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損耗值在線監(jiān)測研究

鄧建峰

(新鄉(xiāng)供電段，河南 新鄉(xiāng)453000)

為了解決離線預防性試驗監(jiān)測京廣高鐵牽引變電所220 kV干式電流互感器存在的諸多問題，依據絕緣介損的物理模型，采用過零監(jiān)測比較法，設計一套220 kV干式電流互感器實時在線監(jiān)測裝置。在設計過程中，認真分析了電流傳感器、高次諧波、過零比較器失調電壓和零漂以及環(huán)境溫濕度等因素對tan值測量精度的影響。并針對影響精度的不同因素，提出了相應的技術改進措施。現場運行情況表明，裝置實時在線監(jiān)測tan值結果與設備離線實測結果完全吻合，且運行穩(wěn)定，工作可靠，滿足現場運行的要求。

220 kV干式電流互感器；在線監(jiān)測；介損；測量準確度；過零檢測比較法

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月開始帶電運行至今，衛(wèi)輝、鶴壁東、新集3個牽引變電所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，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間供電中斷，給石武高鐵的安全運營帶來嚴重影響。針對這種干式電流互感器的結構，按照目前干式電流互感器常規(guī)的離線監(jiān)測方法，該型電流互感器所有的試驗項目都合格，卻發(fā)生了運行中的220 kV干式電流互感器絕緣擊穿事故，說明現有的離線監(jiān)測手段無法檢測到該型電流互感器內部絕緣放電現象。如何及時、準確、迅速地判斷干式電流互感器的運行狀態(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，實現對高速鐵路牽引變電所220 kV干式電流互感器運行狀態(tài)實時在線監(jiān)測[1-2]。

1 絕緣介損在線監(jiān)測原理

電氣設備絕緣介損tan值是檢測設備絕緣受潮、劣化等狀態(tài)的重要指標，是“高速鐵路牽引變電所運行檢修規(guī)程”[3](鐵運總【2015】48號)規(guī)定的預防性絕緣試驗主要項目之一。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

根據圖1(a)等值電路，可以得到絕緣介損tan值數學表達式：

盡管絕緣介損因數tan數值很小，測試相當困難，但是，上述計算表達式從理論上提供了通過測量電壓和電流的之間的功率因數角來獲取tan的途徑。

按照上述理論，可通過計算加在絕緣介質上兩個正弦信號過零時的時間差值求出信號的相位差，進而得到介質損耗值，如圖2所示。

Fig. 2 Diagram of zero-crossing comparison

過零比較法是最早應用數字化技術對絕緣介損值進行測量較為成功的一種方法[4]，主要原理是對施加到絕緣介質上的電壓及電流的過零時刻12值進行比較，二者的相位差表達式為

式中，為周期，從而求得介損角

如圖2 (a)所示，加在絕緣介質上的原始電壓、電流信號間存在一個相位差，如能通過采樣電路采集到如圖2(b)所示的電流信號的過零點，如圖2 (c)所示的電壓信號的過零點，就能通過數字邏輯電路得到如圖 2(d)所示的寬度為的方波信號。方波信號的寬度反映了電流及電壓信號的相位差，測量出脈沖寬度，即可求得介質損耗值tan，其表達式為

該測量方法具有線性好、分辨率高、誤差小、易數字化的優(yōu)點，但是由于存在著諧波分量，電壓、電流的過零點可能會發(fā)生改變，導致信號過零點偏移而存在測量誤差。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致信號過零點偏移最為嚴重，在一定程度上限制了該方法的應用[5]。上述測量方法存在的弊端，可通過濾波移相電路和雙向過零檢測技術消除。

干式電流互感器內部存在放電隱患時，必然會產生絕緣體溫度升高、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)測原理，設計一套在線監(jiān)測裝置，采用高精度的微電流傳感器提取干式電流互感器內部放電引起的絕緣體溫度變化、泄漏電流等技術參數，運用數學方法進行數據處理及邏輯診斷，就可實現對220 kV干式電流互感器運行狀態(tài)進行實時在線監(jiān)測，從而方便技術人員跟蹤管理，及時采取應急措施，保證高鐵供電安全可靠。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

