商小峰，段 彬，魏澤民

（嘉興電力局，浙江 嘉興 314000）

0 引言

電力系統(tǒng)中，電容型電氣設(shè)備包括電容型套管、電容型電流互感器（TA）、電容型電壓互感器（TV）及耦合電容器（OY）等，數(shù)量約占變電站設(shè)備總臺數(shù)的40%～50%，其穩(wěn)定運行對變電站十分重要[1-2]。因此，對電容型電氣設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測具有重要意義。

介質(zhì)損耗角δ或介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ僅與絕緣材料的性質(zhì)有關(guān)，與絕緣材料的尺寸大小和形狀無關(guān)，是電介質(zhì)的固定值。因此，通常通過測量電容型設(shè)備的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ來判斷設(shè)備的絕緣狀況[3-4]。目前δ或tanδ的離線測量多使用西林電橋法，在線監(jiān)測也可基于電橋原理，但由于電橋測量存在成本高、不易運輸、不易現(xiàn)場在線測量的缺點，因此應(yīng)用較少?，F(xiàn)場在線監(jiān)測多采用數(shù)字測量技術(shù)，其優(yōu)點是過程自動化、數(shù)據(jù)可分析、表現(xiàn)手段更直觀，易于集成更大、更廣泛的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[5-6]。

電容型電氣設(shè)備的絕緣在線監(jiān)測主要分為電流/電壓信號提取、介質(zhì)損耗角測量、tanδ監(jiān)測值的數(shù)據(jù)處理及絕緣狀況故障診斷幾個部分，其中電流/電壓信號的采樣方式是基礎(chǔ)和關(guān)鍵，也是易受溫度、濕度、系統(tǒng)諧波及系統(tǒng)電壓影響的環(huán)節(jié)[7-10]。因此，本文對電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測中的電流/電壓采樣環(huán)節(jié)進(jìn)行了現(xiàn)場實踐。

1 電流/電壓采樣現(xiàn)場實踐

1.1 電容型設(shè)備在線監(jiān)測項目應(yīng)用背景

嘉興電力局是浙江省變電設(shè)備在線監(jiān)測項目建設(shè)試點單位，電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)已應(yīng)用于220kV大德變電站。該變電站投運于2006年11月，已完成的變電設(shè)備在線監(jiān)測項目包括：主變壓器油色譜狀態(tài)監(jiān)測、主變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測、110kV及以上避雷器的絕緣在線監(jiān)測（無線通信傳輸方式）、SF6氣體微水密度在線監(jiān)測、TA及TV絕緣在線監(jiān)測等。

1.1.1 電容型設(shè)備在線監(jiān)測實施技術(shù)路線

電容型設(shè)備在線監(jiān)測的主要對象是大德變電站內(nèi)110kV及220kV的TA和線路避雷器。監(jiān)測裝置采用分布式結(jié)構(gòu)，在每臺或每組被監(jiān)測設(shè)備附近安裝本地測量單元，可就地把被測的電氣信號變成數(shù)字量，并通過數(shù)字化的通信總線傳送到系統(tǒng)主機，較好地解決了模擬信號的長距離傳輸問題，并且具有較強的抗沖擊性能?，F(xiàn)場安裝過程中，每臺電容型設(shè)備安裝1套監(jiān)測單元，每個監(jiān)測單元為1U或2U高的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。當(dāng)現(xiàn)場的電容型設(shè)備過多時，可以考慮增加1個電容型設(shè)備監(jiān)測綜合單元（IED）。不同的電容型設(shè)備監(jiān)測單元通過485總線接入到綜合監(jiān)測單元（可串接6個端口）。當(dāng)有多個IED時，要在柜子里加裝光纖交換機，每個IED接到交換機上，然后統(tǒng)一由交換機拉光纖至主控室的光纖交換機。電壓采集單元從220kV和110kV的正副段母線TV端子箱測量線圈對應(yīng)端子中引出TV電壓信號；電流采集單元從電容型設(shè)備（TA、避雷器）末屏采集電流信號。

