電容型高壓電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)

李波，文婷，盧劍，周利軍

(1.廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州 510600;2.廣東電網(wǎng)公司管理科學(xué)研究院，廣州 510600;3.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031)

1 引言

智能電網(wǎng)以其、自愈、兼容、經(jīng)濟(jì)、集成等特點(diǎn)，被世界各國(guó)所重視。我國(guó)資源分布不均、煤電比重抬高、電能效益不足等問題，已使我國(guó)成為世界上智能電網(wǎng)的最大需求國(guó)之一

高壓電氣設(shè)備在電網(wǎng)中分布密度大、數(shù)量多，在電網(wǎng)中具有重要的地位，其運(yùn)行狀況是否良好，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)是否安全可靠。設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)高壓電氣設(shè)備絕緣在線、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，將成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)設(shè)備絕緣監(jiān)測(cè)的重要手段［1-3］。

本文主要針對(duì)電網(wǎng)中供電系統(tǒng)常用的電力變壓器高壓套管、電容式電壓互感器、電流互感器和氧化鋅避雷器，設(shè)計(jì)了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主要設(shè)計(jì)了雙級(jí)零磁通電流傳感器，有效提高了監(jiān)測(cè)精度;采用220V電源信號(hào)作為同步的技術(shù)大幅度增加了固定時(shí)間內(nèi)允許測(cè)量的次數(shù)，提高了監(jiān)測(cè)效率。

2 系統(tǒng)總體方案

變電站IEC 61850綜合自動(dòng)化采用分層分布式系統(tǒng)，由站控層、網(wǎng)絡(luò)層、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控保護(hù)設(shè)備層(間隔層)三大部分組成。其中間隔層包括:高壓套管在線監(jiān)測(cè)模塊、電壓互感器在線監(jiān)測(cè)模塊、電流互感器在線監(jiān)測(cè)模塊、氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)模塊、變壓器鐵芯在線監(jiān)測(cè)模塊、變電站溫濕度監(jiān)測(cè)模塊。各現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控保護(hù)設(shè)備直接以以太網(wǎng)星形組網(wǎng)，可靠性高，便于擴(kuò)展?，F(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)模塊將采集的過程數(shù)據(jù)通過各自的私有通信協(xié)議傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)軟件模塊系統(tǒng)中，服務(wù)器將信息轉(zhuǎn)換成符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的信息格式和通信服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)非IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備與后臺(tái)主站之間的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)通信功能。此外，IEC 61850通訊軟件模塊可匯集IEC 61850通信網(wǎng)所有信息，與遠(yuǎn)方調(diào)控中心進(jìn)行通訊連接。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

所需監(jiān)測(cè)量包括介質(zhì)損耗角角正切(tanδ)、避雷器的阻性電流(IR)、電容量(C)，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)電路如圖2所示。

為得到電容性設(shè)備的介質(zhì)損耗角角正切(tanδ)、電容量(C)和氧化鋅避雷器的阻性電流(IR)，必須無相移地精確監(jiān)測(cè)絕緣泄露電流以及所施加的高電壓［4］，具體計(jì)算如式(1)所示。

式中，U、I分別為電壓和電流的有效信號(hào)，f為電流頻率，θU為電壓與參考信號(hào)的相位差，θI為電流與參考信號(hào)的相位差。

普通電流傳感器無法精確得到所需電壓和電流信號(hào)，尤其是相位差，筆者將采用零磁通電流傳感器技術(shù)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的采集控制電路。

圖2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路圖

3.1 零磁通電流傳感器

普通單匝電流傳感器二次匝數(shù)一般在兩千匝以上時(shí)精度才能達(dá)到測(cè)量用要求，但高壓電氣設(shè)備的絕緣泄漏電流只有幾微安到幾百毫安，匝數(shù)太大將使得輸出信號(hào)很小，導(dǎo)致較大誤差。且由于鐵心中磁通的存在，致使所測(cè)信號(hào)具有較大相位差，不能滿足在線監(jiān)測(cè)要求，為此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雙級(jí)零磁通電流傳感器［5-7］。

