訾士才，田　鵬，李　旭，曲禎煜，王文超

(1.國網(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，吉林　吉林　132012)

隨著先進的傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)以及光纖通信技術(shù)等的進步，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，依靠對高壓設備絕緣的不停電在線監(jiān)測替代了傳統(tǒng)脫離實際運行環(huán)境的離線監(jiān)測方式，大力推動了同步在線監(jiān)測與診斷的應用與普及[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)損耗會導致絕緣溫度上升，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備絕緣水平的一項重要指標。

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)等無關(guān)，其準確測量對判斷電容型電氣設備的絕緣水平具有重要作用。以下設計了監(jiān)測終端的硬件電路結(jié)構(gòu)，提出了一種基于過零比較和絕對測量相結(jié)合的測量新技術(shù)，并綜合采用趨勢分析法和相對比較法，提出一種以電氣設備tanδ相對值變化為依據(jù)的絕緣診斷策略，提高了絕緣診斷的靈敏度，保證了較高的設備運行穩(wěn)定性。

1　介質(zhì)損耗因數(shù)測量原理

1.1　過零比較測量原理

(1)

式中：

圖1　過零比較法測量原理框圖

過零比較法原理見圖2。首先利用采樣電路中的傳感器捕捉電流、電壓信號的過零點，然后通過一定的邏輯將采集的信號轉(zhuǎn)換為方波脈沖信號，電壓、電流信號的相位差則可由脈沖的寬度表征，最后測量方波的寬度并換算得到被試樣品的介損。過零比較法的關(guān)鍵在于如何通過精確捕捉電壓、電流信號的過零點，進而實現(xiàn)交流信號到方波信號的高精確轉(zhuǎn)換。

圖2　過零比較原理

1.2　絕對測量原理

當高壓套管發(fā)生絕緣劣化時，其故障特征一方面表現(xiàn)為增大；另一方面表現(xiàn)為一個或多個分層電容擊穿短路，導致C增加。絕對測量原理及其向量圖見圖3。

圖3　絕對測量原理及其向量圖

圖中，C1為工頻電壓下的設備末屏傳感器等值電容。該方法通過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，計算得到二者夾角的tanθ。由于C1?C，近似取tanδ?tanθ，因此通過測量tanθ就可間接計算得到介質(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　趨勢分析法

高壓電氣設備絕緣故障可分為：

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)增長的變化趨勢，且不可逆轉(zhuǎn)。潛在的各類不同因素使在線監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出高分散性的特點，少量數(shù)據(jù)難以保證故障狀態(tài)判斷的準確程度，但通過一段時間內(nèi)的測量數(shù)據(jù)可在一定程度上反映設備的絕緣狀況。如在某段時間內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)緩慢而持續(xù)增長的趨勢，則設備可能存在潛伏性故障，此時就可通過趨勢分析法對設備的絕緣狀態(tài)作出分析、預測。

2.2　相對比較法

在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的預處理過程僅能夠消除隨機因素對數(shù)據(jù)測量的影響，但運行電壓、頻率波動、電壓互感器(TV)電壓基準、相間耦合以及環(huán)境、溫度等因素對測量結(jié)果的影響依然存在,僅通過經(jīng)預處理后數(shù)據(jù)的靜態(tài)絕對值進行絕緣診斷，會對結(jié)果造成較大偏差?？紤]同一母線、同一相、采用同一TV電壓基準測量的多臺同類設備，其絕緣結(jié)構(gòu)相似，處于相同運行條件和環(huán)境條件下，測量結(jié)果受到的影響相似，測量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出同步變化的跡象。絕緣狀況良好的設備，其測試結(jié)果應基本相同，若數(shù)據(jù)存在明顯差異，則能夠判斷該設備的絕緣異常。因此依據(jù)電氣設備的相對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)測系統(tǒng)設計及工程應用

3.1　監(jiān)測系統(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)工程實際要求，本設計的電容型電氣設備介質(zhì)損耗在線監(jiān)測系統(tǒng)由上位機監(jiān)測軟件和下位機現(xiàn)場監(jiān)測裝置兩部分構(gòu)成 。前端各監(jiān)測單元以AT89C51單片機為核心，通過RS-485總線與遠程計算機后臺完成數(shù)據(jù)交換，監(jiān)測單元安裝于現(xiàn)場，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3.1.2下位機監(jiān)測系統(tǒng)設計

下位機主要應用數(shù)字地址標識，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和上傳功能，上位機利用得到的上傳數(shù)據(jù)運算得出。其具體工作流程為：主機給某臺從機發(fā)出采樣指令，數(shù)字地址相符的從機接收指令并唯一即時響應，完成同步整周期的信號采樣，并運算得出該監(jiān)測單元的。主機依次指令其他各從機進行數(shù)據(jù)采樣，在一定時間內(nèi)完成一輪對所有監(jiān)測單元的測量。

為提高介質(zhì)損耗因數(shù)在線監(jiān)測結(jié)果的準確性和可靠性，選擇從與容性設備末屏串聯(lián)的分壓電容提取工頻電壓信號，采用一種基于絕對測量和過零比較法相結(jié)合的測量新方法。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)測設備上的前端數(shù)據(jù)采集裝置為節(jié)點，通過RS-485總線構(gòu)成分層分布式系統(tǒng)，其工作原理見圖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)電壓參考信號和高壓容性設備末屏分壓信號經(jīng)幅值調(diào)整作適當放大，輸入低通濾波器濾掉高次諧波，經(jīng)過零比較轉(zhuǎn)換為方波由單片機進行計算，最后將計算結(jié)果通過RS-485總線傳入站內(nèi)信息管理系統(tǒng)。

3.1.3監(jiān)測終端硬件設計

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

圖6　監(jiān)測終端框圖

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、時鐘芯片、EPROM、FLASH存儲器、看門狗電路等。

b.信號變換及預處理。信號經(jīng)TV后得到5 V交流電壓信號，然后經(jīng)低通濾波器濾掉高次諧波，最后經(jīng)過零比較環(huán)節(jié)輸出反映信號過零時刻的方波。

c.低通濾波電路對輸入信號進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放性能有關(guān)，在設計中應該盡量采用低溫漂、低失調(diào)電壓、高精度的運算放大器。

3.2　現(xiàn)場工程應用

依托東北電網(wǎng)公司科技項目，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備電容和介質(zhì)損耗因數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的安裝和調(diào)試，目前系統(tǒng)運行正常，各項功能和指標達到預期設計要求。奇次諧波±1.0讀數(shù)，監(jiān)測終端技術(shù)指標見表1。

表1　監(jiān)測終端技術(shù)指標

4　結(jié)論

基于相對比較法和趨勢分析法相結(jié)合，設計了介質(zhì)損耗因數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)信號采集裝置的軟硬件結(jié)構(gòu)，提出了一種基于絕對測量和過零比較法相結(jié)合的介損因數(shù)測量新方法。研究成果在東北電網(wǎng)公司某水電廠220 kV升壓站投入應用，設備運行可靠，監(jiān)測數(shù)據(jù)真實準確，運行性能良好。

參考文獻：

[1]王子軍.變電站電容設備介質(zhì)損耗在線監(jiān)測技術(shù)的研究[D].長春:吉林大學,2010.

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

[3]劉偉,黃新波,章云.電容型高壓設備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場采集單元設計[J].計算機測量與控制,2010,18(1): 233-236.