基于套管压力和温度的在线监测技术研究

张玉辉，唐 程，孙永刚，王玉强，魏 恒

目前西部地区已经形成了以750kV 电网与特高压电网为主的电力外送通道，其已累计外送超过100 亿kW·h。掌握750kV 主设备的运行状态、保证750 千伏主设备的安全稳定运行，显得尤为重要。特别是750kV 高压套管。由于充油套管结构的特殊性，目前针对充油套管的有效检测和监测手段几乎没有。且近期800kV 高压套管压力异常导致的事故频发，故研究出一种可以持续监测主设备高压套管方法显得尤为重要。

1 泛在电力物联网

泛在电力物联网，就是围绕电力系统各环节，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统，包含感知层、网络层、平台层、应用层四层结构。通过对感知层的研究，最终实现对变电设备状态及运行环境的智能感知、异常设备重点监测、设备状态的智能预警研判等功能，从整体上提高运检工作效率，逐步实现传统人工运维模式向智能运维模式的转变，实现变电设备运检从事后检修到事前诊断及主动预警的转化。

2 温度和压力监测技术

2.1 技术研发背景

图1 高压绝缘套管油压温度在线监测装置示意图

变压器绝缘套管是变压器的重要组成部分，它将变压器内部高、低压引线引到油箱外部，既作为引线的对地绝缘，也起到了固定引线的作用。因此，它必须具有规定的电气强度和足够的机械强度。同时变压器绝缘套管也是变压器载流元件之一，必须具有良好的热稳定性，能承受变压器正常运行时工作电流产生的长期发热和通过短路电流时的瞬间过热。如果变压器绝缘套管存在缺陷或发生故障，将直接危及变压器的安全稳定运行。如果绝缘套管发生故障，介质温度将会升高，随之油压将会产生变化（符合力学的物理规律），所以在绝缘套管末端加装绝缘油压力在线监测将会直接反应设备内部的压力和温度变化，提供设备的介质压力周期性数据支撑，方便检修人员对高压绝缘套管的故障进行预判。如图1 所示。

2.2 技术主要实现方法

2.2.1 压力密度温度监测数据方便直观

该系统采用专用耐腐蚀高精度数字式相对压力传感器芯体，温补范围宽（-40℃～80℃）精度高，且不受大气压力影响。

温压一体传感器的基本原理：温压一体传感器是基于硅压阻微机械加工系统 (MEMS) 技术和硅应变片（Microfused、Krystal Bond）技术将压力信号进行处理，并集成了高稳定性温度芯片，将压力、温度数据通过微功耗（微瓦级）处理器进行分析整理后并无线发送，供电电源采用军工币式电池，保证十年以上可靠供电。如图2 所示。

图2 压力和温度监测传感器原理

2.2.2 压力温度数据采集器（变送器）具有压力及温度采样功能，数据稳定准确

便于后台数据分析，密度数据采集器（变送器）设计了温度采集功能。密度数据采集器（变送器）采用电池供电，无需外接电源，数据无线传输，方便现场施工研发人员采用微功耗采样元件，专门设计研发一款具有休眠功能、币式进口长寿命电池供电、数据无线传输功能油压变送器，供电电池采用高性能大容量锂离子电池，在恶劣环境的条件使用寿命不低于5 年。无线传输模块采用LoRa 低功耗数传模块，传输距离可达到10～500 米。

2.2.3 就地显示仪既可实时显示及温密度度数据

又内置经过加密符合国网安全的GPRS 模块，可以直接将数据整理发送至信息安全平台就地显示仪最多可连接油压采样模块36 只，可循环显示每个密度数据采集器的压力及温度数据，数据处理整合加密后利用GPRS 模块无线发送至安全平台。

表1 压力和温度监测传感器参数

图3 压力和温度监测结构

2.2.4 油压采集器加装不触动设备本体，连接三通严格设计生产，取样方便快捷

经过严格测绘设计，采用316L 标号不锈钢材质或铜质，氩弧焊接方式加工出连接设备本体的三通接头。经过氦质谱检漏后方可进行现场安装，严格保证现场不漏油，不渗油，在原来的放油阀门上加装三通连接油压采集器且预留取样孔，方便取样人员取样（本公司借鉴了SF6 设备的三通阀生产工艺）。

3 应用案例

2019 年07 月19 日，750kV 烟墩变1 号和3 号主变压器间隔停电检修安装ABC 三相高压套管压力温度监测装置，设备投运后进入数据采集上传阶段，通过PMS与就地巡视，套管压力温度监测实现全覆盖，数据正常，能够准确反映套管内部工作状况。

3.1 应用情况

3.1.1 烟墩1 号和3 号主变高压套管压力温度上传情况

使用就地观察和PMS 生产管理系统在线巡视方式，记录套管的温度和压力情况，从2019 年7 月19 日至2019 年8 月5 日期间数据如图4、图5 所示。

从监测数据上看，两台设备的监测数据能够相对准确的反应套管内部压力和温度的变化情况。一天内的最大温度变化为10.1℃，压力最大变化量均在3kPa 以内，符合充油设备内部压力与温度变化关系，无异常变，压力值无报警。

图4 烟墩1号主变高压套管压力和温度监测趋势图

图5 烟墩3号主变高压套管压力和温度监测趋势图

3.1.2 哈密2 号高抗高压套管压力温度上传情况

使用就地观察和PMS 生产管理系统在线巡视方式，记录套管的温度和压力情况，从2018 年9 月19 日至2019 年3 月16 日期间数据如图6 所示。

图6 哈密2号高抗高压套管压力和温度监测趋势图

3.1.3 吐鲁番高压套管压力温度上传情况

吐鲁番在2 号主变压器和吐天一、二线高压电抗器使用就地观察和PMS 生产管理系统在线巡视方式，记录套管的温度和压力情况，从2018 年11 月26 日至2019 年3 月16 日期间数据如图7、图8、图9 所示。

图7 吐鲁番2号主变高压套管压力和温度监测趋势图

图8 吐鲁番吐天一线高抗高压套管压力和温度监测趋势图

图9 吐鲁番吐天二线高抗高压套管压力和温度监测趋势图

3.1.4 伊犁高压套管压力温度上传情况

伊库一线高压电抗器使用就地观察和PMS 生产管理系统在线巡视方式，记录套管的温度和压力情况，从2018 年8 月28 日至2019 年3 月16 日期间数据如图10 所示。

图10 伊库一线高抗高压套管压力和温度监测趋势图

3.2 应用案例总结

在750kV 设备高压套管安装压力温度传感器后，收集近一年的设备运行工况下的压力温度数据，通过图表可以看出，压力与温度拥有相同的趋势，各数据在相应的趋势上成离散性分布，如温度为38.5℃时对应压力为157.5kPa，温度为39.3℃时对应压力为157.9kPa，温度为39.9℃时对应压力为158.1kPa，充分的证明压力与温度成正比关系。根据此结论为后续设备运维检修提供可靠的数据支持。

4 结束语

套管压力与温度在线装置的应用为提高设备故障隐患诊断水平，将故障消灭于萌芽状态，提高供电可靠性，对套管内部压力和温度进行研究，研究不同情况下压力和温度的关联系，在设备本体建立监测终端，实现各种信号的同步采样，并在后台实现各种数据的分析，进而捕捉套管内部状态特点，为设备状态故障诊断提供可靠的依据，现阶段的研究对于外界的气温，阳光直射和设备运行工况还有不足，在后期将继续对感知层精度进行研究。