電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐

商小峰，段 彬，魏澤民

（嘉興電力局，浙江 嘉興 314000）

0 引言

電力系統(tǒng)中，電容型電氣設(shè)備包括電容型套管、電容型電流互感器（TA）、電容型電壓互感器（TV）及耦合電容器（OY）等，數(shù)量約占變電站設(shè)備總臺(tái)數(shù)的40%～50%，其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)變電站十分重要[1-2]。因此，對(duì)電容型電氣設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)具有重要意義。

介質(zhì)損耗角δ或介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ僅與絕緣材料的性質(zhì)有關(guān)，與絕緣材料的尺寸大小和形狀無(wú)關(guān)，是電介質(zhì)的固定值。因此，通常通過(guò)測(cè)量電容型設(shè)備的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ來(lái)判斷設(shè)備的絕緣狀況[3-4]。目前δ或tanδ的離線測(cè)量多使用西林電橋法，在線監(jiān)測(cè)也可基于電橋原理，但由于電橋測(cè)量存在成本高、不易運(yùn)輸、不易現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)量的缺點(diǎn)，因此應(yīng)用較少?，F(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)多采用數(shù)字測(cè)量技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是過(guò)程自動(dòng)化、數(shù)據(jù)可分析、表現(xiàn)手段更直觀，易于集成更大、更廣泛的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5-6]。

電容型電氣設(shè)備的絕緣在線監(jiān)測(cè)主要分為電流/電壓信號(hào)提取、介質(zhì)損耗角測(cè)量、tanδ監(jiān)測(cè)值的數(shù)據(jù)處理及絕緣狀況故障診斷幾個(gè)部分，其中電流/電壓信號(hào)的采樣方式是基礎(chǔ)和關(guān)鍵，也是易受溫度、濕度、系統(tǒng)諧波及系統(tǒng)電壓影響的環(huán)節(jié)[7-10]。因此，本文對(duì)電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)中的電流/電壓采樣環(huán)節(jié)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

1 電流/電壓采樣現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

1.1 電容型設(shè)備在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目應(yīng)用背景

嘉興電力局是浙江省變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目建設(shè)試點(diǎn)單位，電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已應(yīng)用于220kV大德變電站。該變電站投運(yùn)于2006年11月，已完成的變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：主變壓器油色譜狀態(tài)監(jiān)測(cè)、主變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)、110kV及以上避雷器的絕緣在線監(jiān)測(cè)（無(wú)線通信傳輸方式）、SF6氣體微水密度在線監(jiān)測(cè)、TA及TV絕緣在線監(jiān)測(cè)等。

1.1.1 電容型設(shè)備在線監(jiān)測(cè)實(shí)施技術(shù)路線

電容型設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象是大德變電站內(nèi)110kV及220kV的TA和線路避雷器。監(jiān)測(cè)裝置采用分布式結(jié)構(gòu)，在每臺(tái)或每組被監(jiān)測(cè)設(shè)備附近安裝本地測(cè)量單元，可就地把被測(cè)的電氣信號(hào)變成數(shù)字量，并通過(guò)數(shù)字化的通信總線傳送到系統(tǒng)主機(jī)，較好地解決了模擬信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸問(wèn)題，并且具有較強(qiáng)的抗沖擊性能。現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中，每臺(tái)電容型設(shè)備安裝1套監(jiān)測(cè)單元，每個(gè)監(jiān)測(cè)單元為1U或2U高的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的電容型設(shè)備過(guò)多時(shí)，可以考慮增加1個(gè)電容型設(shè)備監(jiān)測(cè)綜合單元（IED）。不同的電容型設(shè)備監(jiān)測(cè)單元通過(guò)485總線接入到綜合監(jiān)測(cè)單元（可串接6個(gè)端口）。當(dāng)有多個(gè)IED時(shí)，要在柜子里加裝光纖交換機(jī)，每個(gè)IED接到交換機(jī)上，然后統(tǒng)一由交換機(jī)拉光纖至主控室的光纖交換機(jī)。電壓采集單元從220kV和110kV的正副段母線TV端子箱測(cè)量線圈對(duì)應(yīng)端子中引出TV電壓信號(hào)；電流采集單元從電容型設(shè)備（TA、避雷器）末屏采集電流信號(hào)。

