電容式電壓互感器絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃火明

摘 要：電網(wǎng)的安全運(yùn)行關(guān)乎著人們的切身利益，為了確保電容式電壓互感器安全可靠的運(yùn)行，本文針對電容式電壓互感器設(shè)計(jì)出絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)，并提出了電容式電壓互感器在線監(jiān)測的方案以及建立電容式電壓互感器等值電路，進(jìn)而推論出介質(zhì)損耗角正切值和電容量的電力計(jì)算公式，具體分析了絕緣性能在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括電流信號采集電路、電壓信號采集電路和A/D采樣電路等等。此監(jiān)測系統(tǒng)已在我國某省500kV變電站實(shí)施掛網(wǎng)運(yùn)行，其在線監(jiān)測結(jié)果也驗(yàn)證了在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的精準(zhǔn)度與有效性。

關(guān)鍵詞：電容式電壓互感器;在線監(jiān)測;介質(zhì)損耗

1.引言

電容式電壓互感器是電容分壓器與電磁單元組合成的電器設(shè)備。電容式電壓互感器不僅絕緣性能優(yōu)質(zhì)，而且抗雷電的沖擊能力也比較強(qiáng)，所以電容式電壓互感器一般都用在110千伏及110千伏以上的變電站。電容式電壓互感器在使用過程中，其電容量的變化、絕緣性能的衰退、介質(zhì)損耗等等，這些因素都會直接造成電容式電壓互感器的測量結(jié)果，從而影響到其他繼電保護(hù)的性能。因此，需要工作人員定時(shí)監(jiān)測電容式電壓互感器的絕緣性能。但定時(shí)監(jiān)測也存在著缺陷，比如，定時(shí)檢查的時(shí)效性相對較差等等。所以，利用網(wǎng)絡(luò)對電容式電壓互感器的絕緣性能進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，預(yù)防并及時(shí)檢測出故障，以此確保電力設(shè)備的安全運(yùn)行。

2.絕緣在線監(jiān)測方法

電容式電壓互感器的絕緣性能監(jiān)測接線圖（圖1所示），T1是被監(jiān)測的電容式電壓互感器，T2是與電容式電壓互感器相同位置的母線PT，被監(jiān)測的電量為主電容電流i2和母線PT二次電壓u0。電容式電壓互感器等值電路圖（圖2所示）。由于電容式電壓互感器中間變壓器勵(lì)磁電流的阻抗Zm大于承載的阻抗能力Z2，因此電容式電壓互感器簡化等值電路圖（圖3所示）。圖中KU1 為電容分壓器開路中間電壓，分壓系數(shù)K= C1/（C1+C2）;分壓器的內(nèi)阻抗力XC = 1/[ω（C1+C2）];T1包括補(bǔ)償電抗器的感抗和電阻抗力分別為Xd= XL+XT1+XT2和Rd = RL+RT1+RT2。Z2是二次繞組折算到高壓側(cè)的電阻抗力。

3.在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

我國變電站自動(dòng)化系統(tǒng)主要是由站控層、間隔層、過程層組合而成。過程層把相關(guān)的電力數(shù)據(jù)傳輸?shù)介g隔層進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，然后把收集到的所有信息轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信息并上傳到網(wǎng)絡(luò)層的交換機(jī)上，最后服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)層的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。此外，服務(wù)器通過局域網(wǎng)將監(jiān)測的所有信息遠(yuǎn)傳至相關(guān)單位，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析和研究。

3.1電流信號采集電路

第二次普通單匝線圈電流傳感器的測量需要達(dá)到二千匝以上才能測量出準(zhǔn)確度，但電容式電壓互感器的主電容電流只有毫安級，因匝數(shù)過大使二次輸出的信號較弱，而且容易受到一些干擾。因鐵芯中磁通量的存在，導(dǎo)致電流傳感器所測量的信號存在誤差，不可以達(dá)到在線監(jiān)測的要求。因此，本系統(tǒng)使用了沒有磁通量的電流傳感器來采集泄露電流。沒有磁通量的電流傳感器利用疊加在主互感器上的輔助互感器提供反電動(dòng)勢來補(bǔ)償阻抗產(chǎn)生的壓降，致使主互感器不需要磁通量提供電動(dòng)勢就可實(shí)現(xiàn)沒有磁通量。相比之下，有源式?jīng)]有磁通傳感器具有簡單、可靠性高的特點(diǎn)。