圖3 雙級(jí)零磁通電流傳感器原理圖

采用的雙級(jí)零磁通電流互感器原理如圖3所示。I為主鐵心，II為輔助鐵心，主鐵心和輔助鐵心均采用鈸鏌合金，具相同的體積和磁特性，N1和N2為一次和二次繞組，分別繞在兩個(gè)鐵心、I和II上，Nu檢測(cè)繞組，NP為補(bǔ)償繞組，Z2為二次負(fù)荷阻抗。外加補(bǔ)償模塊和磁通檢測(cè)模塊均由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)檢測(cè)模塊測(cè)到磁通時(shí)，補(bǔ)償線圈產(chǎn)生補(bǔ)償電流，鐵心II磁勢(shì)重新平衡，所需能量由鐵心I和II勵(lì)磁電流聯(lián)合提供，使鐵心中磁工作點(diǎn)發(fā)生變化。從而實(shí)現(xiàn)零磁通身度負(fù)反饋。

為了得到動(dòng)態(tài)線性的補(bǔ)償電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)零磁通電流傳感器，利用外部電路從主鐵心或二次線圈上提取誤差信號(hào)，然后通過放大、移相、電流電壓轉(zhuǎn)換等處理，得到隨誤差動(dòng)態(tài)變化的反電動(dòng)勢(shì)加在互感器上，使主鐵心達(dá)到零磁通狀態(tài)。根據(jù)磁感應(yīng)定律及磁路定律，如圖4所示的磁通分布可知，補(bǔ)償線圈的主要作用是:使副邊線圈產(chǎn)生與勵(lì)磁磁通(˙φ11、˙φ12)大小相等，方向相反的補(bǔ)償磁通(˙φ21、˙φ22)，從而使傳感器工作在零磁通狀態(tài)。

圖4 零磁通傳感器結(jié)構(gòu)圖

對(duì)零磁通電流傳感器測(cè)試(負(fù)載為0Ω)，結(jié)果如表1所示，可見其角差變化小于0.4分，能滿足在線監(jiān)測(cè)要求。

表1 零磁通電流傳感器檢測(cè)結(jié)果

3.2 采集控制電路

系統(tǒng)的特點(diǎn)之一是用220V供電信號(hào)作為同步信號(hào)，電流監(jiān)測(cè)單元負(fù)責(zé)獲取絕緣泄露電流及其與同步信號(hào)的相位差，電壓監(jiān)測(cè)單元負(fù)責(zé)獲取電壓及其與同步信號(hào)的相位差，這樣通過總線上傳的數(shù)據(jù)只有相位差和幅值，提高了固定時(shí)間內(nèi)測(cè)量的次數(shù)，為剔出無效數(shù)據(jù)、提高監(jiān)測(cè)精度提供了保障。

數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理和超大規(guī)模集成電路技術(shù)。結(jié)構(gòu)框架圖如圖5所示。該系統(tǒng)以DSP(TMS320F206)和CPLD(XC95108PQ100)為核心，輔以外圍電路模塊，快速、有效、可靠的采集和處理數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，保證了整個(gè)系統(tǒng)的高質(zhì)量運(yùn)行。

系統(tǒng)采用DSP和MCS-51單片機(jī)雙CPU結(jié)構(gòu)，DSP主要用于數(shù)值計(jì)算，而MCS-51則主要用于通信接口等輔助功能。選用的DSP芯片TMS320F206擁有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，符合本系統(tǒng)的計(jì)算量大的要求。TMS320F206具有片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器的器件，也是是TMS320C2xx系列中具有較多資源的器件之一，片上有高速SRAM、高速Flash、16位定時(shí)器、異步串口、同步串口和三個(gè)外部中斷，是電力系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)時(shí)使用最為普遍的數(shù)字信號(hào)處理器之一。

圖5 采集控制電路

采用Xlinks公司的XC95108PQ100作為外圍接口電路的主芯片，該芯片通過鎖相環(huán)電路為DSP和A/D轉(zhuǎn)換芯片提供了標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘和譯碼電路，為外圍控制電路提供了可靠的I/O接口;為單片機(jī)和DSP的通信提供通道(主要通過中斷信號(hào)來實(shí)現(xiàn))。

系統(tǒng)采用220V電源信號(hào)作為電壓采集和電流采集的同步信號(hào)。即采集模塊同步采集220V通過互感器后的信號(hào)與微電流信號(hào)，計(jì)算得到的相位差作為計(jì)算根據(jù)。數(shù)據(jù)采集電路是數(shù)據(jù)采集和控制電路的核心，選用高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件能夠提高數(shù)據(jù)采集的精度，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。AD7710是美國(guó)Analog公司Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器家族的一員，由于采用了Σ-Δ技術(shù)、差分技術(shù)和數(shù)字濾波技術(shù)，有很強(qiáng)的抗干擾能力，其分辨率可達(dá)到24bit。

