為滿足當今社會對電力的需求，電力設施及設備尤其是高壓電氣設備迅速發展，在設備投運后，能否長期可靠得運行也成為電力行業部門關注的焦點。運行期間，能否及時得發現問題并盡早解決，是保證電力行業發展的關鍵因素。

目前，監測高壓電氣設備的絕緣性問題主要有局放監測、套管介損監測、油氣監測、振動監測四種方法。局放監測方法主要有脈沖電流法、超聲法、超高頻法，通過這些方法可以及時地發現電抗器出現的局放信號，但缺點是定量較難，有時不能夠準確測定設備內部的放電量值，并且受干擾影響較大；套管介損監測主要對套管電容量和介損值的變化監測準確，但也存在一定的局限性；油氣監測主要是依據箱體內部油中氣體的變化情況，判斷內部有無絕緣問題，準確性高，但缺點是時效性差需要在較長的時間內才能觀察出有種氣體的反應。

振動監測方法對不同區域的振動強弱程度可以明顯得區分，但受其他振動影響，對電抗器內部整體情況判斷會有一定誤差。以上各種監測方法各自獨立，各有優缺點，對設備絕緣問題的分析判斷都存在一定的缺陷。為此，迫切需要一種可以對設備進行長期的監測并及時準確得對發現的問題進行報警，以便迅速處理，保證設備的長期穩定運行。

針對這種現狀研發的該綜合絕緣在線監測系統即主要用于監測運行狀態下的高壓電氣設備，運用多種方法進行長期在線監測，綜合分析高壓電氣設備是否存在絕緣性故障，對可能出現或已經出現的異常情況及時報警，保證設備長期穩定得運行。

綜合絕緣在線監測系統組成及各子系統說明

該綜合絕緣在線監測系統由局部放電在線監測及定位子系統、振動在線監測子系統、電容型高壓設備絕緣監測子系統、油氣在線監測子系統組成。通過后臺監測軟件將其他各個子系統的監測數據綜合分析，對高壓電氣設備是否存在絕緣性故障進行判斷，對可能出現或已經出現的異常情況及時報警。

1 局部放電在線監測及定位子系統

局部放電在線監測及定位子系統將超高頻法(簡稱UHF技術)、脈沖電流法、超聲波法三種方法綜合應用，是目前最先進的局部放電監測系統，能可靠得監測電氣設備的絕緣狀況。

1.1 局放超高頻法（UHF）的監測

超高頻法通過設備底部的事故放油閥來安裝傳感器天線，能夠靈敏檢測到局部放電所產生的超高頻電磁信號，實現對局部放電缺陷的檢測和定位，又能保證現場干擾環境下的信噪比和靈敏度。

傳統的局部放電檢測技術測量頻率較低，測量頻帶與周圍環境的強干擾源頻帶重疊，易受外界干擾的影響，不易去除干擾信號檢測到放電信號，所以很難應用于在線局放監測。而局放超高頻信號（UHF）檢測技術，則是在300～1500MHz寬帶內接收局部放電所產生的局部放電超高頻（UHF）電磁脈沖信號。

由于UHF信號在空間傳播時衰減很快，故設備箱體外部的超高頻電磁干擾信號（如空氣中的電暈放電），不僅頻帶比箱體內部放電信號的窄，其強度也會隨頻率增加而迅速下降，進入金屬油箱內部的超高頻分量相對較少，因而可以避開絕大多數的空氣放電脈沖干擾。而對于分布在UHF監測頻段內的固定頻率干擾（如移動通訊、電視、雷達等信號），則可通過內置的陷波器來避開這些干擾頻帶，從而達到在線檢測局部放電的目的。超高頻電磁波在油中成球面波以光速傳播。

