高壓電容型電氣設(shè)備介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

訾士才，田　鵬，李　旭，曲禎煜，王文超

(1.國(guó)網(wǎng)新源敦化抽水蓄能有限公司，吉林　敦化　133700；2.嫩江縣電業(yè)局，黑龍江　嫩江　161400；

3.國(guó)網(wǎng)丹東供電公司振安分公司，遼寧　振安　118000；4.東北電力大學(xué)，吉林　吉林　132012)

隨著先進(jìn)的傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及光纖通信技術(shù)等的進(jìn)步，使現(xiàn)代電力工業(yè)發(fā)展擺脫了以往的技術(shù)條件限制，依靠對(duì)高壓設(shè)備絕緣的不停電在線監(jiān)測(cè)替代了傳統(tǒng)脫離實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的離線監(jiān)測(cè)方式，大力推動(dòng)了同步在線監(jiān)測(cè)與診斷的應(yīng)用與普及[1-3]。電壓作用下的各種電介質(zhì)即絕緣材料均存在能量損耗，介質(zhì)損耗會(huì)導(dǎo)致絕緣溫度上升，加速絕緣材料老化，因此，介質(zhì)損耗的大小是衡量電容型電氣設(shè)備絕緣水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)是反映絕緣介質(zhì)損耗大小的特征量，由絕緣材料的介電特性決定，與介質(zhì)的大小、形態(tài)等無(wú)關(guān)，其準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)判斷電容型電氣設(shè)備的絕緣水平具有重要作用。以下設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)終端的硬件電路結(jié)構(gòu)，提出了一種基于過(guò)零比較和絕對(duì)測(cè)量相結(jié)合的測(cè)量新技術(shù)，并綜合采用趨勢(shì)分析法和相對(duì)比較法，提出一種以電氣設(shè)備tanδ相對(duì)值變化為依據(jù)的絕緣診斷策略，提高了絕緣診斷的靈敏度，保證了較高的設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

1　介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量原理

1.1　過(guò)零比較測(cè)量原理

(1)

式中：

圖1　過(guò)零比較法測(cè)量原理框圖

過(guò)零比較法原理見(jiàn)圖2。首先利用采樣電路中的傳感器捕捉電流、電壓信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)，然后通過(guò)一定的邏輯將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波脈沖信號(hào)，電壓、電流信號(hào)的相位差則可由脈沖的寬度表征，最后測(cè)量方波的寬度并換算得到被試樣品的介損。過(guò)零比較法的關(guān)鍵在于如何通過(guò)精確捕捉電壓、電流信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)到方波信號(hào)的高精確轉(zhuǎn)換。

圖2　過(guò)零比較原理

1.2　絕對(duì)測(cè)量原理

當(dāng)高壓套管發(fā)生絕緣劣化時(shí)，其故障特征一方面表現(xiàn)為增大；另一方面表現(xiàn)為一個(gè)或多個(gè)分層電容擊穿短路，導(dǎo)致C增加。絕對(duì)測(cè)量原理及其向量圖見(jiàn)圖3。

圖3　絕對(duì)測(cè)量原理及其向量圖

圖中，C1為工頻電壓下的設(shè)備末屏傳感器等值電容。該方法通過(guò)提取高壓母線的電壓向量U和套管末屏分壓電容電壓向量U1，計(jì)算得到二者夾角的tanθ。由于C1?C，近似取tanδ?tanθ，因此通過(guò)測(cè)量tanθ就可間接計(jì)算得到介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ的值，即：

(2)

式中δ=90°-φx。

2　絕緣診斷方法

2.1　趨勢(shì)分析法

高壓電氣設(shè)備絕緣故障可分為：

a.突發(fā)性的放電或擊穿，表現(xiàn)為絕緣參數(shù)的階躍變化；

b.緩慢發(fā)展的絕緣故障，表現(xiàn)為緩慢而持續(xù)增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，且不可逆轉(zhuǎn)。潛在的各類不同因素使在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出高分散性的特點(diǎn)，少量數(shù)據(jù)難以保證故障狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確程度，但通過(guò)一段時(shí)間內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)可在一定程度上反映設(shè)備的絕緣狀況。如在某段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)緩慢而持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，則設(shè)備可能存在潛伏性故障，此時(shí)就可通過(guò)趨勢(shì)分析法對(duì)設(shè)備的絕緣狀態(tài)作出分析、預(yù)測(cè)。

2.2　相對(duì)比較法

在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理過(guò)程僅能夠消除隨機(jī)因素對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量的影響，但運(yùn)行電壓、頻率波動(dòng)、電壓互感器(TV)電壓基準(zhǔn)、相間耦合以及環(huán)境、溫度等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響依然存在,僅通過(guò)經(jīng)預(yù)處理后數(shù)據(jù)的靜態(tài)絕對(duì)值進(jìn)行絕緣診斷，會(huì)對(duì)結(jié)果造成較大偏差。考慮同一母線、同一相、采用同一TV電壓基準(zhǔn)測(cè)量的多臺(tái)同類設(shè)備，其絕緣結(jié)構(gòu)相似，處于相同運(yùn)行條件和環(huán)境條件下，測(cè)量結(jié)果受到的影響相似，測(cè)量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出同步變化的跡象。絕緣狀況良好的設(shè)備，其測(cè)試結(jié)果應(yīng)基本相同，若數(shù)據(jù)存在明顯差異，則能夠判斷該設(shè)備的絕緣異常。因此依據(jù)電氣設(shè)備的相對(duì)值變化作為故障診斷的依據(jù)，能夠大大提高故障診斷的靈敏度，保證較好的穩(wěn)定性。