設計的220 kV電流互感器絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)原理圖如圖3所示?，F場測量與處理單元接收的信號主要來自母線TV信號變換器、泄漏電流傳感器、絕緣材料內部溫度傳感器，經信號調理電路處理后，傳送到數字電路模塊、控制顯示、報警等電路。其中TV信號變換器為純阻性，產生的TV電壓信號作為監(jiān)測信號的相位基準參考值；電流信號是運用精密的泄漏電流傳感器測量220 kV干式電流互感器絕緣末屏的泄漏電流；絕緣材料溫度信號來自預埋在220 kV干式電流互感器絕緣材料中三個不同位置的溫度傳感器。電壓、電流和溫度信號經過調理電路后實現模擬信號的放大、濾波，其作用是消除高次諧波干擾，將模擬信號放大到高速數據采集模塊(A/D)采樣的最佳范圍。數字電路模塊實現數據的采集、計算、存儲等功能，是整個在線監(jiān)測系統(tǒng)處理單元的核心。顯示電路在液晶顯示屏上顯示當前介損、泄漏電流、絕緣電容、絕緣材料溫度的大小，當在線監(jiān)測裝置監(jiān)測到上述監(jiān)測值超過設定的安全閥值時發(fā)出報警聲音。現場測量與處理單元計算得到的監(jiān)測數通過RS485接口上傳。

圖3 220 kV電流互感器在線監(jiān)測裝置原理圖

3 影響測量精度的關鍵技術及其解決方法

3.1 末屏微電流信號的精確提取

在線監(jiān)測系統(tǒng)主要是通過監(jiān)測絕緣泄漏電流的大小來判斷220 kV干式流互內部放電情況，因此，泄漏電流傳感器的性能對測量容性設備介質損耗的精度和可靠性至關重要[6-7]。為保證信號的取樣和電氣設備的運行安全，泄漏電流傳感器一般采用穿芯結構，但如電流互感器(CT)、電壓互感器(PT)這類的電氣設備，它們自身的泄漏電流均在mA級，數值很小，傳統(tǒng)的無源傳感器根本無法保證相位變換誤差的精確度、穩(wěn)定性，難以滿足在線測量要求。采用有源零磁通技術來提高小電流檢測精度是最好方案。

為解決此問題，設計時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、起始導磁率高的坡莫合金，為了能夠實現對鐵芯全自動補償，還要采用獨特的深度負反饋技術，使鐵芯在理想的零磁通狀態(tài)下工作測[8-9]。工程使用表明，這種穿芯結構(孔徑25 mm) 傳感器的設計不僅更能保證被測電氣設備的安全運行，而且能夠準確檢測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抗干擾能力和溫度特性，互換性極強，完全能滿足高速鐵路牽引變電所復雜的電磁環(huán)境下設備取樣的精確度。

3.2 諧波的治理

過零點的測量是過零比較法測量介質損耗角的關鍵，要求極高，波形畸變對測量精度的影響極大。由于電力系統(tǒng)中各種非線性元件以及牽引負荷電力機車的影響，牽引變電所3次及以上高次諧波含量豐富，這些諧波將導致電流波形發(fā)生畸變，使電流過零點產生漂移，從而影響tan的測量結果。

為解決高次諧波導致電流波形發(fā)生畸變，可設計一個三階的低通濾波器，低通濾波器的截止頻率設定為50 Hz，過濾掉電網上的諧波，但濾波器會引起相移誤差。相角測量準確度對tan的測量結果影響極大，為達到更好的相頻特性，可在濾波電路前加移相電路，以保證電流波形經過濾波移相電路后，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確分離，可在軟件算法上采用高精度FFT算法對波形進行處理。由于其內在的正交性，FFT算法可以精確地從畸變波形中提取出基波信號，計算速度也很快。

