改進的絕緣子閃絡快速監(jiān)測系統(tǒng)

劉志學

（江蘇省電力公司檢修分公司蘇州檢修分部，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

絕緣子閃絡對電力系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定運行有較大的負面影響，覆冰、污穢、過電壓等多種因素可能造成絕緣子閃絡故障[1-4]。閃絡故障的切除需要一定時間：微機保護采樣數(shù)據(jù)窗使故障切除時間在斷路器開斷時間的基礎上有所增加[5-10]；對于某些特殊位置（如超高壓電網(wǎng)保護死區(qū)范圍）的絕緣子閃絡故障必須通過失靈保護切除，而現(xiàn)有失靈保護具有較長延時[11-13]。切除閃絡故障所需的時間越長對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響越大。在閃絡故障的事故處理中，由于閃絡點不明顯等因素的影響，會使得故障位置的查找存在困難。若能實現(xiàn)絕緣子閃絡故障的快速監(jiān)測，并與相關二次設備配合使用，則可成功解決上述2 個問題[14]。

文獻[14]提出的絕緣子閃絡快速監(jiān)測系統(tǒng)由于未充分考慮泄漏電流帶來的負面影響，使得該系統(tǒng)在絕緣子正常運行時可能會誤動作。本文提出了2種改進方案，這2種方案均能消除泄漏電流帶來的影響，且如果參數(shù)選擇適當，2種方案亦可實現(xiàn)絕緣子閃絡預警功能。

1 文獻[14]所提絕緣子閃絡快速監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 主要元件情況

文獻[14]設計了一種絕緣子閃絡快速監(jiān)測系統(tǒng)（見圖 1），其 Rogowski線圈輸出電壓[15]見式（1），2個或非門組成的基本RS觸發(fā)器的功能表[16]見表1。

其中，i1為Rogowski線圈所包絡的電流。

1.2 工作原理[14]

圖1 文獻[14]提出的絕緣子閃絡快速監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Insulator flashover rapid monitoring system proposed by reference[14]

表1 基本RS觸發(fā)器的功能表Tab.1 Functions of fundamental RS trigger

a.當絕緣子無閃絡故障時，Rogowski線圈包絡電流為零，無限大增益運放A的輸出電壓為0，2個光耦的發(fā)光二極管均不發(fā)光，光敏三極管截止，觸發(fā)器S端輸出始終為0，觸發(fā)器不動作。

b.絕緣子閃絡瞬間，無限大增益運放A的輸入電壓差u（t）≠0，其輸出電壓的絕對值瞬時突變?yōu)槠秒妷篣CC，光耦IC1或IC2內(nèi)的發(fā)光二極管發(fā)光，對應光敏三極管導通，觸發(fā)器S端輸出突變?yōu)?，觸發(fā)器動作，Q端瞬時置1并保持。

c.發(fā)生故障后Q端可與保護裝置配合，先于主保護作用于絕緣子相鄰斷路器跳閘，快速切除故障，避免由采樣數(shù)據(jù)窗帶來的延時。同時，Q端還可與測控裝置配合作用于后臺報警，告知運行人員閃絡絕緣子位置，為事故處理提供參考。故障處理完畢后需手按FA按鈕（先合后分），恢復RS觸發(fā)器初始狀態(tài)。

d.監(jiān)測系統(tǒng)的響應時間僅由其內(nèi)部晶體管傳輸時間決定，一般可達ns級，總時間對于電力系統(tǒng)而言可忽略不計，即可認為監(jiān)測系統(tǒng)為瞬時響應。

1.3 存在的問題

雖然從定性層面上來看，由于實際的運算放大器增益僅為一個相對較大的有限值，若此時選擇合適的Rogowki線圈互感，則可認為絕緣子正常時泄漏電流的響應電壓uA≈0，這個小電壓一般不會使光耦內(nèi)二極管動作。但是文獻[14]未能從數(shù)學層面上充分考慮到正常運行時絕緣子泄漏電流帶來的負面影響，由理論分析可知，若考慮泄漏電流，則圖1所示系統(tǒng)在絕緣子正常運行時可能會誤動作。

2 2種改進的絕緣子閃絡快速監(jiān)測系統(tǒng)

本文提出了2種改進的絕緣子閃絡快速監(jiān)測系統(tǒng)，這2種監(jiān)測系統(tǒng)均能成功避免絕緣子泄漏電流帶來的負面影響，同時還增加了防信號過沖功能以及自動復歸功能。

2.1 第1種改進的絕緣子閃絡快速監(jiān)測系統(tǒng)

