炼化企业电气设备在线监测系统研究

　　摘要：总结了炼化企业中常用的电气设备（包括发电机、变压器、GIS、电缆、电动机）在线监测技术的现状。对炼化企业电气设备在线监测技术的选型提出了建议，初步设计了炼化企业在线监测系统，展望了炼化企业常用电气设备在线监测技术的发展趋势。

　　关键词：电气设备；在线监测技术；在线监测系统

　　电气设备的故障，如绝缘劣化、机械损伤等，通常具有较长的发展期，设备故障前期会在电气、物理、化学等特性表现出少量渐进的变化。在线监测是对设备在运行状态下进行连续或实时监测各种电气、物理或化学等信息，进行数据处理及分析，根据监测信息的大小、类型及变化趋势，分析计算设备的可靠性，预测设备的剩余寿命，实现故障的早期发现，及时故障预警并按规进行操作[1]。电气设备在线监测技术的投资收益十分显著，英国2000个大型工厂的调查结果表明，采用投资成本约为0.5亿英镑的在线监测技术和设备，每年节约3亿英镑，收益投资比为6。据日本企业统计，采用状态检修技术，降低设备维修费用约25%~50%，减少故障停电时间约75%。

　　1电气设备在线监测技术现状

　　炼化企业发电机在线监测装置主要包括直读型和解读型两类。直读型在线监测内容包括：线棒层间温度，定子铁芯温度，气体冷却器的运行参数（进出风温度等），转子大轴的轴振、瓦振，冷却器漏水监测，绝缘部件过热烟气，定子铁芯振动等[2]。解读型在线监测内容包括：定子绕组局部放电[3]，定子绕组端部振动[4]，转子绕组匝间短路[5]，轴电压[6]。目前，直读型装置的选用、维护和运行已越来越规范，但解读型装置的选用、维护和运行则相对混乱，主要原因包括：解读型装置工作原理复杂，信息需专业人员试验分析；部分装置技术不成熟、质量不可靠。因此，部分解读型装置在安装后逐渐无人问津甚至退出运行[7]。变压器在线监测技术比较成熟，大容量变压器在线监测内容主要包括6项：油色谱、铁芯接地、局部放电、温度、套管介损、振动[8]。油色谱在线监测采用气相色谱法，对油中溶解的气体进行实时持续色谱分析，分析7种故障气体的含量，建立模式识别系统实现故障的自动识别，是最有效的方法之一。铁芯接地、局部放电、温度在线监测装置也有比较广泛的应用，套管介损、振动在线监测装置的应用较少。GIS在线监测技术非常成熟，“DL/T1403变电设备在线监测系统技术导则”对不同电压等级GIS的监测内容做了明确的规定。主要监测内容有：SF6气体泄漏量[9]，SF6微水含量[9]，局部放电[10]，断路器状态[11]。其中，断路器在线监测装置应用相对较少，可分为断路器动触头行程特征的监测、分（合）闸线圈电流的监测和振动信号在线监测。电缆在线监测可分为电缆主绝缘的在线监测（包括直流成分法、直流叠加法、低频叠加法、在线介质损耗角正切法和局部放电在线监测法等），电缆护层的在线监测（包括接地容性电流监测、电缆护层综合监测和接地电流监测等），电缆温度在线检测，电缆终端的红外和紫外在线检测等[12]。目前，局部放电、电缆护层接地电流监测、电缆护层综合监测及分布式光纤测温成为高压电缆在线监测的主流技术。红外热成像检测电缆附件发热缺陷和紫外成像检测电缆终端电晕放电技术也得到较大的发展。直流成分法、直流叠加法、低频叠加法及介质损耗角正切的测量由于无法获取电缆局部劣化信息等缺点，应用逐渐减少。电动机在线检测方法可分为3类[13-14]：1）基于信号监测的诊断方法，主要通过传感器监测电动机的温度、绝缘状态（局部放电、介质损耗因数、泄漏电流、设备电容值）、振动、电压电流等电气特征、轴电压和轴向漏磁通、滚动轴承等信号；2）基于数学解析模型的故障识别方法，主要通过识别转子、定子的电阻预测其内部温度；3）基于人工智能的方法，最近模糊数学、神经网络和专家系统逐步应用到电机故障诊断中，但应用甚少。目前，振动分析法是电动机故障诊断中运用最广泛、最有效的方法。电气特征分析法通过采集电动机电流和电压信号，分析和判断故障的性质和程度，具有在线远程监测、技术成熟可靠的优点，在不方便安装振动传感器时应用较广。近年来，红外线测温诊断、局部放电监测在电动机故障诊断中得到一定应用，已发展成为比较可靠的技术。

