输变电设备状态监测装置低温环境长期挂网试验研究

张福忠

(国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150030)

在线监测装置在黑龙江等低温地区的应用越来越广泛，并取得良好效果[1-3]。但输变电设备状态监测装置在低温环境长期运行时，存在误报率高、故障频发、维护工作繁重等缺点，输变电在线监测装置在东北等低温地区长期运行的有效性、可靠性问题亟待解决。

造成上述问题的直接原因是低温地区的环境应力对电子产品的质量影响较大。据美国对地区产品故障调查分析结果：损坏或故障产品中，52%是由于环境因素引起的(温度占40%，振动占27%，湿度占19%，砂尘占6%，盐雾占4%，高度占2%，冲击占2%)[4]。而在国家电网公司标准Q/GDW 242—2010《输电线路状态监测装置通用技术规范》和Q/GDW 540变电设备在线监测装置的系列标准中，首先低温试验的试验温度无法满足低温地区运行的要求。输电线路状态监测装置规定最低工作温度为-40 ℃，变电设备在线监测装置的试验最低温度为+15 ℃。测试温度远远高于设备的实际运行温度，环境因素的作用强度显然不足。其次，低温试验的试验方法无法替代现场的实际工况。低温试验仅仅是在-40 ℃下持续通电运行，最长时间仅为16 h。对于状态监测装置来说，16 h的低温持续运行无法考核其长时间运行能力[5]，无法暴露出冬季运行时间近6个月的现场运行条件下的可靠性薄弱点，因此远远不能满足低温地区的设备可靠性检验需要。再次，目前实验室中尚无法模拟现场复杂工况和几个月以上的低温运行环境，现有测试条件无法满足可靠性检验的需求。

针对上述情况，国网黑龙江公司依托国网总部项目，提出在我国最北端漠河县进行低温型在线监测装置的长期挂网试验，验证该类装置的低温运行能力，为在线监测装置在低温地区的进一步推广和应用提供技术依据。

1 低温可靠性测试方法研究

从理论上进行可靠性分析，建立在线监测装置可靠性模型。以输电线路状态监测为例，该类型设备主要由基站主控板、监测终端、供电系统、通信系统、外接传感器等构成。

由于MTBF(平均无故障工作时间)是一个基本可靠性参数，任一组成单元的故障都会导致系统故障。因此，输电线路状态监测的可靠性模型是串联结构模型，每个组成单元的部件故障都会导致系统故障。供电电源和通信装置都是单一部件，在线监测装置本体可以分为多个部件，故在线监测装置本体的电路如图1所示。

图1 装置本体的电路

输电线路状态监测的可靠性数学模型：

RS=R1×R2×R3×R4×R5

(1)

式中：RS为输电线路状态监测系统的可靠性；R1为基站主控板可靠性；R2为监测终端可靠性；R3为供电系统可靠性；R4为通信系统可靠性；R5为外接传感器可靠性。

MTBF、可靠度函数R(t)、产品的累计失效率λ之间的关系为

(2)

元器件工作失效率(λp)预计公式和数据均依据GJB/Z 299C—2006《电子设备可靠性预计手册》的附录A(采用进口电子元器件的电子设备可靠性预计)数据计算。以场效应晶体管为例：

λp=λbπEπQπEπTπS

(3)

式中：λb为基本失效率；πE为环境系数；πQ为质量系数；πT为温度系数；πS为应力系数。

其中，环境及温度系数对期间的失效率有较大影响，不能简单地通过一种外部因素的影响而确定整体的设备可靠性。虽然通过理论计算能够给出可靠性的计算值，但是缺乏现场的运行数据，往往无法有效获得设备真正的可靠性情况[4]。

考虑到统一兼顾在线监测装置可靠性测试的一致性及面向现场应用的可靠性验证的真实性，本文采用实验室低温性能可靠性测试与现场低温长期挂网运行可靠性考核相结合的方式验证装置的可靠性。实验室测试主要突出测试结果的可比较性，将研究产品在实验室低温下的运行性能进行比较，在检测和运行过程中监督产品的输出数据，记录产品出现的故障，并进行故障模式及影响分析。

在实验室内进行可靠性分析及测试的基础上，进一步开展现场低温长期挂网运行可靠性考核试验。将在线监测装置置于低温环境中，按照正常工作状态运行1年。在试验期内实时监测在线监测装置的输出数据，记录在线监测装置出现的故障。通过现场真实环境影响因素的综合作用，来验证在多因素合成作用下的可靠性提升效果，并对故障进行定位和分析，从而对在线监测装置的性能进行进一步改进。

