國網(wǎng)寧夏電力公司固原供電公司 楊劍鋒 牛育忠 呂安璞 陳 彪沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院 高 陽 王琳媛

1.引言

變電站的正常運轉(zhuǎn)，離不開大量運行中的電容設(shè)備，各個電容設(shè)備相互絕緣各個變電站中設(shè)備之間的不同的排列使得他們形成了串聯(lián)或者并聯(lián)的電路。電容設(shè)備種類較多，一般情況下來講主要包括了母線PT、套管、電容型變壓器、氧化鋅避雷器及電流互感器等。變電設(shè)備總數(shù)的45%左右都屬于容性設(shè)備，可見其數(shù)量之龐大以及在變電設(shè)備安全運行的重要地位[10]。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，大多數(shù)導(dǎo)致容性設(shè)備出現(xiàn)故障的原因一般都是設(shè)備絕緣缺陷愈演愈烈不斷擴(kuò)大，從而使容性設(shè)備發(fā)生了局部放電或者擊穿從而產(chǎn)生了問題。所以能否及時發(fā)現(xiàn)容性設(shè)備絕緣缺陷、將所發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行解決，對電網(wǎng)安全的保障具有很大意義。狀態(tài)檢修要求只根據(jù)設(shè)備的實際情況進(jìn)行檢測，并在需要時才安排維護(hù)和維護(hù)，這樣不僅可以避免不必要的停電維護(hù)，同時，因為工作的預(yù)防性和針對性，可以很快的發(fā)現(xiàn)設(shè)備早期的絕緣缺陷。狀態(tài)檢修不僅可以避免了設(shè)備發(fā)生突發(fā)性事故，而且還能有效地延長了設(shè)備的使用壽命。目前技術(shù)所支持的對容性設(shè)備的在線監(jiān)測主要測量數(shù)據(jù)包括了電容量大小以及介質(zhì)損耗值大小等。要對電氣設(shè)備進(jìn)行絕緣劣化、局部缺陷、以及絕緣體是否受潮等檢測，可以通過測量介質(zhì)損耗角正切值來進(jìn)行。介質(zhì)損耗角正切值可以用符號tan δ 來表示。絕緣狀態(tài)的劣化在絕緣性上的表現(xiàn)主要有以下幾個方面：介質(zhì)損耗值的增加，直至產(chǎn)生絕緣擊穿現(xiàn)象；產(chǎn)生局部放電。然而以上兩種現(xiàn)象都可以通過測量tan δ的值的變化來確定。

2.系統(tǒng)工作原理

介質(zhì)損耗因數(shù)(tan δ )是用來衡量絕緣介質(zhì)絕緣性能的因素，必須在交變電壓的作用下進(jìn)行測量。對介質(zhì)損耗因素進(jìn)行測量，能夠反映出的測量結(jié)果有，介質(zhì)是否受潮，電介質(zhì)是否變質(zhì)以及是否被漬物臟污等。將數(shù)字化技術(shù)運用到介質(zhì)損耗因數(shù) 的測量之中。首先通過傳感器技術(shù)將所測試設(shè)備的電壓以及泄漏的電流信號進(jìn)行收集，然后將收集到的信號利用數(shù)據(jù)采集裝置轉(zhuǎn)化為離散信號，運用相關(guān)分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣處理。最后計算出二者之間的相位差，得到介質(zhì)損耗因素具體數(shù)值。目前主要采用的是有相關(guān)函數(shù)法和諧波分析法。

（1）相關(guān)函數(shù)法

假設(shè) N 為T內(nèi)的采樣點數(shù)，則表達(dá)式可以如式(2.4)、(2.5)、(2.6)所示。

由此得出介質(zhì)損耗角如式(2.7)所示。

可以明顯看出，采用相關(guān)函數(shù)法可以簡化計算，從而降低硬件要求增加抗干擾能力。

（2）諧波分析法

由此可見，將系統(tǒng)諧波干擾影響去除便可進(jìn)行求解電容設(shè)備介質(zhì)損耗因數(shù)從而得到ux(t )、ix(t )的初相角。由于實際獲得的ux(t )、ix(t )屬于有限長度的離散周期序列，因而分別用x(n)、y(n)將兩者表示，以為例，將其進(jìn)行離散傅里葉變換后為：

式中：XR(k)、X1(k)分別為X(k)的實部和虛部。

同理可以得出ix(t )的初相角，進(jìn)而求其介質(zhì)損耗因數(shù)。

在運用諧波分析法時，首先要將所測得的電壓與電流信號運用傅立葉變換原理進(jìn)行變換之后進(jìn)行諧波分析，由基波分量得出介損角。諧波分析法運用了三角函數(shù)的正交性原理，之后對其進(jìn)行傅立葉變換從而求得各項參數(shù)的基波參數(shù)。該方法能將各種干擾克服以保證精度與穩(wěn)定性。

3.容性設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計總體結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境下被測電流信號十分微弱，所以測量絕緣介質(zhì)損耗時對相位的精度要求很高。由于周圍環(huán)境比較復(fù)雜，信號常常被淹沒在外界干擾及白噪聲中，因此要求采樣設(shè)備應(yīng)該具有良好的精度與穩(wěn)定性。傳感器的性能對信號采集準(zhǔn)確性的影響是十分大的，傳感器需要避免被測設(shè)備與測量設(shè)備直接接觸產(chǎn)生干擾，采樣時應(yīng)保持兩者具有良好的電氣距離。因此，傳感器的性能在絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中就顯得尤為重要。