　　2炼化企业电气设备在线监测技术选型

　　炼化企业电气设备在线监测技术应遵循以下原则：1）传感器安装方便。以不对设备产生影响为宜。2）技术成熟、可靠。应选取广泛应用的在线监测设备。3）收益投资比高。一般安装在重要的电气设备上。4）全面监测，无死区。对重要设备，可安装多种在线监测设备，实现对不同故障类型的全面诊断。5）不能取代继电保护设备。在线监测可以发现早期故障，使传统的保护功能得以延伸，与继电保护设备并不排斥。表1给出了某炼化企业电气设备在线监测的安装范围和技术选型，以供参考。对某企业的所有发电机，都安装直读型设备，解读型设备选择了定子绕组局部放电、定子绕组端部振动和轴电压监测，放弃安装转子绕组匝间短路监测的原因是，该方法需要将探测线圈固定在定子上，并使其尽量靠近转子铁芯，这在已经投运的发电机上十分困难，也较难被电厂所接受。国家电网通过“Q/GDW534变电设备在线监测系统技术导则”，对变压器、GIS的在线监测技术做了比较明确的规定，目前变压器、GIS的在线监测技术在投运时已经比较健全。由于炼化企业电缆数量很多，考虑到经济性，建议仅对110kV以上电缆安装局部放电监测设备和电缆护层接地电流监测设备。炼化企业内电动机种类繁多，质量参差不齐，建议仅对10MW及以上电动机或重要电机安装电压电流等电气特征分析设备，这种不需要在电动机本体额外增加传感器的方法应首先考虑，同时增加振动监测或红外测温、局部放电监测等其他监测设备。

　　3炼化企业电气设备在线监测系统

　　炼化企业电气设备在线监测系统如图1所示，由基于B/S模式的“专家系统层-企业分析层-装置数据存储及分析层”3层网络架构信息平台实现。在装置数据存储和分析层，对重要装置的电气设备进行在线监测技术选型，确定需要安装传感器的位置和数量，合理安排传感器的安装。电压、电流、振动、局放等信息经传感器检测后转换为电压信号，经同轴电缆进入信号预处理单元，进行信号放大、信号去噪、信号整形等操作，数据经过调制之后，进入到PLC数据采集卡完成数据的采集，通过RS-232/RS-422/RS-485通讯接口和通讯通道，进入到企业局域网。每套被监测装置均配置数据存储及在线监测终端，实现装置中电气设备的在线监测及数据存储。企业分析层实现对炼化企业内所有装置电气设备的在线监测和数据存储。企业分析层通过防火墙与企业局域网相连，获取每套被监测装置的数据信息，并设置数据库服务器存储企业的电气设备在线监测数据，设置数套电气设备在线监测客户端供运行维护人员、设备管理人员使用在线监测系统对电气设备进行故障预警和诊断，设置网络服务器将各被监测装置的事件记录传送到专家系统层。专家系统层设置数据库服务器接收各炼化企业被监测设备的事件记录，并开发电气设备在线监测专家系统，运用神经网络、人工智能等大数据分析技术，为各企业提供远程诊断和辅助决策，同时实现各企业电气设备在线监测数据的集中存放管理，增强企业间的信息共享，为中国石化电气设备在线监测软硬件平台的标准化提供基础。

　　4炼化企业电气设备在线监测技术发展趋势

　　1）在线监测新技术得到迅速发展和应用。随着传感器和数据分析等新技术的高速发展，电气设备在线监测会不断地应用先进的现代化技术手段。近年来，利用超声波和超高频测量局部放电等，已经获得了较广的应用，利用红外线测量设备的温度影响、利用紫外线监测设备的局部放电、利用X射线探测设备的损伤等也获得了较大的发展和应用。2）多种在线、离线监测技术相互融合。单纯的某种在线监测技术，并不能完全保证电气设备的实时准确监测。近年来，对至关重要的电气设备，如发电机、大型电动机等，多使用多种在线监测技术，并与离线检测相互配合，实现多尺度、全面无死区的监测，综合诊断设备的不同故障类型及原因。3）智能算法和大数据分析技术的应用。人工智能技术的发展与完善，极大地促进了在线监测技术的发展。高效率的运算处理器和人工智能技术（如机器学习算法等），逐步应用于在线监测技术。分布式计算机技术、5G技术、数据库及云平台等技术的迅速发展，使设备状态监测的准确性逐步提升。在企业现场可靠地采集数据，完成设备的前期现场检测和检修，同时通过互联网，构建远程诊断分析系统，实现专家智能诊断和数据共享分析已成为主流趋势。4）电气设备在线监测系统平台的建立。目前，各生产行业、监测设备供应商和研究机构都在构建自主的监测系统平台，将多种在线监测技术和诊断方法融入一个在线监测系统中，利于实时调用多种检测信息，对被监测设备进行多尺度的状态诊断。通过综合分析设备的监测信息、运行信息、检维修记录等，有利于设备状态监测和故障预警模型的完善，通过大数据分析和智能算法的完善，促进在线监测技术的完善。当某区域在线监测的数据样本较少或非常难以诊断时，通过计算机网络实现在线监测系统的数据共享，有利于获取不同领域和地区电气专家的分析咨询和技术支持。

　　5结论

　　本文对炼化企业电气设备在线监测技术的研究现状、选型建议、系统设计和发展趋势进行了全面综述，得到以下结论：1）炼化企业中，变压器和GIS遵循国家电网的相关规范，一般都配置了可靠的在线监测技术。发电机、电缆、电动机等设备，在线监测技术配置状况较差，应提高在线监测技术的应用水平，长远看来，这是经济合理的。2）对至关重要的电气设备，可使用多种在线监测技术，并与离线检测相互配合，同时维持继电保护装置。3）新型传感器及大数据分析技术，促进了电气设备在线监测技术的完善。在选取技术成熟、应用广泛的在线监测设备的同时，要勇于尝试新技术。4）建议炼化企业电气设备在线监测系统，按“专家系统层-企业分析层-装置数据存储及分析层”3层网络架构平台进行设计。

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　　作者:刘维功 吴冠霖 刘志良 孙进 时振堂 单位:1.中国石化大连石油化工研究院 2.中科（广东）炼化有限公司