1.1.2 信號取樣裝置的技術(shù)要求

從測量精度與安全考慮，對電壓和電流采集設(shè)備提出了設(shè)備選型要求：

（1）不應(yīng)改變被測設(shè)備原有的結(jié)構(gòu)。

（2）在取樣點安裝可靠的保護(hù)裝置。

（3）不影響耦合電容器的通信回路。

1.2 電容型設(shè)備介質(zhì)損耗的測量原理

數(shù)字測量法可大致分為直接測量法（如過零點時差法）和信號重建法[5]，早期多采用前者。過零點時差法是通過計數(shù)器方式獲得2個信號的時間差，再根據(jù)信號周期轉(zhuǎn)換成相位差。該方法對硬件電路的穩(wěn)定性要求較高，電路自身的漂移、諧波干擾的影響均是難以克服的問題。

目前應(yīng)用較多的是信號重建法。信號重建法是根據(jù)采樣數(shù)據(jù)重建電流、電壓的正弦波形，再由波形參數(shù)求得φ，從而得到δ，采用傅立葉分析法、正弦參數(shù)法、相關(guān)系數(shù)法和高階正弦擬合法。其中，以傅立葉FFT分析法應(yīng)用最為廣泛。本文所述現(xiàn)場應(yīng)用系統(tǒng)采用全數(shù)字化的快速傅里葉變換方法（FFT）來求取信號相差，優(yōu)點是無需使用復(fù)雜的模擬處理電路，長期工作的穩(wěn)定性可得到保證，且能有效抑制諧波干擾的影響。具體原理如圖1所示。

圖1 電容型設(shè)備介質(zhì)損耗及電容量參數(shù)監(jiān)測原理

測量原理如下：進(jìn)行電流/電壓信號采樣時，母線TV的二次電壓信號Un經(jīng)過電阻R變換為電流信號In，由安裝在TV下方的本地測量單元LU1進(jìn)行檢測，電容型設(shè)備Cx的末屏電流信號Ix則由本地測量單元LU2檢測。在中央監(jiān)控器CU的控制下，2個本地測量單元LU1及LU2的信號采集系統(tǒng)同時啟動，對傳感器輸出的模擬電壓信號進(jìn)行同步采樣及FFT變換處理，得到輸入信號Un及Ux相對于220 Vac工作電源Us的基波相位Ph（n-s）和 Ph（x-s）。 中央監(jiān)控器 CU 只需通過現(xiàn)場通信總線讀取LU1及LU2對應(yīng)的相位測量結(jié)果，即可計算出電容型設(shè)備末屏電流信號Ix相對于母線電壓Un的相位差Ph，從而獲得其介質(zhì)損耗tanδ和電容量Cx等絕緣參數(shù)。

1.3 電流采樣單元的現(xiàn)場實踐

電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測需要提取設(shè)備末屏接地電流信號，此電流十分微弱，通常為毫安級。目前現(xiàn)場使用的信號采集方式主要有直接耦合和磁性耦合，前者是將試品電流轉(zhuǎn)化為較高的電壓（如幾十伏）輸出，用模擬量傳輸，受電磁干擾較大，而且要改變試品的接地方式；后者一般采用單匝穿芯傳感器，分為有源和無源2種類型，都不改變試品原來的接地方式，較前者有更高的安全保證[11]。磁性耦合的電流互感器通常選用無源電流傳感器或有源電流傳感器。文獻(xiàn)[11]中指出：無源電流傳感器在傳輸過程中極易受外界噪聲信號的干擾而失真，直接影響整體測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。有源是指在電流傳感器的輸出端加入有源運算放大器，將傳感器二次端的電壓輸出信號放大后再進(jìn)行傳輸，以提高被測信號的信噪比，降低外界干擾信號對測量結(jié)果的影響，使測試系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。因此，從提高在線監(jiān)測系統(tǒng)測量精度的角度考慮，目前大多采用有源電流傳感器。

現(xiàn)場實踐中采用有源電流傳感器。為了提高測量精度和抗干擾能力，選用的傳感器具有以下特點：

（1）選用起始導(dǎo)磁率較高、損耗較小的坡莫合金作鐵芯。外殼由鑄鋁合金材料壓鑄而成，在電流和溫度大范圍變化情況下，能夠確保變換的準(zhǔn)確度，絕對比差控制在±0.01%。

