變電站10kV開(kāi)關(guān)柜絕緣子剩余電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孔令強(qiáng)+惠勇鋒+馬琰

摘 要：本文通過(guò)對(duì)10kV開(kāi)關(guān)柜絕緣子剩余電流在線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)10kV開(kāi)關(guān)柜中存在的六路絕緣子剩余電流的目標(biāo)，同時(shí)該系統(tǒng)重新增加了警示功能，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)在對(duì)絕緣子的剩余電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，可以在超過(guò)閾值范圍時(shí)做出警示，并且傳感器的安裝過(guò)程較為簡(jiǎn)易，不會(huì)阻礙絕緣子及開(kāi)關(guān)柜功能的發(fā)揮，同時(shí)也能達(dá)到安全距離的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。因此對(duì)變電站10kV開(kāi)關(guān)柜絕緣子剩余電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)進(jìn)行研究是極其必要的。

關(guān)鍵詞：變電站10kV開(kāi)關(guān)柜；絕緣子；剩余電流；在線監(jiān)控系統(tǒng)

絕緣子在開(kāi)關(guān)柜中起著承載、固定截流母線的作用，同時(shí)它還是截流母線相互之間能夠?qū)Φ亟^緣的組成部件，所以絕緣子由于強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而被大范圍的應(yīng)用于變電站的配電裝置中，故絕緣子是否處于安全運(yùn)行環(huán)境下，可以直接對(duì)影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。通常情況下造成開(kāi)關(guān)柜絕緣子故障的關(guān)鍵原因?yàn)椋洪_(kāi)關(guān)柜內(nèi)環(huán)境潮濕，造成絕緣子老化變形、絕緣體受損及其表面清潔程度低等，但是綜合來(lái)看絕緣子存在的問(wèn)題都是通過(guò)剩余電流表現(xiàn)出來(lái)的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 剩余電流傳感器

剩余電流傳感器的運(yùn)行原理根據(jù)實(shí)際需求的不同，也存在一定的差異性，而本文在不考慮其他因素的前提下，只對(duì)電磁耦合工作原理進(jìn)行研究，并且其結(jié)構(gòu)組成形式是基于單匝穿心式為主。傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中最為關(guān)鍵的部件就是鐵芯及線圈，而鐵心則可以選擇用導(dǎo)磁作用強(qiáng)的坡莫合金材料，線圈的側(cè)邊二次功能區(qū)還需要用漆包線對(duì)其纏繞，環(huán)繞圈數(shù)為20圈，其中的一次側(cè)邊及二次功能區(qū)域都需要做出分離處理，并以磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)二者的耦合，將比例調(diào)整為以對(duì)應(yīng)二十，除此之外，傳感器的線性度范圍也要做出控制，并使其保持在最佳范圍內(nèi)。

1.2 剩余電流信號(hào)放大電路

當(dāng)電流傳感器二次線圈傳出剩余電流信號(hào)時(shí)，需要通過(guò)屏蔽電纜將絕緣信號(hào)反射到調(diào)理板上，將精準(zhǔn)度控制在0.1%，而阻值為10Ω精密電阻也就轉(zhuǎn)變成為電壓信號(hào)了，所以電阻所顯示的也就是信號(hào)，因此為了使傳遞的信號(hào)都能維持統(tǒng)一性，這就需要適當(dāng)?shù)脑黾舆\(yùn)放芯片，這種芯片能夠?qū)㈦娐贩糯螅⑶业燃?jí)的不同，放大功效也就大不相同。本文中所涉及的是一級(jí)運(yùn)放芯片，它不僅可以將原始信號(hào)進(jìn)行比較大的放大，還能夠?qū)㈦娏髌茊?wèn)題控制在最小范圍內(nèi)。一般情況下，幾乎所有的傳感器都存在溫漂及時(shí)漂，這是由于濕度傳感器在運(yùn)行過(guò)程中，都需要與空氣中的水汽相互接觸，所以不能密封，雖然使用壽命是有限的，但是運(yùn)行期間卻能夠充分保證穩(wěn)定性及安全性。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果將放大倍數(shù)進(jìn)行設(shè)置以后，就需要確認(rèn)R值，當(dāng)剩余電流信號(hào)過(guò)于微弱時(shí)，就可以運(yùn)用設(shè)備再將倍數(shù)進(jìn)行放大，這就需要結(jié)合實(shí)際需求增加倍數(shù)。在完成兩級(jí)電路放大以后，屏蔽電纜輸出的剩余電流信號(hào)就會(huì)呈現(xiàn)出總體加倍現(xiàn)象，而剩余電流信號(hào)的放大電路圖如圖1所示。