3.2 電壓信號采集電路

電壓互感器的第二次電壓固定額度的輸出值是57.7伏，而一般的A/D芯片所能承受的電平范圍在0～+3伏，所以需要轉(zhuǎn)換成相對較低的電壓才可以傳輸?shù)紸/D進(jìn)行采集。本文先是通過使用高精度鉑電阻進(jìn)行分壓，然后在通過電壓跟隨器將信號送往A/D，此外，還使用了隔離電源的設(shè)計(jì)，以此來確保電壓變換時(shí)的精準(zhǔn)度和信號阻隔。分壓時(shí)的電阻力使用的是0.01級無感高精度鉑電阻力分壓，來實(shí)現(xiàn)大電壓轉(zhuǎn)換為小電壓，確保電壓信號轉(zhuǎn)換過程中的穩(wěn)定性。因分壓電阻力時(shí)會出現(xiàn)一樣的溫度系數(shù)，所以導(dǎo)致整個(gè)電路對溫度系數(shù)的變化不夠敏感。在經(jīng)過了鉑電阻力分壓以后的信號驅(qū)動(dòng)能力相對較弱，不能直接傳輸給A/D進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化，而是需要高精度儀用放大器對信號驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行有效的加強(qiáng)并放大。

3.3 A/D采樣電路

本文使用的是ADI公司生產(chǎn)的AD7606半導(dǎo)體，它實(shí)現(xiàn)了對前端電流信號采集電路、電壓信號采集電路輸出信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD7606可描述為16位、8通道同步采樣，最高采樣率可達(dá)200 kSPS 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。片上集成了模擬輸入箝位保護(hù)、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位逐次逼近型ADC內(nèi)核、數(shù)字濾波器、2.5 V 基準(zhǔn)電壓源及緩沖、高速串行和并行接口。此外AD7606集成了高輸入阻抗的調(diào)理電路，其等效輸入阻抗為1 MΩ。該輸入阻抗值固定，與采樣的頻率無關(guān)，保證了A/D采樣的精準(zhǔn)度。AD7606使用了5 V單電源供電，并同時(shí)支持了±5V的雙極性信號輸入，加強(qiáng)了簡化電路的設(shè)計(jì)。采用ADI的ADR441B作為 A/D 的外置基準(zhǔn)。AD441B 具有超低噪聲 1.2 μV p-p、超低溫漂3 ppm/℃和初始精度2.5 V±1 mV的特性。此外，數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置的內(nèi)部集成溫度傳感器，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測主板的工作溫度，軟件可利用該溫度參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步確保其測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。為了保證信號的隔離和芯片安全，A/D芯片采用隔離供電，A/D芯片與CPU的通訊采用高速光耦隔離。

4.現(xiàn)場運(yùn)行

此監(jiān)測系統(tǒng)已在我國某省500千瓦的變電站實(shí)施了500千瓦線路間隔電容式電壓互感器和母線PT進(jìn)行了掛網(wǎng)運(yùn)行，其應(yīng)用效果良好。因電流傳感器使用的是穿心式電流互感器，不會對運(yùn)行設(shè)備產(chǎn)生影響。電壓信號采集使用的是增加加空開、鉗位保護(hù)電路以及隔離電源等多重的有效保護(hù)措施，以此確保監(jiān)測故障的情況不影響電容式電壓互感器的安全運(yùn)行。

5.結(jié)束語

隨著我國電網(wǎng)的發(fā)展，電容式電壓互感器的運(yùn)用也在電力工程中越來越多，電容式電壓互感器的絕緣性能關(guān)乎著我國電網(wǎng)的安全運(yùn)行和計(jì)量的正確性。利用電容式電壓互感器實(shí)施絕緣檢測不僅是提高電力設(shè)備的可靠性，還是確保電網(wǎng)安全運(yùn)行的有效方法之一。基于此，本文給出了電容式電壓互感器的在線監(jiān)測方案，以期為我國電網(wǎng)提供參考意義。

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