基于電容分壓的容性設(shè)備介損測量系統(tǒng)

高志國

(遼源供電公司 電力設(shè)計(jì)院，吉林 遼源 136200)

0 引言

變電站中包含大量的電容型設(shè)備，比如電流傳感器、電容式電壓互感器、耦合電容器和套管等，這些電容型設(shè)備占變電站所有設(shè)備的40%～50%，因此，其安全運(yùn)行就直接關(guān)乎整個電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。傳統(tǒng)的變電站設(shè)備的定時檢修(Time Based Maintenance)具有試驗(yàn)周期長、試驗(yàn)強(qiáng)度大和較低的有效性等不足，狀態(tài)監(jiān)測 (Condition Based Maintenance)[1～3]憑借其運(yùn)行成本低、設(shè)備運(yùn)行效率高以及可以改善電能質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，已成為取代定時檢修的必然趨勢。狀態(tài)檢修的前提是實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，通過監(jiān)測得到的各電氣設(shè)備的信息，對其進(jìn)行綜合處理和分析，然后針對分析結(jié)果對設(shè)備的可靠性做出相應(yīng)判斷。

電容型設(shè)備的介質(zhì)損耗角的正切值tanδ(即介損)是反映電氣設(shè)備絕緣功率損耗大小的一個重要的參數(shù)，通過分析介損角及其變化情況，可以判斷電氣設(shè)備是否存在絕緣缺陷。正常的情況下，現(xiàn)場的干擾很容易使介損角測量出現(xiàn)誤差，嚴(yán)重時會導(dǎo)致測量失去意義。因此，研究電容型設(shè)備的在線監(jiān)測問題，最主要的課題就是對其測量精度的研究。

目前，領(lǐng)域內(nèi)的介質(zhì)測量方法主要包括兩類:“硬件”方法和“軟件”方法。例如，以過零比較法[4]為代表的硬件方法和以諧波分析法[5]為代表的軟件方法。這些方法各有特點(diǎn)，但都不同程度的受到一些干擾、誤差等的影響。本文對當(dāng)前介質(zhì)損耗的監(jiān)測方法的測量精度問題進(jìn)行了研究，指出了影響測量精度的因素，最后提出了一種新的介質(zhì)損耗的測量方法。該方法通過在容性設(shè)備末屏串聯(lián)分壓電容來提取電壓信號，硬件設(shè)計(jì)簡單，對直流成分和零點(diǎn)漂移的影響起到抑制作用，同時，還可避免傳感器角差和比差的干擾，從而提高測量精度。

1 介損測量方法

對容型設(shè)備介損的測量必須是高電壓、小電流以及小角度的高精密測量，這就對工作提出了更高的要求，尤其得保證測量的有效性，否則介損測量不準(zhǔn)確甚至測量失去意義。介損測量的方法可通過硬件和軟件方法實(shí)現(xiàn)。

1.1 硬件測量方法

通過硬件方式實(shí)現(xiàn)介損的測量方法，主要有西林電橋法和過零比較法[4]。不少學(xué)者對硬件測量方法進(jìn)行了改進(jìn)，但是總體來說硬件方法的實(shí)現(xiàn)比較困難，易受環(huán)境因素、電力系統(tǒng)諧波等干擾因素的影響，所以，目前容性設(shè)備介損測量主要采用以軟件方式實(shí)現(xiàn)的方法。

1.2 軟件測量方法

軟件方法主要是對波形進(jìn)行分析，由硬件來完成數(shù)據(jù)采樣，通過不同的方法處理干擾和諧波的影響。鑒于該方法的靈活性，適宜廣泛推廣。該類方法主要有諧波分析法[5]、離散傅里葉變換 (DFT)或快速傅里葉變換 (FFT)及其改進(jìn)算法[6，7]、相關(guān)函數(shù)法[8]和高階正弦擬合法[9]。

2 影響系統(tǒng)測量精度的相關(guān)問題分析

電力設(shè)備的在線監(jiān)測系統(tǒng)，不可避免地受到一些因素的影響。在容性設(shè)備在線監(jiān)測介損測量中，傳感器提取的信號非常微弱，因此如何消除或減小干擾因素的影響，是容性設(shè)備在線監(jiān)測的一個重要課題。

2.1 傳感器本身的影響

為了實(shí)現(xiàn)電容型設(shè)備的絕緣情況的在線監(jiān)測，必須有效提取電容型設(shè)備的末屏電流信號。由于此信號非常微弱，因此作為提取電流信號的傳感器，其自身存在的問題影響著容型設(shè)備介損的測量。

盡管采用有源傳感器[10]可以提高信號的信噪比，有效減少激磁磁勢的影響，但在實(shí)際操作過程中，由于現(xiàn)場環(huán)境較差、干擾較多，在線監(jiān)測系統(tǒng)由于長時間運(yùn)行，使得傳感器的角差和比差的穩(wěn)定性有所下降。為了解決這些比較突出的問題，本文提出采用分壓電容的絕對測量方法，減小傳感器角差和比差的干擾影響。

