。

3.对一次主电气设备的绝缘情况进行监测

如对发电机和主变压器增加局部放电监测点，局部放电分析系统的耦合器监测到发电机定子绝缘系统内和主变压器内的局部放电脉冲，通过对各相放电量、放电次数以及放电相位的分析、计算可以明确一次主设备绝缘损伤程度和产生局部放电的大致位置，对设备的预警、维修起到很大作用。

4.增加监测点数量，满足对发电机运行时的参数监测

对传统的三部轴承、发电机定/转子的监测建议采样点由几十个增加到数百点，对发电机的运行参数如定子电压和电流、转子电压和电流、有功功率、无功功率、功率因数、P-Q曲线、负序电流、零序电流、并网相角、频率、发电机定子铁芯和绕组温度、发电机冷却水温度和发电机转子平均温度等进行全方位监测。

5.数据监测的智能化发展

监测设备与主设备的控制/测量系统智能一体化，采样的数据接入电站的统一的整体系统联合运行，提高数据处理速度和智能化，监测数据实时记录在硬盘上，以便事故追忆与指导维修，同时可通过网络将数据上传到高级数据服务器，实现监测数据的远程访问调用。

五、结语

当今时代，智能电网是电力系统的重要发展方向，发电厂作为电网的重要组成部分，其智能化建设是社会发展的必然。利用多种类型的传感器对高压水力发电机、电力变压器等一次关键设备的运行状况进行实时监控，进而实现电网设备的可观测、可控制和自动化操作。智能化控制使其在具有传统功能的同时，实现了多种类型参量采集、数字化数据采集以及测量、控制、监测、保护功能的一体化融合设计，合理利用电站现有的监控系统或者新建专用的智能电站网络就可以实现电站的智能化发展，以适应智能电网的运行要求。

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（责任编辑：王祝萍）