高速鐵路牽引變電所220 kV干式電流互感器介質(zhì)損耗值在線監(jiān)測(cè)研究

鄧建峰

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高速鐵路牽引變電所220 kV干式電流互感器介質(zhì)損耗值在線監(jiān)測(cè)研究

鄧建峰

(新鄉(xiāng)供電段，河南 新鄉(xiāng)453000)

為了解決離線預(yù)防性試驗(yàn)監(jiān)測(cè)京廣高鐵牽引變電所220 kV干式電流互感器存在的諸多問(wèn)題，依據(jù)絕緣介損的物理模型，采用過(guò)零監(jiān)測(cè)比較法，設(shè)計(jì)一套220 kV干式電流互感器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，認(rèn)真分析了電流傳感器、高次諧波、過(guò)零比較器失調(diào)電壓和零漂以及環(huán)境溫濕度等因素對(duì)tan值測(cè)量精度的影響。并針對(duì)影響精度的不同因素，提出了相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)措施。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明，裝置實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)tan值結(jié)果與設(shè)備離線實(shí)測(cè)結(jié)果完全吻合，且運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠，滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的要求。

220 kV干式電流互感器；在線監(jiān)測(cè)；介損；測(cè)量準(zhǔn)確度；過(guò)零檢測(cè)比較法

0 引言

鄭州鐵路局新鄉(xiāng)供電段管轄的石武高鐵牽引變電所，自2012年6月開(kāi)始帶電運(yùn)行至今，衛(wèi)輝、鶴壁東、新集3個(gè)牽引變電所220 kV干式電流互感器先后發(fā)生3次事故，特別是2013年7月19日16時(shí)，鶴壁東變電所電流互感器1LH·C相二次繞組絕緣擊穿，事故造成京廣高鐵鶴壁至安陽(yáng)間供電中斷，給石武高鐵的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)嚴(yán)重影響。針對(duì)這種干式電流互感器的結(jié)構(gòu)，按照目前干式電流互感器常規(guī)的離線監(jiān)測(cè)方法，該型電流互感器所有的試驗(yàn)項(xiàng)目都合格，卻發(fā)生了運(yùn)行中的220 kV干式電流互感器絕緣擊穿事故，說(shuō)明現(xiàn)有的離線監(jiān)測(cè)手段無(wú)法檢測(cè)到該型電流互感器內(nèi)部絕緣放電現(xiàn)象。如何及時(shí)、準(zhǔn)確、迅速地判斷干式電流互感器的運(yùn)行狀態(tài)，確保高鐵供電安全，做到防患于未然，需要尋找一種新的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速鐵路牽引變電所220 kV干式電流互感器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[1-2]。

1 絕緣介損在線監(jiān)測(cè)原理

電氣設(shè)備絕緣介損tan值是檢測(cè)設(shè)備絕緣受潮、劣化等狀態(tài)的重要指標(biāo)，是“高速鐵路牽引變電所運(yùn)行檢修規(guī)程”[3](鐵運(yùn)總【2015】48號(hào))規(guī)定的預(yù)防性絕緣試驗(yàn)主要項(xiàng)目之一。圖1為絕緣介損tan值的等值電路與相量圖。

圖1 絕緣介損tand值的等值電路與相量圖

根據(jù)圖1(a)等值電路，可以得到絕緣介損tan值數(shù)學(xué)表達(dá)式：

盡管絕緣介損因數(shù)tan數(shù)值很小，測(cè)試相當(dāng)困難，但是，上述計(jì)算表達(dá)式從理論上提供了通過(guò)測(cè)量電壓和電流的之間的功率因數(shù)角來(lái)獲取tan的途徑。

按照上述理論，可通過(guò)計(jì)算加在絕緣介質(zhì)上兩個(gè)正弦信號(hào)過(guò)零時(shí)的時(shí)間差值求出信號(hào)的相位差，進(jìn)而得到介質(zhì)損耗值，如圖2所示。

Fig. 2 Diagram of zero-crossing comparison

過(guò)零比較法是最早應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)對(duì)絕緣介損值進(jìn)行測(cè)量較為成功的一種方法[4]，主要原理是對(duì)施加到絕緣介質(zhì)上的電壓及電流的過(guò)零時(shí)刻12值進(jìn)行比較，二者的相位差表達(dá)式為