2 现场低温长期挂网运行可靠性测试方案

2.1 挂网地点的选择

针对进行低温现场考核的要求，选择在大兴安岭漠河县进行挂网试验。漠河在我国最北端，具有典型的大陆性寒冷气候特征，受大陆及海洋季风交替影响，天气变化多端，低温、强辐射等环境影响因素突出，局部气候差异显著。在此处开展低温环境挂网试验能够较好地考核设备的耐低温特性，能够充分暴露被试品的耐低温能力和设计中不足之处。

针对挂网的需要，选择漠河当地某变电站进行现场试验，在保证设备安全的前提下，对现有变电站进行改造，系统结构配置如图2所示。

图2 系统结构

2.2 挂网试验方案的建立

a.变压器铁心接地电流监测装置

变压器铁心接地电流监测装置需要将铁心接地电缆穿过传感器。现场的铁心接地电缆由于有绝缘层，无法旁路短接。通过现场勘测，提出利用变压器铁心接地线安装的隔离开关，通过旁路隔离开关的接线端子，实现不停电安装的方法。

b.避雷器在线监测装置

用于测试的新型避雷器在线监测装置采用一体化设计，需要将原有避雷器在线监测装置进行替换。由于在避雷器停电情况下安装避雷器在线监测装置时，母线TV失电，导致继保装置无法正常工作，因此需要在避雷器不停电情况下进行安装。本文采用将原有避雷器接线跳接，在线更换避雷器在线监测装置的方案，如图3所示。

图3 装置本体的电路框图

c.变压器油中溶解气体在线监测装置

通过在变压器旁设置专用安装平台，直接将油路与变压器相连接进行现场试验。

d.断路器SF6密度微水在线监测装置

SF6密度微水在线监测装置安装简单，不需停电，装置安装在临近机械式SF6密度继电器的补气口处。

e.导线弧垂和微风振动在线监测装置

由于输电线路在线监测装置直接安装在导线上，因此利用每年春季检修停电期间，将装置安装在试验线路的防振锤上部，如图4所示。

图4 装置内部结构

3 现场试验情况及数据分析

3.1 现场挂网情况

根据挂网试验方案，分别安装铁心接地电流、避雷器阻性电流、油中溶解气体、导线弧垂等装置，各类装置的现场安装情况如图5—图8所示。

图5 铁心接地电流监测装置现场

图6 避雷器阻性电流监测装置现场

图7 油中溶解气体及微水监测装置现场

图8 导线监测装置现场

3.2 试验数据分析

试验时间2016年12月—2017年3月，在一个冬季的测试时段内，各装置的监测数据基本正常，设备运行良好。避雷器阻性电流监测装置数据趋势如图9所示，2016年12月—2017年3月，等间隔抽取13天温度和铁心接地电流数据。13天平均气温为-28.77 ℃，最低气温为-39 ℃，其中9天温度低于-30 ℃。

图9 避雷器阻性电流监测装置数据

导线弧垂监测装置的运行情况如图10所示。在漠河低温时间段内导线弧垂监测装置数据正常，经过稳定性提升的导线弧垂监测装置没有发生数据丢失等现象。

铁心接地电流的运行情况如图11所示。

图10 导线弧垂监测装置监测数据趋势

图11 铁心接地电流监测装置数据

4 结论

a.在温度变化情况下，各项数据基本与设备运行情况相一致，说明设备性能在低温下未与环境温度存在明显关联性，各监测装置在低温环境下运行正常。

b.没有出现信号消失、误报、通信故障等问题，说明系统整体上工作较可靠，能够适应低温下的设备运行要求。

c.在使用中也发现一些设计上的缺陷，例如油中溶解气体取油部分在低温下发生漏油，经过改进及更换元件，再没有出现相关故障。

通过建立现场低温长期挂网运行考核方案，以黑龙江省漠河县国网大兴安岭供电公司在运设备为挂网平台，采用在线监测装置不停电安装在运设备的方式，将在线监测装置置于低温环境中，按照正常工作状态带电运行1年。通过试验数据分析，可以佐证在线监测装置能够有效适应低温地区的长期工作，有利于提高监测装置的可靠性，为低温地区在线监测装置的应用提供技术保障。