1.3 剩余電流信號(hào)濾波電路

當(dāng)剩余電流信號(hào)被二次放大后，環(huán)境高頻噪聲干擾問(wèn)題就會(huì)隨之發(fā)生，并存在于剩余電流信號(hào)中，這將會(huì)對(duì)信號(hào)的處理造成極為嚴(yán)重的影響，因此為了提高信號(hào)處理效率，就需要對(duì)噪聲進(jìn)行過(guò)濾清除，在此過(guò)程中可以應(yīng)用低通濾波設(shè)備將放大信號(hào)進(jìn)行處理及控制。濾波器通常由兩級(jí)濾波電路共同組合而成，對(duì)芯片的選用也是具有一定規(guī)格要求的，而四階濾波電路的實(shí)際功效及運(yùn)行頻率也存在一定界限范圍。

1.4 多路選擇及隔離電路的設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理部分的結(jié)構(gòu)包括由六個(gè)調(diào)理電路，這六部分絕緣筒的剩余電流信號(hào)在傳輸過(guò)程中可以進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換、電路放大及噪聲濾波，各路信號(hào)都就有控制自身線路的功能，可以自行開(kāi)關(guān)，而后剩余電流信號(hào)就可以達(dá)到隔離運(yùn)算放大器，最后需要從放大器出發(fā)進(jìn)入中央處理器再次進(jìn)行處理。多路選擇開(kāi)關(guān)器的選擇最為關(guān)鍵的就是要保證開(kāi)關(guān)的靈敏度及高速模擬運(yùn)轉(zhuǎn)，內(nèi)設(shè)芯片則要作為信號(hào)的控制引腳。其中可以選取增益值為1的隔離運(yùn)算放大器對(duì)數(shù)字地及模擬地進(jìn)行阻隔，從而達(dá)到維護(hù)單片機(jī)處理系統(tǒng)正常運(yùn)行的作用。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

提取6路觸頭盒剩余電流的傳感器，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)絕緣信號(hào)調(diào)理板調(diào)理后，由多路選擇器選通輸出1路進(jìn)入XC878單片機(jī)進(jìn)行采樣，因此，通過(guò)單片機(jī)對(duì)多路選擇器地址控制，可以使6路絕緣信號(hào)共享1路AD輸入通道。程序設(shè)計(jì)中，單片機(jī)輪流對(duì)6路絕緣信號(hào)進(jìn)行采樣，每采完1路存儲(chǔ)完成后再進(jìn)行下一路采樣并存儲(chǔ)，直到6路采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成再進(jìn)行各路數(shù)據(jù)的計(jì)算，如有絕緣故障或異常，則報(bào)警。剩余電流信號(hào)的處理程序流程圖如圖2。

3 剩余傳感器的安裝

絕緣子的主要組成成分為環(huán)氧絕緣件，其表面的剩余電流信號(hào)為1～100μA交流信號(hào)，為了捕獲該信號(hào)，本文采用接觸式引流環(huán)結(jié)構(gòu)。引流環(huán)捕獲的剩余電流信號(hào)通過(guò)電流傳感器線圈的隔離、同軸電纜傳輸以及信號(hào)調(diào)理電路后，通過(guò)系統(tǒng)的主控板，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子表面絕緣性能的在線監(jiān)測(cè)。此處采用高性能的進(jìn)口導(dǎo)電膠涂制成引流環(huán)來(lái)收集觸頭盒表面剩余電流，導(dǎo)電膠的主要成分為環(huán)氧樹(shù)脂和銀粉。

為了均勻的涂抹導(dǎo)電膠，絕緣子表面鑿出2mm（深）×3mm（寬）的凹槽用于涂抹引流環(huán)。此外，固定螺釘能夠保證單芯屏蔽線與引流環(huán)的充分電接觸。鐵芯和線圈通過(guò)強(qiáng)絕緣性能的硅凝膠密封于傳感器屏蔽殼之中，以防傳感器振動(dòng)，傳感器外殼采用鐵磁材料，具有一定的電磁抗干擾特性。剩余電流傳感器前端通過(guò)單芯屏蔽線與引流環(huán)中的螺孔固定連接，后端通過(guò)雙芯屏蔽線與絕緣信號(hào)調(diào)理板連接，以增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾強(qiáng)度。為了節(jié)省空間，6個(gè)剩余電流傳感器安裝于開(kāi)關(guān)柜的儀表板后面。

4 整體試驗(yàn)調(diào)試

為了便于單片機(jī)的精確運(yùn)算，還需要得到6路剩余電流測(cè)量電路的最終擬合函數(shù)。在完成了剩余電流傳感器線性度及調(diào)理電路放大倍數(shù)試驗(yàn)調(diào)試后，還需挑選線性度較好的6個(gè)傳感器與6路信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行固定匹配，如1號(hào)傳感器與第1路調(diào)理電路連接。在匹配完成后，使調(diào)試電壓Ui從0～7V之間逐漸升高，記錄電壓Uo的值并按照?qǐng)D10的方法繪制輸入輸出曲線，利用MATLAB即可擬合出6路剩余電流測(cè)量電路的最終函數(shù)。單片機(jī)通過(guò)測(cè)量得到的電壓Uo值，通過(guò)該路的擬合函數(shù)即可反運(yùn)算出前端的剩余電流。

參考文獻(xiàn)

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