式中，為周期，從而求得介損角

如圖2 (a)所示，加在絕緣介質(zhì)上的原始電壓、電流信號(hào)間存在一個(gè)相位差，如能通過(guò)采樣電路采集到如圖2(b)所示的電流信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)，如圖2 (c)所示的電壓信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)，就能通過(guò)數(shù)字邏輯電路得到如圖 2(d)所示的寬度為的方波信號(hào)。方波信號(hào)的寬度反映了電流及電壓信號(hào)的相位差，測(cè)量出脈沖寬度，即可求得介質(zhì)損耗值tan，其表達(dá)式為

該測(cè)量方法具有線性好、分辨率高、誤差小、易數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)，但是由于存在著諧波分量，電壓、電流的過(guò)零點(diǎn)可能會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致信號(hào)過(guò)零點(diǎn)偏移而存在測(cè)量誤差。影響因素主要有：諧波的頻率、畸變率、初相角及溫度，其中波形畸變和溫度引起的零線漂移導(dǎo)致信號(hào)過(guò)零點(diǎn)偏移最為嚴(yán)重，在一定程度上限制了該方法的應(yīng)用[5]。上述測(cè)量方法存在的弊端，可通過(guò)濾波移相電路和雙向過(guò)零檢測(cè)技術(shù)消除。

干式電流互感器內(nèi)部存在放電隱患時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生絕緣體溫度升高、泄漏電流增加、tan值急劇變化等物理特征，利用上述絕緣介損在線監(jiān)測(cè)原理，設(shè)計(jì)一套在線監(jiān)測(cè)裝置，采用高精度的微電流傳感器提取干式電流互感器內(nèi)部放電引起的絕緣體溫度變化、泄漏電流等技術(shù)參數(shù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及邏輯診斷，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)220 kV干式電流互感器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，從而方便技術(shù)人員跟蹤管理，及時(shí)采取應(yīng)急措施，保證高鐵供電安全可靠。

2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的220 kV電流互感器絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖3所示。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與處理單元接收的信號(hào)主要來(lái)自母線TV信號(hào)變換器、泄漏電流傳感器、絕緣材料內(nèi)部溫度傳感器，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后，傳送到數(shù)字電路模塊、控制顯示、報(bào)警等電路。其中TV信號(hào)變換器為純阻性，產(chǎn)生的TV電壓信號(hào)作為監(jiān)測(cè)信號(hào)的相位基準(zhǔn)參考值；電流信號(hào)是運(yùn)用精密的泄漏電流傳感器測(cè)量220 kV干式電流互感器絕緣末屏的泄漏電流；絕緣材料溫度信號(hào)來(lái)自預(yù)埋在220 kV干式電流互感器絕緣材料中三個(gè)不同位置的溫度傳感器。電壓、電流和溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的放大、濾波，其作用是消除高次諧波干擾，將模擬信號(hào)放大到高速數(shù)據(jù)采集模塊(A/D)采樣的最佳范圍。數(shù)字電路模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、存儲(chǔ)等功能，是整個(gè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理單元的核心。顯示電路在液晶顯示屏上顯示當(dāng)前介損、泄漏電流、絕緣電容、絕緣材料溫度的大小，當(dāng)在線監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到上述監(jiān)測(cè)值超過(guò)設(shè)定的安全閥值時(shí)發(fā)出報(bào)警聲音?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與處理單元計(jì)算得到的監(jiān)測(cè)數(shù)通過(guò)RS485接口上傳。

圖3 220 kV電流互感器在線監(jiān)測(cè)裝置原理圖

3 影響測(cè)量精度的關(guān)鍵技術(shù)及其解決方法

3.1 末屏微電流信號(hào)的精確提取

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是通過(guò)監(jiān)測(cè)絕緣泄漏電流的大小來(lái)判斷220 kV干式流互內(nèi)部放電情況，因此，泄漏電流傳感器的性能對(duì)測(cè)量容性設(shè)備介質(zhì)損耗的精度和可靠性至關(guān)重要[6-7]。為保證信號(hào)的取樣和電氣設(shè)備的運(yùn)行安全，泄漏電流傳感器一般采用穿芯結(jié)構(gòu)，但如電流互感器(CT)、電壓互感器(PT)這類的電氣設(shè)備，它們自身的泄漏電流均在mA級(jí)，數(shù)值很小，傳統(tǒng)的無(wú)源傳感器根本無(wú)法保證相位變換誤差的精確度、穩(wěn)定性，難以滿足在線測(cè)量要求。采用有源零磁通技術(shù)來(lái)提高小電流檢測(cè)精度是最好方案。