根據電磁波理論，在金屬覆蓋的裝置內監測電磁波信號時，若波長小于外殼的尺寸則信號傳播時衰減很小（傳播10米僅衰減50%左右），而UHF的波長均小于1米，恰恰小于電抗器油箱的尺寸，故從放電源發射的UHF電磁波，在經過多次折反射后，最終均能基本無衰減地到達傳感器部位。此外，金屬箱體在起到匯聚電磁波能量的同時，還具有電磁屏蔽作用，使得外部電磁干擾不易進入箱體內部，故在使用UHF法檢測局放時，可獲得較好的信噪比和檢測靈敏度。

通過試驗證明，超高頻法能夠達到100pC的檢測靈敏度，可有效檢出那些放電量超過500pC的破壞性局部放電缺陷。局放超高頻檢測技術的傳輸接收過程如圖3.1所示。

圖3.1局放信號傳播路徑及取樣方法

1.2 脈沖電流法的監測

脈沖電流法的監測是通過卡在電抗器鐵心接地線或套管根部的適當位置上的寬頻帶電流互感器來監測脈沖信號的。

圖3.2脈沖電流法的監測位置及信號傳播路徑

1) 將寬頻帶電流互感器卡在鐵心接地線上（原理見圖3.2）

電抗器的繞組與鐵心之間為絕緣材料，可形成電容，而放電信號是幾百千赫到幾兆赫的高頻信號，能通過電容從繞組傳到鐵心，通過鐵心接地構成回路，因此在鐵心接地線上能夠檢測到電抗器內部產生局放脈沖信號，經實踐證明，該方法能夠有效的檢測出電抗器的主絕緣放電故障。

2）在高壓套管根部套裝高頻CT（見圖3.2中的大傳感器和小傳感器）。

高頻放電信號可通過電抗器的高壓引線與套管之間的電容傳輸到套管末屏，因此在套管根部套裝高頻CT可檢測到放電脈沖信號。因該方法的傳感器多采用空心羅格夫斯基線圈，故監測靈敏度較低，且難以妥善解決電磁屏蔽問題，現場安裝也較為復雜，且會縮短套管的外絕緣距離，對美觀性也有一定的影響。

該方法一般采用脈沖極性判別抗干擾技術，如圖3.2所示，經過大傳感器的放電信號與干擾信號極性相反，而經過小傳感器的放電信號與干擾信號極性相同，根據此特點可以有效地排除來自高壓側的干擾脈沖。

1.3超聲波法的監測

在電抗器內部一旦發生局部放電，就會產生超聲波，在電抗器油中以1400m/s左右的速度以球面波形式向周圍傳播，并以縱波形式向外傳播，當傳到箱壁時，分為兩部分，一部分穿越箱壁，仍以縱波形式向外傳播，另一部分則以橫波形式沿箱壁向周圍傳播，如圖3.3所示。

圖3.3 超聲波傳播

假設放電源在S點，超聲探測器放在D點，超聲波傳播到探測器有兩條路徑，一條是直接路徑，從S點開始，以1400m/s的速度直接到D點，稱為直接波；另一路徑為先在油中以1400m/s的速度傳到D點附近的某點進入箱壁（或A點或B點或C點）之后，再從該點開始以3240m/s的速度（超聲波在鋼板中的縱波速度為5850m/s，橫波速度3240m/s），沿箱壁傳播到D點，這條路徑為復合路徑，在此路徑中傳播的超聲波稱之為復合波。

通常直接波和復合波不會同時到達D點，只有滿足條件時，兩者才幾乎同時到達（近似）。因此，在箱壁上可以找到滿足此條件的包圍圈，超聲探測器放到此包圍圈之上時，差不多可以同時收到直接波和復合波，超聲探測器放到此包圍圈之內時，直接波比復合波先到，超聲探測器放到此包圍圈之外時，直接波比復合波后到，由于超聲波在鋼板內傳播時衰減較大，所以復合波的幅值比直接波的幅值小。所以，在電抗器箱壁外側放置超聲探測器，就可以接收到放電產生的超聲波信號。