圖5為設計的在線監(jiān)測裝置現場運行時濾波前后的信號波形。圖5(a)為濾波前的信號波形，圖5(b)為濾波后的信號波形。

3.3 過零比較器失調電壓和零漂的克服

在線監(jiān)測設備一般室外安裝，較大的溫差以及其他一些因素引起的直流分量會引起過零比較器的失調電壓及零漂，從而嚴重影響tan的測量精度，可采用雙向過零檢測技術來克服零漂的影響。在軟件設計中，假設溫漂使信號零線上移，如果用正向過零檢測，則兩個信號的過零時間差會變??；如果用負向過零檢測，則兩個信號的過零時間差會變大，取兩者平均值則可使測量值更接近于真實值[10-11]。圖6為在線監(jiān)測裝置現場運行時電壓、電流相位方波。

圖4 濾波移相電路

(a) 濾波前的信號波形

(b) 濾波后的信號波形

圖5 在線監(jiān)測裝置現場運行時濾波前后的信號波形

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

圖6 裝置現場運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中所示為裝置現場運行示波器記錄下的一個周期的波形，為負向過零監(jiān)測時刻差，為正向過零監(jiān)測時刻差。由絕緣介損過零比較監(jiān)測原理，得介損計算式為

最后，考慮到在線監(jiān)測裝置長期在戶外工作，裝置運行的溫濕度會影響數據測量、傳輸和計算的準確性，可在裝置內部安裝溫濕度控制器，對試品周圍環(huán)境溫濕度進行實時監(jiān)測，當現場溫濕度過低或過高時，啟動加/散熱裝置，保證監(jiān)測裝置運行在一個相對恒定的溫度中，提高數據測量的可靠性和準確性。裝置成品設計時，由于通?，F場監(jiān)測設備所處的電磁環(huán)境相當惡劣，因此，需將電路板封閉在金屬殼內，以有效屏蔽外部電磁干擾的影響。

4 干式電流互感器tand實時在線監(jiān)測情況

按照上述220 kV干式電流互感器監(jiān)測原理以及要解決的影響測量精度的關鍵技術，我們成功的研制了一套絕緣在線監(jiān)測裝置。目前，該裝置已經在京廣高鐵鶴壁東牽引變電所運行，實現了對運行220 kV干式電流互感器的實時監(jiān)測。為驗證在線監(jiān)測數據，我們使用QS1雙臂電橋對離線的220 kV干式電流互感tan進行測試，兩組測量數據如表1所示。

由表1可知，在線監(jiān)測裝置測量的tan值與離線實測的tan值的最大相對誤差為1.25%，平均相對誤差為0.795%，如此小的誤差完全可以用在線裝置代替試驗儀器，實現對220 kV干式電流互感器運行狀態(tài)的實時在線監(jiān)測。

表1 在線監(jiān)測tand值與離線實測值比較

5 結語

本文針對高鐵牽引變電所220 kV干式電流互感器常規(guī)的預防性監(jiān)測手段無法檢測到其內部絕緣放電現象，結合絕緣介損在線監(jiān)測原理，設計了220 kV干式電流互感器tan實時在線監(jiān)測方案，并研制了一套絕緣在線監(jiān)測裝置。該裝置采用過零檢測比較法來測量CT絕緣介損變化，監(jiān)測裝置硬件采用高精度傳感器、溫度傳感器等數字電路設計，消除了影響在線監(jiān)測系統(tǒng)裝置準確度的各種因素，保證在任何干擾下實時、準確的監(jiān)測220 kV干式電流互感器的tan值。研制的在線監(jiān)測裝置在京廣高鐵鶴壁東牽引變電所投入運行以來，性能穩(wěn)定，監(jiān)測精度高，在線監(jiān)測結果與實測結果完全吻合。

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

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(編輯 張愛琴)

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，高級工程師，主要從事高速鐵路供電的研究與應用工作。E-mail: 8412770@qq.com