2.1.1 基本情況

圖2為第1種改進的絕緣子閃絡快速監(jiān)測系統(tǒng)的原理示意圖，它和圖1系統(tǒng)相比有3點不同。

a.增加了雙向擊穿二極管VD。雙向擊穿二極管VD的作用是防止信號過沖，即避免Rogowski線圈輸出電壓過大而損壞電子元件。

b.將無限大增益運放換成了增益調(diào)整電路。增益調(diào)整電路的作用是將Rogowski線圈輸出的電壓u成比例（比例系數(shù)為A）地轉(zhuǎn)換為光耦電路的輸入電壓 uout（即實現(xiàn) uout=Au），該電路可通過多種方式實現(xiàn)，本文給出了一種簡單的實現(xiàn)方式，如圖3所示。

圖2 改進的絕緣子閃絡快速監(jiān)測系統(tǒng)1Fig.2 Improved insulator flashover rapid monitoring system 1

圖3 一種增益調(diào)整電路Fig.3 A kind of gain adjustment circuit

c.增加了自動／手動復歸選擇開關S1和時間繼電器J及其輔助觸點（延時閉合瞬時斷開常開觸點）。自動／手動復歸選擇開關S1、時間繼電器J及其輔助觸點共同實現(xiàn)了對監(jiān)測系統(tǒng)復歸方式的控制：當S1在位置2時為手動復歸方式，時間繼電器J退出使用，監(jiān)測系統(tǒng)動作切除閃絡故障后需人工手動復歸（使FA觸點先合后分），復歸后Q端輸出為0；當S1在位置1時為自動復歸方式，時間繼電器J投入使用，監(jiān)測系統(tǒng)動作（Q端置1）后經(jīng)過延時J會自動復歸，即時間繼電器輔助觸點J會自動先合，使Q端置0，然后時間繼電器J失電，觸點J斷開，Q端保持為0。時間繼電器J的動作時刻應滯后于閃絡故障消失時刻并留有一定裕度，即延遲應大于斷路器開斷時間并留有一定裕度。

2.1.2 工作原理

絕緣子泄漏電流的有效值一般為mA級，而閃絡電流一般可達kA級，即可從電流大小明確區(qū)分泄漏電流和閃絡電流。若泄漏電流和閃絡電流的分界值Iset（有效值）、光耦內(nèi)發(fā)光二極管開啟電壓Uth均已確定，且近似認為泄漏電流和閃絡電流均為正弦波，則通過選擇合適的Rogowski線圈互感和增益調(diào)整電路的調(diào)整系數(shù)，即可實現(xiàn)圖2系統(tǒng)對絕緣子閃絡故障的快速監(jiān)測。

可以看出，當Rogowski線圈互感M和增益調(diào)整系數(shù)A滿足式（2）、（3）時，圖2所示系統(tǒng)就能實現(xiàn)絕緣子閃絡的快速監(jiān)測功能。

當絕緣子沒有發(fā)生閃絡故障時，絕緣子流過的電流為mA級的泄漏電流，此時I1＜Iset，即：

此時光耦IC1及IC2內(nèi)發(fā)光二極管均不發(fā)光，光敏三極管截止，觸發(fā)器不動作，Q端輸出始終為0。

若t=0時刻絕緣子發(fā)生閃絡故障，作如下假設。

a.t=0-時刻絕緣子流過的泄漏電流瞬時值為B。

b.絕緣子上的電壓為：

c.閃絡時絕緣子等效電阻為Re。

不考慮雙向擊穿二極管VD對u的限制以及運放實現(xiàn)增益調(diào)整時運放偏置電壓對uout的限制，則：

即閃絡時IC1或IC2內(nèi)發(fā)光二極管亮，相應光敏三極管導通，S端瞬時置1，Q端輸出為1并且保持。

不難看出，若考慮雙向擊穿二極管VD對u的限制以及運放實現(xiàn)增益調(diào)整時運放偏置電壓對uout的限制，則uout的最大值會減小，但對其最小值沒有影響，即在發(fā)生閃絡故障瞬間uout還是大于Uth，監(jiān)測系統(tǒng)的動作不變。

發(fā)生故障后Q端可與保護裝置配合，先于主保護作用于絕緣子相鄰斷路器跳閘，快速切除故障，避免由采樣數(shù)據(jù)窗帶來的延時。同時，Q端還可與測控裝置配合作用于后臺報警，向運行人員告知閃絡絕緣子位置，為事故處理提供參考。

若自動／手動復歸選擇開關S1在位置2，則在故障處理完畢后需手按FA按鈕，恢復基本RS觸發(fā)器至初始狀態(tài)，以便下一次閃絡時監(jiān)測系統(tǒng)正常使用。若開關S1在位置1，則監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過一定延時后會自動復歸。