（2）通過對激磁電流的補償，使傳感器近似工作在“零磁通”狀態(tài)[12]，輸入/輸出信號的角差控制在±0.01°范圍內(nèi)。

（3）采用鐵、銅、坡莫合金為屏蔽結(jié)構(gòu)，具有較強的抗干擾能力及良好的電磁兼容性能。

1.4 電壓采樣單元的現(xiàn)場實踐

目前國內(nèi)大多數(shù)電容型設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)都采用TV的二次側(cè)電壓作為基準(zhǔn)電壓與試品電流相比較[11]。獲取基準(zhǔn)電壓的主要方法是從電壓傳感器TV的二次側(cè)獲得，其影響測量準(zhǔn)確性的主要因素有TV二次負(fù)荷、勵磁電流和一次電壓參數(shù)的變化。通常母線電壓波動不會超過±10%，所以對角差的影響不大；電壓變化不大，勵磁電流也基本穩(wěn)定，故影響δ的主要因素為二次負(fù)荷的變化[7]。TV二次負(fù)載變化引起的角差變化很大，對電容型設(shè)備的tanδ影響很大；TV的準(zhǔn)確性越差，對tanδ值測量的影響就越大[13]。

TV一般有2～3個二次繞組，分別供繼電保護(hù)和測量儀表，其中供繼電保護(hù)的精度為0.5級，供測量儀表的為0.2級。因此在現(xiàn)場實踐中，從剩余的測量儀表引出基準(zhǔn)電壓，其測量角差為±10′，即相當(dāng)于±0.3%的介質(zhì)損耗測量絕對誤差。由于所采用的0.2級繞組無其他負(fù)載，角差基本穩(wěn)定，為了進(jìn)一步穩(wěn)定測量數(shù)據(jù)，在測量系統(tǒng)中給予補償。

2 介質(zhì)損耗測量數(shù)據(jù)分析

2.1 介質(zhì)損耗測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

為了校驗測量電容型變電設(shè)備絕緣在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，對1號主變壓器220kV開關(guān)流變TA的介質(zhì)損耗進(jìn)行了多次在線測試。為了在相似情況下討論介質(zhì)損耗在線測量的準(zhǔn)確性，選擇了具有代表性的10組數(shù)據(jù)，如表1所示，測量溫度范圍為38℃～40℃、濕度范圍38%～42%。

從表 1可以看出，當(dāng)溫度在38℃～40℃、濕度在38%～42%，電壓頻率在49.95～50.05 Hz時，A相、B相和C相TA的介質(zhì)損耗測量值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。為了更好地確定其在線測量的穩(wěn)定性，在相同的環(huán)境下，以現(xiàn)場西林電橋測量值為基準(zhǔn)，將在線測量介質(zhì)值同基準(zhǔn)值進(jìn)行了比較，A相、B相、C相的介質(zhì)損耗相對誤差分別為0.29%，0.33%和0.25%。由此看出，在這種現(xiàn)場應(yīng)用方式下所測得電壓互感器介質(zhì)損耗的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較高，均小于0.4%。

2.2 介質(zhì)損耗測量數(shù)據(jù)受環(huán)境影響情況

文獻(xiàn)[9]指出：良好絕緣在允許的電壓范圍內(nèi)，其tanδ隨電壓升高應(yīng)無明顯變化。三相系統(tǒng)母線電壓隨時間變化如圖2所示，A/B/C三相母線變壓波動范圍分別為±1.35%，±1.23%和±1.21%，母線電壓基本穩(wěn)定。因此，本文主要討論介質(zhì)損耗受環(huán)境因素變化的影響情況。

2.2.1 溫度對介質(zhì)損耗測量的影響

為研究電容型設(shè)備介質(zhì)損耗受環(huán)境變化的影響情況，記錄了2012年7月10日—2012年7月16日，2條線路的A/B/C三相TA介質(zhì)損耗測量值，數(shù)據(jù)曲線如圖3、圖4所示。線路TA的相關(guān)信息如表2所示。

