煉化企業電氣設備在線監測系統研究

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摘要：總結了煉化企業中常用的電氣設備（包括發電機、變壓器、GIS、電纜、電動機）在線監測技術的現狀。對煉化企業電氣設備在線監測技術的選型提出了建議，初步設計了煉化企業在線監測系統，展望了煉化企業常用電氣設備在線監測技術的發展趨勢。

關鍵詞：電氣設備；在線監測技術；在線監測系統

電氣設備的故障，如絕緣劣化、機械損傷等，通常具有較長的發展期，設備故障前期會在電氣、物理、化學等特性表現出少量漸進的變化。在線監測是對設備在運行狀態下進行連續或實時監測各種電氣、物理或化學等信息，進行數據處理及分析，根據監測信息的大小、類型及變化趨勢，分析計算設備的可靠性，預測設備的剩余壽命，實現故障的早期發現，及時故障預警并按規進行操作[1]。電氣設備在線監測技術的投資收益十分顯著，英國2000個大型工廠的調查結果表明，采用投資成本約為0.5億英鎊的在線監測技術和設備，每年節約3億英鎊，收益投資比為6。據日本企業統計，采用狀態檢修技術，降低設備維修費用約25%~50%，減少故障停電時間約75%。

1電氣設備在線監測技術現狀

煉化企業發電機在線監測裝置主要包括直讀型和解讀型兩類。直讀型在線監測內容包括：線棒層間溫度，定子鐵芯溫度，氣體冷卻器的運行參數（進出風溫度等），轉子大軸的軸振、瓦振，冷卻器漏水監測，絕緣部件過熱煙氣，定子鐵芯振動等[2]。解讀型在線監測內容包括：定子繞組局部放電[3]，定子繞組端部振動[4]，轉子繞組匝間短路[5]，軸電壓[6]。目前，直讀型裝置的選用、維護和運行已越來越規范，但解讀型裝置的選用、維護和運行則相對混亂，主要原因包括：解讀型裝置工作原理復雜，信息需專業人員試驗分析；部分裝置技術不成熟、質量不可靠。因此，部分解讀型裝置在安裝后逐漸無人問津甚至退出運行[7]。變壓器在線監測技術比較成熟，大容量變壓器在線監測內容主要包括6項：油色譜、鐵芯接地、局部放電、溫度、套管介損、振動[8]。油色譜在線監測采用氣相色譜法，對油中溶解的氣體進行實時持續色譜分析，分析7種故障氣體的含量，建立模式識別系統實現故障的自動識別，是最有效的方法之一。鐵芯接地、局部放電、溫度在線監測裝置也有比較廣泛的應用，套管介損、振動在線監測裝置的應用較少。GIS在線監測技術非常成熟，“DL/T1403變電設備在線監測系統技術導則”對不同電壓等級GIS的監測內容做了明確的規定。主要監測內容有：SF6氣體泄漏量[9]，SF6微水含量[9]，局部放電[10]，斷路器狀態[11]。其中，斷路器在線監測裝置應用相對較少，可分為斷路器動觸頭行程特征的監測、分（合）閘線圈電流的監測和振動信號在線監測。電纜在線監測可分為電纜主絕緣的在線監測（包括直流成分法、直流疊加法、低頻疊加法、在線介質損耗角正切法和局部放電在線監測法等），電纜護層的在線監測（包括接地容性電流監測、電纜護層綜合監測和接地電流監測等），電纜溫度在線檢測，電纜終端的紅外和紫外在線檢測等[12]。目前，局部放電、電纜護層接地電流監測、電纜護層綜合監測及分布式光纖測溫成為高壓電纜在線監測的主流技術。紅外熱成像檢測電纜附件發熱缺陷和紫外成像檢測電纜終端電暈放電技術也得到較大的發展。直流成分法、直流疊加法、低頻疊加法及介質損耗角正切的測量由于無法獲取電纜局部劣化信息等缺點，應用逐漸減少。電動機在線檢測方法可分為3類[13-14]：1）基于信號監測的診斷方法，主要通過傳感器監測電動機的溫度、絕緣狀態（局部放電、介質損耗因數、泄漏電流、設備電容值）、振動、電壓電流等電氣特征、軸電壓和軸向漏磁通、滾動軸承等信號；2）基于數學解析模型的故障識別方法，主要通過識別轉子、定子的電阻預測其內部溫度；3）基于人工智能的方法，最近模糊數學、神經網絡和專家系統逐步應用到電機故障診斷中，但應用甚少。目前，振動分析法是電動機故障診斷中運用最廣泛、最有效的方法。電氣特征分析法通過采集電動機電流和電壓信號，分析和判斷故障的性質和程度，具有在線遠程監測、技術成熟可靠的優點，在不方便安裝振動傳感器時應用較廣。近年來，紅外線測溫診斷、局部放電監測在電動機故障診斷中得到一定應用，已發展成為比較可靠的技術。