1.4 定位子系統的說明

定位子系統是將脈沖電流法、超聲波法綜合使用(簡稱電聲綜合監測法)，再通過地位子系統軟件實時監測設備局部放電的當前幅值、放電幅值變化趨勢、在線確定放電位置、監測放電位置位移趨勢，并跟蹤記錄。該方法通過卡在電抗器套管根部或鐵心接地線的適當位置上的寬頻帶電流互感器監測脈沖信號；通過貼于箱壁上的超聲傳感器監測超聲信號。

該系統其中1個通道測量局部放電信號，另6個通道測量超聲波信號，則脈沖電流信號與超聲波信號的時間差，即近似的等于超聲波的傳播時間。根據超聲波的傳播速度和方向，就可以確定放電點的位置，原理見圖3.4,定位3D顯示圖見圖3.5。

圖3.4電信號、聲信號時差圖

圖3.5定位3D顯示圖

因干擾信號的存在，單一地通過電信號或聲信號不能夠準確地判斷出被測設備是否存在局部放電，例如只檢測到電信號而無聲信號時，可能是因為存在空間干擾或外部放電；只檢測到聲信號而無電信號時，則可能是電抗器振動引起的。所以，通過電聲綜合判斷的方法能提高局放監測的抗干擾能力。

振動在線監測子系統的說明

綜合絕緣在線監測系統可通過安裝于箱壁上的智能振動傳感器，來實現電抗器的振動信號的監測。振動傳感器是一個具有內置數字處理器（DSP）的，帶有RS485標準工業總線的振動傳感器，它能將機械振動信號直接轉換為數字化振動參數，并通過傳感器的RS485接口傳送到監控主機。傳感器采用不銹鋼防水外殼，使傳感器適用于惡劣的工作環境。

振動監測是一種體外監測，通過安裝在正在運行的設備表面的一個或多個振動傳感器來獲取其振動信號，然后將振動信號經過時域或頻域等分析處理，獲得信號的特征信息，再通過一定的診斷方法獲得設備的工作狀況。

電抗器所產生的振動信號較強，使用常規的電壓加速度和普通的信號采集技術，就可靈敏地傳感檢測并記錄振動信號的波形，然后通過傅里葉(DFT)變換處理，得到信號的幅度和頻譜分布，并與初始值進行比較，根據其變化情況來判斷被測電抗器的繞組和鐵心是否發生異常。通常情況下，對振動信號的分析可從如下兩個方面入手：

1）從電抗器產生振動的原因來分析。

電抗器的振動主要是電抗器本體（主要是鐵心和繞組）和冷卻裝置的振動引起的，在小于100Hz的范圍內，主要是冷卻裝置引起的振動。正在穩定運行中的電抗器鐵心和繞組的振動主要來自以下幾個原因。

①硅鋼片的磁致伸縮引起鐵心的振動。

②硅鋼片接縫處和疊片之間存在著因漏磁而產生的電磁吸引力，從而引起鐵心的振動。

③電流通過繞組時，在繞組間、線餅間、線匝間產生動態電磁力，引起繞組的振動。

④漏磁引起油箱壁（包括磁屏蔽等）的振動。隨著電抗器制造工藝及鐵心疊加方式的改進（如采用階梯接縫等），再加上心柱和鐵軛采用環氧玻璃粘帶綁扎，硅鋼片接縫處和疊片之間的電磁吸引力引起的鐵心振動，比硅鋼片磁致伸縮的鐵心振動要小的多。

因此，電抗器本體的振動主要來自磁致伸縮引起的鐵心振動和負載電流引起的繞組振動，這為用振動法監測電抗器的運行狀況提供了可能。

2）從電抗器的振動與鐵心和繞組的關系來分析。

由于電抗器的鐵心的振動與硅鋼片的磁致伸縮有密切關系，所以硅鋼片的壓緊力減小或者發生扭曲變形都會使硅鋼片之間的電磁力增大，進而導致鐵心的振動增加，此外，當發生短路或者發生鐵心多點接地時，導致硅鋼片的磁致伸縮加大，鐵心溫度升高，震動也會加大。對于繞組來說，當電抗器的負載電流大時，繞組匝與匝或層與層之間的電場力變大，繞組的振動會增大。繞組發生松動或扭曲變形時，也會導致繞組的振動增加。