從圖3可以看出，溫度隨著時間呈現(xiàn)周期變化，線路1的A/B/C三相TA介質(zhì)損耗隨著溫度的周期性變化也呈現(xiàn)周期性變化趨勢。同時，隨著溫度的升高，TA的介質(zhì)損耗降低；溫度降低，TA的介質(zhì)損失值升高。A/B/C相TA的介質(zhì)損耗最大變化范圍分別為0.4%，0.45%和0.55%。

表1 電流互感器介質(zhì)損耗在線監(jiān)測數(shù)據(jù)%

表2 線路TA設(shè)備信息

從圖4可以看出，線路2的三相TA介質(zhì)損耗隨著溫度的變化也呈現(xiàn)一定的周期變化。與線路1相比較，線路2的三相TA的介質(zhì)損耗變化范圍更小，A/B/C三相分別為0.1%，0.15%和0.14%，變化周期更小。

分析原因是線路1的TA運行時間為5年，線路2的TA運行時間為2年?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)線路2的TA表面清潔狀況較線路1的TA表面狀況要好，這說明經(jīng)過一定時間的運行后，污垢程度對介質(zhì)損耗也有一定影響。

2.2.2 濕度對介質(zhì)損耗測量的影響

從圖5可以看出，濕度隨著時間呈現(xiàn)周期變化，線路1的A/B/C三相TA的介質(zhì)損耗值隨著濕度的周期性變化也呈現(xiàn)周期性變化趨勢。同時，隨著濕度的增加，TA的介質(zhì)損耗值增加；濕度減小，TA的介質(zhì)損耗值降低。

為了更好地觀察濕度對線路1和線路2的TA介損影響，選擇了2條線路的B相進(jìn)行對比分析，如圖6所示?？梢钥闯?，線路1的B相TA介質(zhì)損耗與濕度的變化趨勢完全一致，而線路2的B相TA介質(zhì)損耗與濕度變化的一致性較差。

2.2.3 溫度、濕度對介質(zhì)損耗測量的綜合影響

針對上述分析，發(fā)現(xiàn)對線路1的TA而言，其介質(zhì)損耗變化與溫度和濕度的變化周期基本一致，與溫度的變化成反比，與濕度的變化成正比，可以認(rèn)為溫度和濕度對線路1的TA介質(zhì)損耗影響基本相同。但是，對于線路2的TA而言，其介質(zhì)損耗變化趨勢受溫度和濕度影響的規(guī)律性較差，無明顯周期。其中，在如圖7所示的圓圈時間范圍內(nèi)，線路2的B相TA介質(zhì)損耗隨著濕度的增加而降低，而該范圍內(nèi)溫度卻是上升的。這說明對線路2的B相TA而言，溫度對其介損的影響大于濕度的影響。從而說明，對不同運行年限的電容型設(shè)備，溫度和濕度對其介質(zhì)損耗的影響是不同的。

圖2 母線電壓隨時間的變化趨勢

圖3 線路1的三相TA介質(zhì)損耗測量值

3 結(jié)語

220kV大德變電站電容型設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況穩(wěn)定，其現(xiàn)場實施為下階段電容型設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)推進(jìn)工作積累了寶貴經(jīng)驗。

（1）用諧波分析法進(jìn)行介質(zhì)損耗測量，采用本地單元對電流/電壓信號進(jìn)行同步采樣和相位比較計算的方式有較好的抗干擾能力和精度。

（2）在電流信號取樣時，采用有源零磁通傳感器能將輸入/輸出信號的角差控制在±0.01°范圍內(nèi)，具有更高的準(zhǔn)確性。

圖4 線路2的三相TA介質(zhì)損耗測量值

圖5 線路1的三相TA介質(zhì)損耗測量值

圖6 相同濕度條件下不同TA的介損變化

圖7 相對濕度與線路2的B相TA介損變化關(guān)系

（3）在母線電壓信號取樣時，應(yīng)盡量選擇負(fù)載較小的儀表測量用的TV二次繞組。

（4）對不同運行年限的電容型設(shè)備，溫度和濕度對其介損的影響是不同的。

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