為解決此問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)可選用電磁式穿芯小電流傳感器。電流傳感器的鐵芯要選用損耗小、起始導(dǎo)磁率高的坡莫合金，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鐵芯全自動(dòng)補(bǔ)償，還要采用獨(dú)特的深度負(fù)反饋技術(shù)，使鐵芯在理想的零磁通狀態(tài)下工作測(cè)[8-9]。工程使用表明，這種穿芯結(jié)構(gòu)(孔徑25 mm) 傳感器的設(shè)計(jì)不僅更能保證被測(cè)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，而且能夠準(zhǔn)確檢測(cè)100 μA~700 mA的工頻電流，相位變換誤差也小于0.01o，基本上不需要任何修改或校正。而且，它具有極好的電磁場(chǎng)抗干擾能力和溫度特性，互換性極強(qiáng)，完全能滿足高速鐵路牽引變電所復(fù)雜的電磁環(huán)境下設(shè)備取樣的精確度。

3.2 諧波的治理

過(guò)零點(diǎn)的測(cè)量是過(guò)零比較法測(cè)量介質(zhì)損耗角的關(guān)鍵，要求極高，波形畸變對(duì)測(cè)量精度的影響極大。由于電力系統(tǒng)中各種非線性元件以及牽引負(fù)荷電力機(jī)車的影響，牽引變電所3次及以上高次諧波含量豐富，這些諧波將導(dǎo)致電流波形發(fā)生畸變，使電流過(guò)零點(diǎn)產(chǎn)生漂移，從而影響tan的測(cè)量結(jié)果。

為解決高次諧波導(dǎo)致電流波形發(fā)生畸變，可設(shè)計(jì)一個(gè)三階的低通濾波器，低通濾波器的截止頻率設(shè)定為50 Hz，過(guò)濾掉電網(wǎng)上的諧波，但濾波器會(huì)引起相移誤差。相角測(cè)量準(zhǔn)確度對(duì)tan的測(cè)量結(jié)果影響極大，為達(dá)到更好的相頻特性，可在濾波電路前加移相電路，以保證電流波形經(jīng)過(guò)濾波移相電路后，相位不發(fā)生改變。具體電路如圖4所示。

硬件濾波可以將大量高次諧波濾除，但濾波之后信號(hào)波形依然有一定含量的低次諧波，硬件很難用濾波的方法將基波準(zhǔn)確分離，可在軟件算法上采用高精度FFT算法對(duì)波形進(jìn)行處理。由于其內(nèi)在的正交性，F(xiàn)FT算法可以精確地從畸變波形中提取出基波信號(hào)，計(jì)算速度也很快。

圖5為設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)濾波前后的信號(hào)波形。圖5(a)為濾波前的信號(hào)波形，圖5(b)為濾波后的信號(hào)波形。

3.3 過(guò)零比較器失調(diào)電壓和零漂的克服

在線監(jiān)測(cè)設(shè)備一般室外安裝，較大的溫差以及其他一些因素引起的直流分量會(huì)引起過(guò)零比較器的失調(diào)電壓及零漂，從而嚴(yán)重影響tan的測(cè)量精度，可采用雙向過(guò)零檢測(cè)技術(shù)來(lái)克服零漂的影響。在軟件設(shè)計(jì)中，假設(shè)溫漂使信號(hào)零線上移，如果用正向過(guò)零檢測(cè)，則兩個(gè)信號(hào)的過(guò)零時(shí)間差會(huì)變?。蝗绻秘?fù)向過(guò)零檢測(cè)，則兩個(gè)信號(hào)的過(guò)零時(shí)間差會(huì)變大，取兩者平均值則可使測(cè)量值更接近于真實(shí)值[10-11]。圖6為在線監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)電壓、電流相位方波。

圖4 濾波移相電路

(a) 濾波前的信號(hào)波形

(b) 濾波后的信號(hào)波形

圖5 在線監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)濾波前后的信號(hào)波形

Fig. 5 Waves of before and after filtering using online measurement device

圖6 裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行是電壓電流相位方波

黑色方波是電流相位波形，灰色為電壓相位波形，圖6中所示為裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行示波器記錄下的一個(gè)周期的波形，為負(fù)向過(guò)零監(jiān)測(cè)時(shí)刻差，為正向過(guò)零監(jiān)測(cè)時(shí)刻差。由絕緣介損過(guò)零比較監(jiān)測(cè)原理，得介損計(jì)算式為