若Rogowski線圈互感M可調(diào)，則圖2系統(tǒng)中的增益調(diào)整電路可去除。此時M的整定值為：

2.2 第2種改進的絕緣子閃絡快速監(jiān)測系統(tǒng)

2.2.1 基本情況

圖4為第2種改進的監(jiān)測系統(tǒng)，它和第1種改進的監(jiān)測系統(tǒng)相比，在增益調(diào)整電路的前面增加了積分電路。積分電路的作用是將Rogowki線圈的輸出電壓進行積分，即：

假設：t=0為監(jiān)測系統(tǒng)安裝時刻，此時絕緣子無閃絡故障，其中流過很小的泄漏電流；t=a為閃絡發(fā)生時刻，此時絕緣子流過很大的閃絡電流。則有：

即在絕緣子發(fā)生閃絡時，積分電路將Rogowki線圈的輸出電壓通過積分轉(zhuǎn)變成和絕緣子中流過電流成正比的電壓量。

2.2.2 工作過程

泄漏電流和閃絡電流的瞬時值的大小區(qū)別亦非常明顯，若泄漏電流和閃絡電流的最大值的分界值iset（瞬時值）、光耦的發(fā)光二極管開啟電壓Uth均已確定，則通過選擇合適的Rogowski線圈互感M、增益調(diào)整電路調(diào)整系數(shù)A，即可實現(xiàn)圖4系統(tǒng)對絕緣子閃絡故障的快速監(jiān)測。

可見，當M、A滿足下列關系就能實現(xiàn)上述功能：

當絕緣子沒有發(fā)生閃絡故障時，絕緣子流過的電流為mA級的泄漏電流，此時，即：

此時光耦IC1及IC2內(nèi)發(fā)光二極管均不發(fā)光，光敏三極管截止，觸發(fā)器不動作，Q端輸出始終為0。

當絕緣子發(fā)生閃絡故障時，絕緣子流過的電流為閃絡電流，此時，即：

此時光耦IC1或IC2內(nèi)發(fā)光二極管發(fā)光，對應光敏三極管導通，觸發(fā)器立即動作，Q端輸出為1并保持。

圖4 絕緣子閃絡快速監(jiān)測系統(tǒng)2Fig.4 Improved insulator flashover rapid monitoring system 2

3 改進的閃絡監(jiān)測系統(tǒng)相關電氣量波形圖

發(fā)生故障后圖2或圖4系統(tǒng)的Q端可與二次裝置配合，先于主設備保護作用于絕緣子相鄰斷路器跳閘，快速切除故障，避免由采樣數(shù)據(jù)窗帶來的延時。假設：絕緣子在t=a時發(fā)生閃絡故障，t=a-時絕緣子泄漏電流過零；絕緣子相鄰斷路器開斷時間為40 ms；ωa+φ=-π／2+2kπ；開關 S1在位置 1；時間繼電器延時整定為60 ms。閃絡故障發(fā)生后，圖2及圖4所示系統(tǒng)相關電氣量的波形分別見圖5及圖6。

圖5 改進的閃絡監(jiān)測系統(tǒng)1相關電氣量波形圖Fig.5 Waveforms of relevant electrical parameters of improved rapid monitoring system 1

圖6 改進的閃絡監(jiān)測系統(tǒng)2相關電氣量波形圖Fig.6 Waveforms of relevant electrical parameters of improved rapid monitoring system 2

圖6中，若絕緣子閃絡電流有效值為D、監(jiān)測系統(tǒng)電流定值iset已確定，則可計算出閃絡發(fā)生時刻與監(jiān)測系統(tǒng)響應時刻的時間差Δt：

4 改進閃絡監(jiān)測系統(tǒng)在閃絡預警中的應用

絕緣子絕緣異常發(fā)展成閃絡故障需要一定時間，泄漏電流的異常變大可作為絕緣閃絡預警的依據(jù)?？梢钥闯鰣D2和圖4系統(tǒng)中，若定值Iset或iset選擇為閃絡預警值（mA級），且輸出Q端不作用于跳閘時，這2個系統(tǒng)均可作為閃絡預警系統(tǒng)。當泄漏電流超過定值時，監(jiān)測系統(tǒng)可通過多種方式作用于報警（如“聲”、“光”、“光字牌”），為設備狀態(tài)診斷提供參考。

5 結(jié)語

本文提出了2種改進的絕緣子閃絡快速監(jiān)測系統(tǒng)，這2種系統(tǒng)均可避免泄漏電流帶來的負面影響。當選擇合適的參數(shù)時，這2種系統(tǒng)亦可實現(xiàn)絕緣子閃絡預警功能，為絕緣子運行狀態(tài)的診斷提供參考。