1.1.2 信號(hào)取樣裝置的技術(shù)要求

從測(cè)量精度與安全考慮，對(duì)電壓和電流采集設(shè)備提出了設(shè)備選型要求：

（1）不應(yīng)改變被測(cè)設(shè)備原有的結(jié)構(gòu)。

（2）在取樣點(diǎn)安裝可靠的保護(hù)裝置。

（3）不影響耦合電容器的通信回路。

1.2 電容型設(shè)備介質(zhì)損耗的測(cè)量原理

數(shù)字測(cè)量法可大致分為直接測(cè)量法（如過(guò)零點(diǎn)時(shí)差法）和信號(hào)重建法[5]，早期多采用前者。過(guò)零點(diǎn)時(shí)差法是通過(guò)計(jì)數(shù)器方式獲得2個(gè)信號(hào)的時(shí)間差，再根據(jù)信號(hào)周期轉(zhuǎn)換成相位差。該方法對(duì)硬件電路的穩(wěn)定性要求較高，電路自身的漂移、諧波干擾的影響均是難以克服的問(wèn)題。

目前應(yīng)用較多的是信號(hào)重建法。信號(hào)重建法是根據(jù)采樣數(shù)據(jù)重建電流、電壓的正弦波形，再由波形參數(shù)求得φ，從而得到δ，采用傅立葉分析法、正弦參數(shù)法、相關(guān)系數(shù)法和高階正弦擬合法。其中，以傅立葉FFT分析法應(yīng)用最為廣泛。本文所述現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用系統(tǒng)采用全數(shù)字化的快速傅里葉變換方法（FFT）來(lái)求取信號(hào)相差，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需使用復(fù)雜的模擬處理電路，長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性可得到保證，且能有效抑制諧波干擾的影響。具體原理如圖1所示。

圖1 電容型設(shè)備介質(zhì)損耗及電容量參數(shù)監(jiān)測(cè)原理

測(cè)量原理如下：進(jìn)行電流/電壓信號(hào)采樣時(shí)，母線TV的二次電壓信號(hào)Un經(jīng)過(guò)電阻R變換為電流信號(hào)In，由安裝在TV下方的本地測(cè)量單元LU1進(jìn)行檢測(cè)，電容型設(shè)備Cx的末屏電流信號(hào)Ix則由本地測(cè)量單元LU2檢測(cè)。在中央監(jiān)控器CU的控制下，2個(gè)本地測(cè)量單元LU1及LU2的信號(hào)采集系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)，對(duì)傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行同步采樣及FFT變換處理，得到輸入信號(hào)Un及Ux相對(duì)于220 Vac工作電源Us的基波相位Ph（n-s）和 Ph（x-s）。 中央監(jiān)控器 CU 只需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)通信總線讀取LU1及LU2對(duì)應(yīng)的相位測(cè)量結(jié)果，即可計(jì)算出電容型設(shè)備末屏電流信號(hào)Ix相對(duì)于母線電壓Un的相位差Ph，從而獲得其介質(zhì)損耗tanδ和電容量Cx等絕緣參數(shù)。

1.3 電流采樣單元的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)需要提取設(shè)備末屏接地電流信號(hào)，此電流十分微弱，通常為毫安級(jí)。目前現(xiàn)場(chǎng)使用的信號(hào)采集方式主要有直接耦合和磁性耦合，前者是將試品電流轉(zhuǎn)化為較高的電壓（如幾十伏）輸出，用模擬量傳輸，受電磁干擾較大，而且要改變?cè)嚻返慕拥胤绞?；后者一般采用單匝穿芯傳感器，分為有源和無(wú)源2種類(lèi)型，都不改變?cè)嚻吩瓉?lái)的接地方式，較前者有更高的安全保證[11]。磁性耦合的電流互感器通常選用無(wú)源電流傳感器或有源電流傳感器。文獻(xiàn)[11]中指出：無(wú)源電流傳感器在傳輸過(guò)程中極易受外界噪聲信號(hào)的干擾而失真，直接影響整體測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。有源是指在電流傳感器的輸出端加入有源運(yùn)算放大器，將傳感器二次端的電壓輸出信號(hào)放大后再進(jìn)行傳輸，以提高被測(cè)信號(hào)的信噪比，降低外界干擾信號(hào)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使測(cè)試系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。因此，從提高在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度的角度考慮，目前大多采用有源電流傳感器。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中采用有源電流傳感器。為了提高測(cè)量精度和抗干擾能力，選用的傳感器具有以下特點(diǎn)：

