暫態(tài)過電壓在線監(jiān)測技術(shù)研究及實測數(shù)據(jù)分析

趙桂娟，耿東勇

(晉城煤業(yè)集團供電分公司，山西 晉城 048006)

0 引言

電力系統(tǒng)中的各種絕緣在運行過程中除了長期受到工作電壓的作用外，還會受到各種比工作電壓高很多的過電壓的短時作用［1］。系統(tǒng)承受的各種過電壓大都是各種暫態(tài)過電壓，目前國內(nèi)的普通錄波裝置是在系統(tǒng)發(fā)生嚴重短路事故時才開始工作，系統(tǒng)遭受嚴重事故前的各種過電壓都沒有進行有效的監(jiān)測，非常不利于系統(tǒng)的安全運行，而且普通故障錄波裝置錄取的波形時間都非常短，不利于事故的分析，給徹底解決各種過電壓引起的事故帶來很大影響，嚴重威脅著設(shè)備及電網(wǎng)的安全運行［2-3］。

電力系統(tǒng)中的變電設(shè)備隨時都可能會受到雷電過電壓或操作過電壓的侵襲，當變電站出線較多或處于多雷區(qū)時，雷電過電壓會隨線路入侵造成故障;當系統(tǒng)進行切空載線路和變壓器等操作時會產(chǎn)生內(nèi)部過電壓;當系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障會產(chǎn)生弧光接地過電壓。這些過電壓幅值都非常高(可達系統(tǒng)工作電壓的2～5倍)。當保護配置不當或保護器有缺陷時，過電壓很可能對一次變電設(shè)備造成危害。一些絕緣存在缺陷或老化的變電設(shè)備，在較高的過電壓作用下更容易造成絕緣擊穿，在工頻電壓作用下都有可能出現(xiàn)故障。應(yīng)用于電網(wǎng)中的故障錄波裝置主要記錄的是工頻的故障波形，對暫態(tài)過電壓的高頻信號則難以記錄。因此，電網(wǎng)中有必要安裝能自動跟蹤記錄暫態(tài)過電壓出現(xiàn)的時間、幅值和波形的裝置。這些波形的大量采集、分析，將形成過電壓診斷的專家系統(tǒng)，進行自動分類識別［4-7］。

該過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r記錄35 kV系統(tǒng)發(fā)生各種過電壓事故時的數(shù)據(jù)、在過電壓發(fā)生時能完整準確記錄過電壓的實際變化過程、記錄保存過電壓的波形和各種參數(shù)、存儲事故發(fā)生前后過電壓的情況、區(qū)分出各種過電壓類型，并綜合分析給出系統(tǒng)解決方向。

1 系統(tǒng)簡介

(1)該系統(tǒng)實現(xiàn)了基于工控機的WINDOWS NT操作系統(tǒng)平臺上真正32位的在線故障錄波分析軟件，具有廣泛的先進性。實現(xiàn)了真正的GPS故障錄波時標系統(tǒng)，各采集記錄單元由GPS時鐘同步信號控制數(shù)據(jù)采集。采集卡線程獨立完成數(shù)據(jù)采集、故障檢驗、錄波啟動、故障數(shù)據(jù)保存。

(2)該系統(tǒng)提供四個通道的高速同步測量，可同時監(jiān)測系統(tǒng)母線的各相瞬態(tài)、暫態(tài)過電壓波形數(shù)據(jù)。每通道的采樣頻率最高為30 MHz/s(一般設(shè)為單通道20 MHz/s)，A/D分辨率為12Bit。每通道緩存最高可達8 M字節(jié)(4 M采樣點)，一次過電壓觸發(fā)能記錄7個工頻周期的系統(tǒng)正常電壓波形、3 000個工頻周期(1分鐘)時間的暫態(tài)過電壓波形，記錄時間為60秒;能夠隨時監(jiān)測各相過電壓的發(fā)生過程，自動采集記錄每次過電壓事件，并自動存儲至硬盤，每次過電壓記錄自動依次寫入數(shù)據(jù)庫，均含波形、記錄時間等數(shù)據(jù)。具有完善的通信功能，能夠通過遠端計算機終端控制系統(tǒng)運行，也能遠距離(GPRS/GSM)將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)送至運行管理部門。

(3)該系統(tǒng)原理示意圖，如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)由依次連接的高壓限流熔斷器、寬頻電壓傳感器、控制器、交換機和工控機等幾部分組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 暫態(tài)過電壓監(jiān)測系統(tǒng)原理示意圖

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

(1)高壓限流熔斷器:規(guī)格型號為 XRNP1-40.5/0.5-31.5.