3　在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用

3.1　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)工程實(shí)際要求，本設(shè)計(jì)的電容型電氣設(shè)備介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件和下位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置兩部分構(gòu)成 。前端各監(jiān)測(cè)單元以AT89C51單片機(jī)為核心，通過(guò)RS-485總線與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)后臺(tái)完成數(shù)據(jù)交換，監(jiān)測(cè)單元安裝于現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3.1.2下位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)主要應(yīng)用數(shù)字地址標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和上傳功能，上位機(jī)利用得到的上傳數(shù)據(jù)運(yùn)算得出。其具體工作流程為：主機(jī)給某臺(tái)從機(jī)發(fā)出采樣指令，數(shù)字地址相符的從機(jī)接收指令并唯一即時(shí)響應(yīng)，完成同步整周期的信號(hào)采樣，并運(yùn)算得出該監(jiān)測(cè)單元的。主機(jī)依次指令其他各從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，在一定時(shí)間內(nèi)完成一輪對(duì)所有監(jiān)測(cè)單元的測(cè)量。

為提高介質(zhì)損耗因數(shù)在線監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，選擇從與容性設(shè)備末屏串聯(lián)的分壓電容提取工頻電壓信號(hào)，采用一種基于絕對(duì)測(cè)量和過(guò)零比較法相結(jié)合的測(cè)量新方法。系統(tǒng)以站內(nèi)信息管理系統(tǒng)為中心，以安裝在各被監(jiān)測(cè)設(shè)備上的前端數(shù)據(jù)采集裝置為節(jié)點(diǎn)，通過(guò)RS-485總線構(gòu)成分層分布式系統(tǒng)，其工作原理見(jiàn)圖5。

圖5　系統(tǒng)工作原理框圖

將傳感器捕捉的母線TV二次側(cè)電壓參考信號(hào)和高壓容性設(shè)備末屏分壓信號(hào)經(jīng)幅值調(diào)整作適當(dāng)放大，輸入低通濾波器濾掉高次諧波，經(jīng)過(guò)零比較轉(zhuǎn)換為方波由單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果通過(guò)RS-485總線傳入站內(nèi)信息管理系統(tǒng)。

3.1.3監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)

前端監(jiān)測(cè)裝置主要由CPU、信號(hào)提取單元、前向通道單元、溫度及濕度傳感器等構(gòu)成，監(jiān)測(cè)終端框圖見(jiàn)圖6。

圖6　監(jiān)測(cè)終端框圖

a.裝置的數(shù)字電路裝置的數(shù)字電路，主要包括采用Intel AT89C51芯片的CPU，以及與其關(guān)聯(lián)的譯碼芯片、時(shí)鐘芯片、EPROM、FLASH存儲(chǔ)器、看門狗電路等。

b.信號(hào)變換及預(yù)處理。信號(hào)經(jīng)TV后得到5 V交流電壓信號(hào)，然后經(jīng)低通濾波器濾掉高次諧波，最后經(jīng)過(guò)零比較環(huán)節(jié)輸出反映信號(hào)過(guò)零時(shí)刻的方波。

c.低通濾波電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波減小輸入噪聲干擾。已知R12、C12、R13、R14為電阻、電容。

(3)

(4)

(5)

由于有源低通濾波器的性能好壞還與所用的運(yùn)放性能有關(guān)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量采用低溫漂、低失調(diào)電壓、高精度的運(yùn)算放大器。

3.2　現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用

依托東北電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目，于2016年4月在東北某水電廠220 kV升壓站完成了電容型電氣設(shè)備電容和介質(zhì)損耗因數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝和調(diào)試，目前系統(tǒng)運(yùn)行正常，各項(xiàng)功能和指標(biāo)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。奇次諧波±1.0讀數(shù)，監(jiān)測(cè)終端技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　監(jiān)測(cè)終端技術(shù)指標(biāo)

4　結(jié)論

基于相對(duì)比較法和趨勢(shì)分析法相結(jié)合，設(shè)計(jì)了介質(zhì)損耗因數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)采集裝置的軟硬件結(jié)構(gòu)，提出了一種基于絕對(duì)測(cè)量和過(guò)零比較法相結(jié)合的介損因數(shù)測(cè)量新方法。研究成果在東北電網(wǎng)公司某水電廠220 kV升壓站投入應(yīng)用，設(shè)備運(yùn)行可靠，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確，運(yùn)行性能良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]王子軍.變電站電容設(shè)備介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2010.

[2]王紅亮,黃新波,王宏,等.智能變電站電容型設(shè)備介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)IED設(shè)計(jì)[J].高壓電器,2012,48(1):1-6.

[3]劉偉,黃新波,章云.電容型高壓設(shè)備介損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)采集單元設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2010,18(1): 233-236.