（1）選用起始導(dǎo)磁率較高、損耗較小的坡莫合金作鐵芯。外殼由鑄鋁合金材料壓鑄而成，在電流和溫度大范圍變化情況下，能夠確保變換的準(zhǔn)確度，絕對(duì)比差控制在±0.01%。

（2）通過(guò)對(duì)激磁電流的補(bǔ)償，使傳感器近似工作在“零磁通”狀態(tài)[12]，輸入/輸出信號(hào)的角差控制在±0.01°范圍內(nèi)。

（3）采用鐵、銅、坡莫合金為屏蔽結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力及良好的電磁兼容性能。

1.4 電壓采樣單元的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)電容型設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都采用TV的二次側(cè)電壓作為基準(zhǔn)電壓與試品電流相比較[11]。獲取基準(zhǔn)電壓的主要方法是從電壓傳感器TV的二次側(cè)獲得，其影響測(cè)量準(zhǔn)確性的主要因素有TV二次負(fù)荷、勵(lì)磁電流和一次電壓參數(shù)的變化。通常母線電壓波動(dòng)不會(huì)超過(guò)±10%，所以對(duì)角差的影響不大；電壓變化不大，勵(lì)磁電流也基本穩(wěn)定，故影響δ的主要因素為二次負(fù)荷的變化[7]。TV二次負(fù)載變化引起的角差變化很大，對(duì)電容型設(shè)備的tanδ影響很大；TV的準(zhǔn)確性越差，對(duì)tanδ值測(cè)量的影響就越大[13]。

TV一般有2～3個(gè)二次繞組，分別供繼電保護(hù)和測(cè)量?jī)x表，其中供繼電保護(hù)的精度為0.5級(jí)，供測(cè)量?jī)x表的為0.2級(jí)。因此在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中，從剩余的測(cè)量?jī)x表引出基準(zhǔn)電壓，其測(cè)量角差為±10′，即相當(dāng)于±0.3%的介質(zhì)損耗測(cè)量絕對(duì)誤差。由于所采用的0.2級(jí)繞組無(wú)其他負(fù)載，角差基本穩(wěn)定，為了進(jìn)一步穩(wěn)定測(cè)量數(shù)據(jù)，在測(cè)量系統(tǒng)中給予補(bǔ)償。

2 介質(zhì)損耗測(cè)量數(shù)據(jù)分析

2.1 介質(zhì)損耗測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

為了校驗(yàn)測(cè)量電容型變電設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)1號(hào)主變壓器220kV開(kāi)關(guān)流變TA的介質(zhì)損耗進(jìn)行了多次在線測(cè)試。為了在相似情況下討論介質(zhì)損耗在線測(cè)量的準(zhǔn)確性，選擇了具有代表性的10組數(shù)據(jù)，如表1所示，測(cè)量溫度范圍為38℃～40℃、濕度范圍38%～42%。

從表 1可以看出，當(dāng)溫度在38℃～40℃、濕度在38%～42%，電壓頻率在49.95～50.05 Hz時(shí)，A相、B相和C相TA的介質(zhì)損耗測(cè)量值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。為了更好地確定其在線測(cè)量的穩(wěn)定性，在相同的環(huán)境下，以現(xiàn)場(chǎng)西林電橋測(cè)量值為基準(zhǔn)，將在線測(cè)量介質(zhì)值同基準(zhǔn)值進(jìn)行了比較，A相、B相、C相的介質(zhì)損耗相對(duì)誤差分別為0.29%，0.33%和0.25%。由此看出，在這種現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方式下所測(cè)得電壓互感器介質(zhì)損耗的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較高，均小于0.4%。

2.2 介質(zhì)損耗測(cè)量數(shù)據(jù)受環(huán)境影響情況

文獻(xiàn)[9]指出：良好絕緣在允許的電壓范圍內(nèi)，其tanδ隨電壓升高應(yīng)無(wú)明顯變化。三相系統(tǒng)母線電壓隨時(shí)間變化如圖2所示，A/B/C三相母線變壓波動(dòng)范圍分別為±1.35%，±1.23%和±1.21%，母線電壓基本穩(wěn)定。因此，本文主要討論介質(zhì)損耗受環(huán)境因素變化的影響情況。

2.2.1 溫度對(duì)介質(zhì)損耗測(cè)量的影響

為研究電容型設(shè)備介質(zhì)損耗受環(huán)境變化的影響情況，記錄了2012年7月10日—2012年7月16日，2條線路的A/B/C三相TA介質(zhì)損耗測(cè)量值，數(shù)據(jù)曲線如圖3、圖4所示。線路TA的相關(guān)信息如表2所示。