最后，考慮到在線監(jiān)測(cè)裝置長(zhǎng)期在戶外工作，裝置運(yùn)行的溫濕度會(huì)影響數(shù)據(jù)測(cè)量、傳輸和計(jì)算的準(zhǔn)確性，可在裝置內(nèi)部安裝溫濕度控制器，對(duì)試品周圍環(huán)境溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度過(guò)低或過(guò)高時(shí)，啟動(dòng)加/散熱裝置，保證監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行在一個(gè)相對(duì)恒定的溫度中，提高數(shù)據(jù)測(cè)量的可靠性和準(zhǔn)確性。裝置成品設(shè)計(jì)時(shí)，由于通?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備所處的電磁環(huán)境相當(dāng)惡劣，因此，需將電路板封閉在金屬殼內(nèi)，以有效屏蔽外部電磁干擾的影響。

4 干式電流互感器tand實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)情況

按照上述220 kV干式電流互感器監(jiān)測(cè)原理以及要解決的影響測(cè)量精度的關(guān)鍵技術(shù)，我們成功的研制了一套絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置。目前，該裝置已經(jīng)在京廣高鐵鶴壁東牽引變電所運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)行220 kV干式電流互感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為驗(yàn)證在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，我們使用QS1雙臂電橋?qū)﹄x線的220 kV干式電流互感tan進(jìn)行測(cè)試，兩組測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量的tan值與離線實(shí)測(cè)的tan值的最大相對(duì)誤差為1.25%，平均相對(duì)誤差為0.795%，如此小的誤差完全可以用在線裝置代替試驗(yàn)儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)220 kV干式電流互感器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

表1 在線監(jiān)測(cè)tand值與離線實(shí)測(cè)值比較

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高鐵牽引變電所220 kV干式電流互感器常規(guī)的預(yù)防性監(jiān)測(cè)手段無(wú)法檢測(cè)到其內(nèi)部絕緣放電現(xiàn)象，結(jié)合絕緣介損在線監(jiān)測(cè)原理，設(shè)計(jì)了220 kV干式電流互感器tan實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)方案，并研制了一套絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置。該裝置采用過(guò)零檢測(cè)比較法來(lái)測(cè)量CT絕緣介損變化，監(jiān)測(cè)裝置硬件采用高精度傳感器、溫度傳感器等數(shù)字電路設(shè)計(jì)，消除了影響在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置準(zhǔn)確度的各種因素，保證在任何干擾下實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)220 kV干式電流互感器的tan值。研制的在線監(jiān)測(cè)裝置在京廣高鐵鶴壁東牽引變電所投入運(yùn)行以來(lái)，性能穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)精度高，在線監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果完全吻合。

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結(jié)合醫(yī)院管理要求：從環(huán)境來(lái)看，干凈整潔，無(wú)污染源，具有獨(dú)立性，流水線工作，管理為封閉式，不會(huì)受到外界影響。合理劃分回收污染物品和清潔物品的包裝及無(wú)菌物品發(fā)放區(qū)域，利用強(qiáng)制性通過(guò)方式規(guī)定污染區(qū)、清潔區(qū)和無(wú)菌區(qū)路線，禁止逆行。

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(編輯 張愛(ài)琴)

Research on high speed railway traction substation 220 kVdry type current transformer dielectric loss value on-line monitoring

DENG Jianfeng

(Xinxiang Power Supply Bureau, Xinxiang 453000, China)

In order to solve some problems of the off-line preventive test monitoring of Beijing-Guangzhou high-speed rail traction substation 220 kVdry type current transformer, and on the basis of the insulation dielectric loss of physical model, this paper uses the zero monitoring comparison method and designs a set of 220 kV dry type current transformer real-time online monitoring device. In the design process, it carefully analyzes influence on the tan delta value measurementprecision caused by current sensor, high order harmonic, zero-crossing comparator offset voltage, zero drift, environmental temperature and humidity, etc. According to the different factors influencing the accuracy, the corresponding technical improvement measures are put forward. Field operation shows that the tan delta value results of real-time online monitoring accord with that of offline measurements, it has stable running and reliable work, and can meet the requirements of field operation.

220 kV dry type current transformer; on-line monitoring; dielectric loss; measurement accuracy; zero-crossing detection comparison

10.7667/PSPC160162

2016-01-28；

2016-03-05

鄧建峰(1973-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事高速鐵路供電的研究與應(yīng)用工作。E-mail: 8412770@qq.com