2.2 電力系統(tǒng)諧波的影響

電力系統(tǒng)中包含較多的諧波分量，而且這些分量隨時都在發(fā)生變化。不論是諧波的頻率、波形的畸變率還是諧波的初相角，對介質(zhì)損耗角的測量都有較大影響[11]。為了減小諧波對測量的影響，通常采用模擬低通濾波器或帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)濾除高次諧波，但模擬濾波器總是存在一定的相位漂移，不同的模擬濾波器的濾波性能不容易完全相同，并且經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)后信號相移有所不同，這就會產(chǎn)生相位漂移，從而導(dǎo)致介損測量精度不夠精準(zhǔn)。因此，可以考慮利用數(shù)字濾波器，使得測量電壓信號和電流信號的兩條支路擁有共同的數(shù)字濾波環(huán)節(jié)，避免相位漂移的出現(xiàn)。

2.3 相間干擾的影響

電力系統(tǒng)A、B、C三相相間存在耦合，在線測試三相高壓電容性試驗(yàn)時，會出現(xiàn)相間干擾，最終使得介損角A相增加、B相基本不變、C相減小。相間干擾嚴(yán)重與否取決于試品電流的大小，當(dāng)主電流大于相間干擾電流時，其相間干擾的影響可忽略不計(jì);當(dāng)主電流小于相間干擾電流時，必須考慮其影響。電容型設(shè)備從末屏得到mA級的電流信號，相比于干擾電流的A級而言，可忽略不計(jì)。在故障診斷時，采用的相對比較法，可以認(rèn)為相同條件下運(yùn)行電壓對同相設(shè)備的影響也相同，并且相間和相鄰設(shè)備的影響是固定的，在通過差分計(jì)算和加減之后，剔除了同類設(shè)備中存在的同類型干擾，從而避免相間干擾的影響。

2.4 PT角差的影響

電壓信號一般都是從母線PT處采集的，隨著PT二次負(fù)載的變化，電壓信號會引起相應(yīng)的角差變化，進(jìn)一步影響介損的測量精度，一定情況下會使得介損測量出現(xiàn)負(fù)值。此外，實(shí)際運(yùn)行過程中，PT角差會受到運(yùn)行電壓、頻率以及負(fù)載變化的影響，其中測量角差的誤差主要包括激磁支路引起空載誤差和負(fù)荷支路引起的負(fù)載誤差，而相差角的變化會引起介質(zhì)損耗因素的誤差。

2.5 環(huán)境的影響

容性設(shè)備在線監(jiān)測的測量精度會受到周圍環(huán)境溫度和濕度的影響，當(dāng)被測設(shè)備周圍環(huán)境發(fā)生變化時，介質(zhì)損耗因素的測量結(jié)果會受到一定影響。

大量研究表明，一般在－40～60°C溫度范圍內(nèi)油紙絕緣的tanδ變化不明顯;而當(dāng)環(huán)境溫度超過60°C時，tanδ便隨溫度升高而增加。

濕度對容性設(shè)備介質(zhì)損耗的測量精度也存在較大的影響。如果容性設(shè)備長期處在濕度較大的環(huán)境中，會使絕緣受潮，導(dǎo)致介損tanδ的測量偏大。這是由于相對過大的空氣濕度，會使絕緣表面出現(xiàn)低電阻支路，進(jìn)而對測量造成空間干擾。

2.6 零點(diǎn)漂移的影響

實(shí)際測量介損tanδ時，零點(diǎn)漂移和波形畸變常會導(dǎo)致信號過零點(diǎn)的偏移，影響了介損測量的精度[13]。當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)接地不當(dāng)?shù)那闆r時，信號會發(fā)生零點(diǎn)漂移的現(xiàn)象，同時可能出現(xiàn)信號正負(fù)半周大小不相等的情況。若兩路信號零點(diǎn)漂移的程度不同，就容易產(chǎn)生較大的測量誤差?？梢酝ㄟ^采用正確的接線方式來解決這個問題。

2.7 其他因素的影響

在線監(jiān)測結(jié)果還受相鄰設(shè)備、操作方式及運(yùn)行電壓等因素的影響。在線監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)經(jīng)常會受到某些不確定因素的干擾，以致會出現(xiàn)虛假點(diǎn)，對數(shù)據(jù)分析造成很大的影響，因此，在絕緣診斷前，需要對在線監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除這些虛假點(diǎn)，比如通過一階差分法、Turkey提出的53H[14]等。基本思路為:根據(jù)正常狀態(tài)下在線監(jiān)測數(shù)據(jù)及實(shí)際測量值確定其變化規(guī)律，若不符合認(rèn)為是虛假點(diǎn)，并用相應(yīng)的內(nèi)插值代替。