因此，電抗器的振動與鐵心和繞組的振動狀況有密切關系，這就為根據電抗器器身的振動來診斷鐵心和繞組的狀況提供了依據。

電容型高壓設備絕緣監測子系統的說明

該子系統是一套完整的高壓電氣設備狀態監測系統主要用于對變電站正在運行的電容型設備進行實時狀態監測，以便確定其運行狀態。主要由電容型設備監測單元、系統電壓監測單元、隔離變壓器單元組成。

該系統通過隔離變壓器單元給其他監測單元供電，通過系統電壓監測單元獲得準確的系統電壓信息。采用分布式測量，既所有采集測量單元直接安裝于被監測設備附近，測量相應設備的電容量和介損，并采用CAN2.0現場總線技術將數據傳給后臺軟件進行分析處理，判斷設備是否存在故障。

油氣在線監測子系統的說明

該子系統集控制、測量分析技術于一體，對電抗器等油浸電力設備進行在線監測，可以在線準確檢測出絕緣油中溶解的各種故障特征氣體濃度及變化趨勢，這些氣體包括氫氣、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等。該系統能夠準確得進行油色譜分析，實現完全在線監測油浸式電力設備的運行信息，為電抗器等油浸電力設備的長期穩定運行提供了可靠保證。

系統網絡構成

該綜合絕緣在線監測系統為了能夠有較大的數據傳輸和處理能力，并且具有很好的兼容性和擴展性，所以采用以太網結構。各監測設備分別通過TCP/IP方式、CAN總線方式、485通訊方式與主控室計算機連接，用戶可在各終端計算機上通過服務器觀測被監測設備的局部放電、容性設備的電容和介損、鐵心電流以及油氣等監測項目的數據、實時波形及趨勢圖等信息，發現問題通過軟件及時報警，并可將數據下載到本地進行分析、備份。

此外該系統還配置了服務器和交換機，為以后隨時增加擴展新的監測裝置預留出一定數量的接口，可以大量增加新的監測設備，其網絡構成如圖4.1所示，通過建立一套完整的網絡結構將各個子系統聯系起來，并將以上所述各子系統監測數據以及油氣在線監測數據通過網絡傳輸到后臺軟件進行分析判斷。

圖4.1 系統網絡構成

故障判斷

綜上說明如果超高頻傳感器、寬頻帶電流互感器、超聲波傳感器的監測信號值上升，電抗器的套管介損值變化明顯和油氣在線監測系統監測到有氣體出現，尤其是乙炔氣體出現，說明被監測設備出現了絕緣性故障，此時可以根據監測到的聲電信號通過定位子系統進行判斷，分析可能出現故障的位置。

如果振動傳感器的振動強度加大而其它監測信號沒有明顯變化，或者其中某個監測信號出現增長趨勢，有可能是設備內部出現緊固件松動等情況，長期運行也會造成設備故障，此時需要密切關注其它各個信號的變化情況。

總結

總之，該綜合絕緣在線監測系統將多個監測子系統通過完善的系統網絡組合，充分利用超高頻法、脈沖電流法、超聲波法、振動監測、電容型設備的電容量及介損測量法以及油氣在線監測等多種方法的優點，配合后臺軟件實時得監測數據及波形，將各子系統的數據綜合分析，可以更加準確得判斷高壓電氣設備是否存在絕緣性故障，并且該系統具備實時報警、數據遠傳等功能，為運行狀態下的高壓電氣設備提供了一種有效的監測分析手段，對設備的長期穩定運行有很大幫助。

（本文編自《電氣技術》，作者為石海珍、劉大永等。）