2煉化企業電氣設備在線監測技術選型

煉化企業電氣設備在線監測技術應遵循以下原則：1）傳感器安裝方便。以不對設備產生影響為宜。2）技術成熟、可靠。應選取廣泛應用的在線監測設備。3）收益投資比高。一般安裝在重要的電氣設備上。4）全面監測，無死區。對重要設備，可安裝多種在線監測設備，實現對不同故障類型的全面診斷。5）不能取代繼電保護設備。在線監測可以發現早期故障，使傳統的保護功能得以延伸，與繼電保護設備并不排斥。表1給出了某煉化企業電氣設備在線監測的安裝范圍和技術選型，以供參考。對某企業的所有發電機，都安裝直讀型設備，解讀型設備選擇了定子繞組局部放電、定子繞組端部振動和軸電壓監測，放棄安裝轉子繞組匝間短路監測的原因是，該方法需要將探測線圈固定在定子上，并使其盡量靠近轉子鐵芯，這在已經投運的發電機上十分困難，也較難被電廠所接受。國家電網通過“Q/GDW534變電設備在線監測系統技術導則”，對變壓器、GIS的在線監測技術做了比較明確的規定，目前變壓器、GIS的在線監測技術在投運時已經比較健全。由于煉化企業電纜數量很多，考慮到經濟性，建議僅對110kV以上電纜安裝局部放電監測設備和電纜護層接地電流監測設備。煉化企業內電動機種類繁多，質量參差不齊，建議僅對10MW及以上電動機或重要電機安裝電壓電流等電氣特征分析設備，這種不需要在電動機本體額外增加傳感器的方法應首先考慮，同時增加振動監測或紅外測溫、局部放電監測等其他監測設備。

3煉化企業電氣設備在線監測系統

煉化企業電氣設備在線監測系統如圖1所示，由基于B/S模式的“專家系統層-企業分析層-裝置數據存儲及分析層”3層網絡架構信息平臺實現。在裝置數據存儲和分析層，對重要裝置的電氣設備進行在線監測技術選型，確定需要安裝傳感器的位置和數量，合理安排傳感器的安裝。電壓、電流、振動、局放等信息經傳感器檢測后轉換為電壓信號，經同軸電纜進入信號預處理單元，進行信號放大、信號去噪、信號整形等操作，數據經過調制之后，進入到PLC數據采集卡完成數據的采集，通過RS-232/RS-422/RS-485通訊接口和通訊通道，進入到企業局域網。每套被監測裝置均配置數據存儲及在線監測終端，實現裝置中電氣設備的在線監測及數據存儲。企業分析層實現對煉化企業內所有裝置電氣設備的在線監測和數據存儲。企業分析層通過防火墻與企業局域網相連，獲取每套被監測裝置的數據信息，并設置數據庫服務器存儲企業的電氣設備在線監測數據，設置數套電氣設備在線監測客戶端供運行維護人員、設備管理人員使用在線監測系統對電氣設備進行故障預警和診斷，設置網絡服務器將各被監測裝置的事件記錄傳送到專家系統層。專家系統層設置數據庫服務器接收各煉化企業被監測設備的事件記錄，并開發電氣設備在線監測專家系統，運用神經網絡、人工智能等大數據分析技術，為各企業提供遠程診斷和輔助決策，同時實現各企業電氣設備在線監測數據的集中存放管理，增強企業間的信息共享，為中國石化電氣設備在線監測軟硬件平臺的標準化提供基礎。

4煉化企業電氣設備在線監測技術發展趨勢

1）在線監測新技術得到迅速發展和應用。隨著傳感器和數據分析等新技術的高速發展，電氣設備在線監測會不斷地應用先進的現代化技術手段。近年來，利用超聲波和超高頻測量局部放電等，已經獲得了較廣的應用，利用紅外線測量設備的溫度影響、利用紫外線監測設備的局部放電、利用X射線探測設備的損傷等也獲得了較大的發展和應用。2）多種在線、離線監測技術相互融合。單純的某種在線監測技術，并不能完全保證電氣設備的實時準確監測。近年來，對至關重要的電氣設備，如發電機、大型電動機等，多使用多種在線監測技術，并與離線檢測相互配合，實現多尺度、全面無死區的監測，綜合診斷設備的不同故障類型及原因。3）智能算法和大數據分析技術的應用。人工智能技術的發展與完善，極大地促進了在線監測技術的發展。高效率的運算處理器和人工智能技術（如機器學習算法等），逐步應用于在線監測技術。分布式計算機技術、5G技術、數據庫及云平臺等技術的迅速發展，使設備狀態監測的準確性逐步提升。在企業現場可靠地采集數據，完成設備的前期現場檢測和檢修，同時通過互聯網，構建遠程診斷分析系統，實現專家智能診斷和數據共享分析已成為主流趨勢。4）電氣設備在線監測系統平臺的建立。目前，各生產行業、監測設備供應商和研究機構都在構建自主的監測系統平臺，將多種在線監測技術和診斷方法融入一個在線監測系統中，利于實時調用多種檢測信息，對被監測設備進行多尺度的狀態診斷。通過綜合分析設備的監測信息、運行信息、檢維修記錄等，有利于設備狀態監測和故障預警模型的完善，通過大數據分析和智能算法的完善，促進在線監測技術的完善。當某區域在線監測的數據樣本較少或非常難以診斷時，通過計算機網絡實現在線監測系統的數據共享，有利于獲取不同領域和地區電氣專家的分析咨詢和技術支持。

5結論

本文對煉化企業電氣設備在線監測技術的研究現狀、選型建議、系統設計和發展趨勢進行了全面綜述，得到以下結論：1）煉化企業中，變壓器和GIS遵循國家電網的相關規范，一般都配置了可靠的在線監測技術。發電機、電纜、電動機等設備，在線監測技術配置狀況較差，應提高在線監測技術的應用水平，長遠看來，這是經濟合理的。2）對至關重要的電氣設備，可使用多種在線監測技術，并與離線檢測相互配合，同時維持繼電保護裝置。3）新型傳感器及大數據分析技術，促進了電氣設備在線監測技術的完善。在選取技術成熟、應用廣泛的在線監測設備的同時，要勇于嘗試新技術。4）建議煉化企業電氣設備在線監測系統，按“專家系統層-企業分析層-裝置數據存儲及分析層”3層網絡架構平臺進行設計。

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作者:劉維功 吳冠霖 劉志良 孫進 時振堂 單位:1.中國石化大連石油化工研究院 2.中科（廣東）煉化有限公司