3 介損測量的新方法

上一節(jié)介紹了影響介損測量精度的一些主要的因素，盡管目前的一些方法不同程度的考慮到如何減小或消除這些因素的影響，但其仍然存在一定的問題。本文在對影響介損測量精度的因素進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于電容分壓的絕對測量方法。

基于電容分壓的絕對測量方法，其工作原理為:分別提取高壓母線的電壓U和套管末屏分壓電容的電壓信號U1，再通過計(jì)算二者之間的夾角的正切值 (記為tanφ)，從而近似得到介損 tanδ的值。其測量原理如圖1所示。

圖中:C為高壓容性設(shè)備對地的主電容;C1為末屏傳感器等值電容。由圖可知，當(dāng)C?C1時，tanφ≈tanδ，計(jì)算公式為:

圖1 基于電容分壓的絕對測量法Fig.1 Absolute measurement based on capacitive divider

因此，通過選擇合適的末屏傳感器等值電容C1，利用式 (1)計(jì)算公式可以間接求得介損值tanδ。

通過圖1電路得到母線電壓U和經(jīng)分壓的電壓U1后，再進(jìn)一步通過運(yùn)放進(jìn)行信號的放大、低通濾波器濾除諧波干擾，而后進(jìn)行信號相位的比較，得出準(zhǔn)確的結(jié)果，系統(tǒng)原理的框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖Fig.2 System block diagram

(1)放大單元

差分放大單元用來消除共模干擾，程控放大單元對信號進(jìn)一步預(yù)處理。

(2)數(shù)字濾波器

模擬濾波器存在一定的相移及非線性，多個模擬濾波器的濾波性能不易做到完全相同，經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)后信號相移不一樣，這樣會帶來相位漂移，而測量介質(zhì)損耗因數(shù)卻是要精確得到兩路信號的相位差以求解介質(zhì)損耗因數(shù)。

本文采用數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波。濾波器一種特殊的點(diǎn)阻濾波器，一個理想的點(diǎn)阻濾波器在需消除的信號頻率點(diǎn)處，頻率特性為零;而在其他頻率點(diǎn)處，其值等于1，如圖3所示。合理設(shè)計(jì)濾波器，可以有效濾除掉電網(wǎng)中的諧波成分。

圖3 數(shù)字陷波器頻率響應(yīng)特性Fig.3 Frequency response characteristic of digital trap

(3)過零比較單元

過零比較器對濾波、放大后的信號進(jìn)行整形將其變?yōu)榉讲ǎ阌谙乱徊竭M(jìn)行信號相位計(jì)算。

(4)信號相位計(jì)算

計(jì)算兩個方波信號的相位差，從而算出介質(zhì)損耗 tanδ。

需要注意的是為防止套管末屏開路以及測量回路過電壓，需要設(shè)計(jì)合理的保護(hù)電路來保證測量的精度。

同時，通過對影響介損測量精度的因素及對介損各種測量方法的研究，筆者認(rèn)為采用該方法，并結(jié)合相對比較法和趨勢提取的方法，來減小環(huán)境溫度、濕度等因素的影響，可以進(jìn)一步提高測量精度。

4 介損測量模擬實(shí)驗(yàn)

介損測量模擬實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中需要注意的是，對于采用不同的電壓傳感器，會導(dǎo)致信號存在角差，因此需要對傳感器信號進(jìn)行校正。通過模擬實(shí)驗(yàn)，對電壓傳感器加以相同的信號，測出電壓和電流兩者的角差，作為角差的修正量，測量結(jié)果如表1所示。

表1 電壓固有角差Tab.1 Voltage angular difference (°)

對于本文提出的測量方法，測量系統(tǒng)中加入了不同的數(shù)字濾波器，對傅里葉濾波和IIR濾波器濾波的結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明采用IIR濾波器的相位一致性比傅里葉濾波要好。在測取容型設(shè)備介損值時，經(jīng)IIR數(shù)字濾波器濾波后的介損值也更加準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 介質(zhì)損耗因數(shù)值測得結(jié)果Tab.2 Measurement results of dielectric loss factor value

5 結(jié)論

本文簡要介紹了介損測量方法的兩種方法，即“硬件”方法和“軟件”方法，分析了兩類方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)并進(jìn)行了對比。而后對影響介損測量精度的因素進(jìn)行了詳細(xì)研究。在對這些干擾因素和方法研究的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步減小和消除干擾因素的影響，提出了一種基于電容分壓的容性設(shè)備在線監(jiān)測介損測量方法，給出了該方法的原理框圖。該方法硬件設(shè)計(jì)簡單，可有效抑制直流成分和零點(diǎn)漂移造成的影響，又可避免傳感器角差和比差造成的干擾，能夠較好地滿足實(shí)際工程的需要，模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的有效性。