(2)寬頻電壓傳感器:帶寬0 MHz～100 MHz，高精度，無飽和;能夠準確檢測系統(tǒng)中各種工頻及高頻過電壓，有效保證采集信號、波形不失真;能夠長期在系統(tǒng)最高工作電壓下安全運行。

(3)控制器:采用20 M高速采樣卡(PCI接口)對采樣信號實施50 ns A/D轉(zhuǎn)換，確保采樣數(shù)據(jù)精準;CPU采用 2.0G INTEL＆DSP雙處理單元技術(shù)實施分析處理，嵌入式美國TI的DSP互為監(jiān)測，確保產(chǎn)品的可靠性。

3 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)可對三相電壓信號進行實時監(jiān)測和分析。根據(jù)分析結(jié)果判斷電路故障，對故障電壓進行故障錄波?？膳袛嗟墓收项愋碗妷洪W變、電壓變動、雷擊過電壓、操作過電壓、三相不平衡度、電壓的暫升暫降和零序電壓過高等。軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。軟件流程圖如圖4所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖

(1)電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):初始化采集卡參數(shù)打開數(shù)據(jù)采集開并完成配置，啟動數(shù)據(jù)采集卡開始采集數(shù)據(jù);建立數(shù)據(jù)采集線程。建立對數(shù)據(jù)采集卡的監(jiān)測線程，實時監(jiān)控采集卡的狀態(tài)，管理采集卡數(shù)據(jù)讀取線程;建立多個采集卡的數(shù)據(jù)讀取線程，將數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中生成數(shù)據(jù)記錄，供其它程序使用;判斷是否有過電壓(雷擊和操作);對于過電壓故障保存過電壓數(shù)據(jù)和發(fā)出告警;將高頻的采集數(shù)據(jù)進行處理，便于后續(xù)的計算和分析。

圖4 軟件流程圖

(2)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng):對系統(tǒng)內(nèi)的各種操作和故障、采集數(shù)據(jù)進行保存和讀取的管理系統(tǒng);對于故障錄波數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量大寫入時間短的原因放在文件數(shù)據(jù)中直接讀取和寫入;有自我修復功能，對于由突然停電的故障造成對數(shù)據(jù)庫的損壞能自行修復。

(3)電壓故障分析報警系統(tǒng):對處理后采集數(shù)據(jù)進行分析做出故障判斷;故障類型分別是:弧光、暫升、暫降、中斷、不平衡度、諧波畸變和電壓波動;發(fā)現(xiàn)電壓故障時，記錄電壓故障啟動故障錄波，并將信息傳給數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)和故障報警管理系統(tǒng)。

(4)故障報警管理系統(tǒng):接收到故障信息，可在主界面彈出故障警報和故障錄波，并將故障記錄傳給短信報警系統(tǒng);對于并發(fā)性的故障根據(jù)故障的優(yōu)先級，選取優(yōu)先級高的故障進行報警。

(5)短信報警系統(tǒng):錄入短信接收人員的信息;讀取短信人員的數(shù)據(jù);接收到故障記錄后;生成短信內(nèi)容，發(fā)送的手機號碼;發(fā)送短信。

(6)DSP串口通訊系統(tǒng):通過串口訪問消諧裝置，讀取消諧控制器監(jiān)測的數(shù)據(jù)和報告;修改消諧控制器的參數(shù)和發(fā)出動作。

(7)GPS串口通訊系統(tǒng):讀取GPS信息，同步控制器的時鐘。

(8)103規(guī)約錄波上傳系統(tǒng):按照電力103規(guī)約通過以太網(wǎng)上傳故障錄波信息。

4 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

(1)在實驗室對標準雷電過電壓進行了模擬實驗，監(jiān)測圖如圖5所示。

(2)現(xiàn)場應(yīng)用

在某站35 kV兩回線路上分別安裝了一套暫態(tài)過電壓監(jiān)測系統(tǒng)。用于監(jiān)測整個片區(qū)35 kV系統(tǒng)的電壓情況。2014年4月16日20:28∶27，當?shù)乩子晏鞖猓诖蚶缀?，運行人員發(fā)現(xiàn)暫態(tài)過電壓監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)生告警，告警信息為B相雷擊過電壓。經(jīng)過對整個片區(qū)所屬6個35 kV變電站避雷器動作情況摸排。發(fā)現(xiàn)片區(qū)系統(tǒng)中的有1個變電站35 kV線路B相避雷器動作。由暫態(tài)過電壓監(jiān)測系統(tǒng)實測波形可以看出35 kV線路B相有遭受過電壓侵襲。實測雷擊過電壓波形如圖6所示。

圖5 標準雷電過電壓監(jiān)測圖

圖6 實測雷擊過電壓波形

5 結(jié)束語

通過該系統(tǒng)能夠?qū)崟r記錄35 kV電力系統(tǒng)發(fā)生各種過電壓事故時的數(shù)據(jù)、在過電壓發(fā)生時能完整準確記錄過電壓的實際變化過程、記錄保存過電壓的波形和各種參數(shù)、存儲事故發(fā)生前后過電壓的情況、區(qū)分出各種過電壓類型。為過電壓的防治提供科學，準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

［1］趙大智.高電壓技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，1998

［2］張重遠，黃濤，任寅寅，等.應(yīng)用電站設(shè)備寬頻特性的過電壓在線監(jiān)測裝置［J］.高電壓技術(shù)，2011，37(2):310-317.

［3］劉強，張元芳.過電壓在線監(jiān)測技術(shù)的研究［J］.華東電力，2002，31(8):5-8.

［4］夏小飛，魯鐵成，董濤，等.基于DSP技術(shù)的過電壓在線監(jiān)測裝置的研制［J］.高電壓技術(shù)，2002，32(4):111-113.

［5］楊海生，劉玲.一種用于配電網(wǎng)的新型過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電力科學與工程，2012，28(5):16-20.

［6］李偉，湯海燕，黃倩，等.配電網(wǎng)過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究［J］.電測與儀表 2012，49(2):80-83.

［7］夏燕莉，鐘建靈，周瑜.深圳過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)研究及實測數(shù)據(jù)分析［J］.西北水電，2011，30(1):55-58.