從圖3可以看出，溫度隨著時(shí)間呈現(xiàn)周期變化，線路1的A/B/C三相TA介質(zhì)損耗隨著溫度的周期性變化也呈現(xiàn)周期性變化趨勢(shì)。同時(shí)，隨著溫度的升高，TA的介質(zhì)損耗降低；溫度降低，TA的介質(zhì)損失值升高。A/B/C相TA的介質(zhì)損耗最大變化范圍分別為0.4%，0.45%和0.55%。

表1 電流互感器介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)%

表2 線路TA設(shè)備信息

從圖4可以看出，線路2的三相TA介質(zhì)損耗隨著溫度的變化也呈現(xiàn)一定的周期變化。與線路1相比較，線路2的三相TA的介質(zhì)損耗變化范圍更小，A/B/C三相分別為0.1%，0.15%和0.14%，變化周期更小。

分析原因是線路1的TA運(yùn)行時(shí)間為5年，線路2的TA運(yùn)行時(shí)間為2年?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)線路2的TA表面清潔狀況較線路1的TA表面狀況要好，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)行后，污垢程度對(duì)介質(zhì)損耗也有一定影響。

2.2.2 濕度對(duì)介質(zhì)損耗測(cè)量的影響

從圖5可以看出，濕度隨著時(shí)間呈現(xiàn)周期變化，線路1的A/B/C三相TA的介質(zhì)損耗值隨著濕度的周期性變化也呈現(xiàn)周期性變化趨勢(shì)。同時(shí)，隨著濕度的增加，TA的介質(zhì)損耗值增加；濕度減小，TA的介質(zhì)損耗值降低。

為了更好地觀察濕度對(duì)線路1和線路2的TA介損影響，選擇了2條線路的B相進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示?？梢钥闯觯€路1的B相TA介質(zhì)損耗與濕度的變化趨勢(shì)完全一致，而線路2的B相TA介質(zhì)損耗與濕度變化的一致性較差。

2.2.3 溫度、濕度對(duì)介質(zhì)損耗測(cè)量的綜合影響

針對(duì)上述分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)線路1的TA而言，其介質(zhì)損耗變化與溫度和濕度的變化周期基本一致，與溫度的變化成反比，與濕度的變化成正比，可以認(rèn)為溫度和濕度對(duì)線路1的TA介質(zhì)損耗影響基本相同。但是，對(duì)于線路2的TA而言，其介質(zhì)損耗變化趨勢(shì)受溫度和濕度影響的規(guī)律性較差，無(wú)明顯周期。其中，在如圖7所示的圓圈時(shí)間范圍內(nèi)，線路2的B相TA介質(zhì)損耗隨著濕度的增加而降低，而該范圍內(nèi)溫度卻是上升的。這說(shuō)明對(duì)線路2的B相TA而言，溫度對(duì)其介損的影響大于濕度的影響。從而說(shuō)明，對(duì)不同運(yùn)行年限的電容型設(shè)備，溫度和濕度對(duì)其介質(zhì)損耗的影響是不同的。

圖2 母線電壓隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖3 線路1的三相TA介質(zhì)損耗測(cè)量值

3 結(jié)語(yǔ)

220kV大德變電站電容型設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況穩(wěn)定，其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施為下階段電容型設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)推進(jìn)工作積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

（1）用諧波分析法進(jìn)行介質(zhì)損耗測(cè)量，采用本地單元對(duì)電流/電壓信號(hào)進(jìn)行同步采樣和相位比較計(jì)算的方式有較好的抗干擾能力和精度。

（2）在電流信號(hào)取樣時(shí)，采用有源零磁通傳感器能將輸入/輸出信號(hào)的角差控制在±0.01°范圍內(nèi)，具有更高的準(zhǔn)確性。

圖4 線路2的三相TA介質(zhì)損耗測(cè)量值

圖5 線路1的三相TA介質(zhì)損耗測(cè)量值

圖6 相同濕度條件下不同TA的介損變化

圖7 相對(duì)濕度與線路2的B相TA介損變化關(guān)系

（3）在母線電壓信號(hào)取樣時(shí)，應(yīng)盡量選擇負(fù)載較小的儀表測(cè)量用的TV二次繞組。

（4）對(duì)不同運(yùn)行年限的電容型設(shè)備，溫度和濕度對(duì)其介損的影響是不同的。

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