通信模塊采用RS485、RS232和USB方式，RS485用于正常工作時(shí)的通信，RS232主要用于現(xiàn)在調(diào)試，而USB接口用于微機(jī)實(shí)時(shí)采集所采集得到的數(shù)據(jù)，便于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)的分析和相位差算法的改進(jìn)等。USB設(shè)備控制芯片采用了美國(guó) Cypress公司的CY7C68013—128作為USB接口主控芯片，它封裝了USB規(guī)范的大部分功能，用戶不必從底層了解復(fù)雜USB總線規(guī)范，簡(jiǎn)化并規(guī)范了設(shè)備的開發(fā)工作。對(duì)采用RS485串口通信接口，由于現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)較強(qiáng)，再加上雷電、靜電放電和交流電故障等引起的通信線路過電壓瞬變，RS485通信接口必須具有很好的抗干擾能力和抗過電壓瞬變的能力，因此，其RS485驅(qū)動(dòng)電路采用的是具有瞬變電壓抑制的收發(fā)器SN75LBC184。SN75LBC184片內(nèi)A、B引腳有高能量瞬變干擾保護(hù)裝置，從而顯著地提高了器件的抗過電壓瞬變能力，是一種可靠、低價(jià)和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案。

監(jiān)測(cè)所得的電壓和電流數(shù)據(jù)分別如圖6(a)和(b)所示。采用加窗FFT和相關(guān)系統(tǒng)算法，根據(jù)圖6(a)計(jì)算得到式中的θI，根據(jù)圖6(b)可得θU。

圖6 單次檢測(cè)的數(shù)據(jù)

圖7 用于變壓器套管監(jiān)測(cè)單元布置圖

4 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行

系統(tǒng)已經(jīng)在我國(guó)近百個(gè)變電站投運(yùn)，具有較好的效果。由于傳感器均采用穿心式傳感器，對(duì)高壓電氣設(shè)備的運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生任何的影響。圖7為系統(tǒng)在某線牽引變電所變壓器套管在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)地電流監(jiān)測(cè)單元。從表2可見，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效。

表2 主變壓器高壓套管介質(zhì)損耗tanδ

5 結(jié)束語

特高壓、超高壓的投運(yùn)和智能電網(wǎng)的快速發(fā)展設(shè)對(duì)高壓電氣設(shè)備的絕緣可靠性提出了更高要求。實(shí)施絕緣狀態(tài)檢測(cè)是提高設(shè)備可靠性，保障運(yùn)營(yíng)安全的有效方法之一。本文所設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)中常用的變壓器高壓套管、電容式電壓互感器、電流互感器，以及氧化鋅避雷器，系統(tǒng)采用了雙級(jí)零磁通電流傳感器和220V電源信號(hào)作為同步的技術(shù)，有效提高了監(jiān)測(cè)精度;大幅度增加了固定時(shí)間內(nèi)允許測(cè)量的次數(shù)。該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在我國(guó)多條高速客運(yùn)專線投入使用，運(yùn)行結(jié)果表明具有很好的效果。

［1］陳樹勇，宋書芳，李蘭欣，等.智能電網(wǎng)技術(shù)綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(8):1-7.

［2］L.J.Zhou，G.N.Wu，H.L.Wang，et al.On-line Monitoring Technique for Multi-component Gases Dissolved in Oil of Traction Transformer，Transactions on Electrical and Electronic Materials，2006，7(7):361-364.

［3］周利軍，吳廣寧，盛進(jìn)路，等.基于DGA的牽引變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)鐵道學(xué)報(bào)［J］，2005，27(5):26-29.

［4］吳廣寧.電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的理論與實(shí)踐［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［5］J.Liu，G.N.Wu，L.J.Zhou，Development on the zero-flex type current sensor，Proceedings of 2008 International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis，Beijing，2008:864-868.

［6］張振洪，趙有俊.高精度零磁通電流傳感器的研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009(10):52-54，57.

［7］單平，羅勇芬，李彥明.零磁通型高精度微電流傳感器［J］.高電壓技術(shù)，2002(05).