本系統(tǒng)采用高精密泄漏電流傳感器，主要采用差動比較及深度負(fù)反饋相結(jié)合的方式，選用坡莫合金作為鐵芯，利用特征標(biāo)定及匝數(shù)補(bǔ)償法，設(shè)計高精密微弱交流泄漏電流傳感器，相位誤差不可高于1分。

傳感器對于檢測裝置的運行，正如人的眼睛對于人體觀察物體，都是不可或缺的。傳感器在很大程度上決定著檢測裝置的精確與穩(wěn)定性。有如CT,CVT,OY ,TB等泄漏電流相對較大，有的甚至達(dá)到了微安級。所以傳統(tǒng)的無源傳感器不能夠滿足檢測裝置的精確性與穩(wěn)定性要求，故不適用于本系統(tǒng)的應(yīng)用。如何在強(qiáng)磁場條件下進(jìn)行信號的獲取是系統(tǒng)設(shè)計的一個重要指標(biāo)。

本系統(tǒng)基于有源零磁通技術(shù)開發(fā)了電磁式高精密泄漏電流傳感器。而采用Rogowski線圈測量工頻泄漏電流的不利之處在于因線圈互感太小無法準(zhǔn)確的感應(yīng)出電壓大小，要能夠測量電流的泄露就需要增大互感。

通過上式可以看出，互感 的大小與鐵芯材料磁導(dǎo)率以及繞線匝數(shù)大小，線圈骨架尺寸等都有關(guān)系。線圈骨架尺寸對互感影響相對較小，故不能通過改變線圈骨架尺寸來改變互感。由于線圈繞線匝數(shù)由線圈骨架尺寸確定之后便基本決定了，有些時候多層繞制會降低線圈頻率特性，所以繞線匝數(shù)也不能作為改變互感大小的關(guān)鍵。通過對目前通用的三種鐵芯材料即冷軋硅剛片、坡莫合金和超微晶合金的性能進(jìn)行比較,分析各種參數(shù)對傳感器特性的影響，最終決定鐵芯材料使用坡莫合金。該合金做鐵芯損耗小，起始導(dǎo)磁率高，優(yōu)點突出。通過采用深度負(fù)反饋技術(shù)，能夠使得鐵芯在零磁通量狀態(tài)下工作。并且在線圈尺寸允許的范圍里盡量的增加了線圈繞線的匝數(shù)。在設(shè)計結(jié)構(gòu)時使用了穿芯結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對設(shè)備的安全有良好保障。經(jīng)過一段時間的試用，對該傳感器的檢測能力進(jìn)行評定認(rèn)為該傳感器能夠準(zhǔn)確檢測100 —1000 的工頻電流，其檢測產(chǎn)生的相位變換誤差不大于0.01°，比差：±0.005% ，非線性度<±0.003°，抗電磁場干擾能力以及溫度特性都不錯，能夠勝任變電廠現(xiàn)場的復(fù)雜工況。對電壓信號進(jìn)行檢測時，可以將電壓信號通過無感電阻轉(zhuǎn)換為電流信號進(jìn)行測量。

外積分電路具有選頻特性，可以對高壓電氣設(shè)備進(jìn)行測量。電路等效圖如圖3.1所示。

圖3.1 外積分等效電路圖

該傳感器的性能檢測方法是，將傳感器與電阻分流器以及高精度電流表一同接入一避雷針接地線上，之后對其加入3500伏電壓。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，泄漏電流傳感器所測量的值與高精度電流表測量值相差2%，精度滿足要求。設(shè)計的泄漏電流傳感器和電阻分流器采樣對比如圖3.2所示：

圖3.2 設(shè)計的泄漏電流傳感器和電阻分流器采樣對比

結(jié)果發(fā)現(xiàn)：將標(biāo)準(zhǔn)電阻分流器與泄漏電流傳感器二者之間的電壓時間分布圖進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，二者峰值以及周期幾乎相同。然而，標(biāo)準(zhǔn)電阻分流器因為受到空間電磁場以及電源諧波干擾，所采集的圖像變形嚴(yán)重。而傳感器采集的圖像較為標(biāo)準(zhǔn)，這是因為其受空間電磁場的干擾被去除。

4.容性設(shè)備帶電檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析

變電站運行現(xiàn)場，有很多因素會影響介損檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，除工頻干擾因素外，還有如下原因：測量介損所選取的基準(zhǔn)信號都取自PT的二次側(cè)電壓，而PT本身是存在誤差的；二次回路負(fù)載的變化會導(dǎo)致PT誤差的變化；環(huán)境溫濕度的變化及表面泄漏電流的影響等。這些因素發(fā)生變化時，檢測數(shù)據(jù)都會隨之發(fā)生波動，且無規(guī)律可言。因此采樣絕對介損的檢測系統(tǒng)往往不能正確地進(jìn)行識別判斷，當(dāng)然也就無法了解被測設(shè)備絕緣的真實狀況。

設(shè)備之間電壓等級相同的話，其運行工況、以及受到各種外界因素影響都基本相同，故相同設(shè)備的tan δ 測值受到的影響也基本相似。類似于消除共模干擾，相對介損測量能夠在某些方面上將tan δ測值的影響抵消。相對介損法能夠比傳統(tǒng)絕對值判斷法更加起到提高測量結(jié)果可信度消除外部環(huán)境影響的作用。

(1) 對于同類型、同母線、同相別的容性設(shè)備，電容檢測數(shù)據(jù)及人介損受到母線PT的誤差影響程度幾乎相同。

(2) 對于具有相同結(jié)構(gòu)的兩個電氣設(shè)備，檢測數(shù)據(jù)結(jié)果受到外部環(huán)境因素影響程度相似，其電容量比值或者介損差值受到環(huán)境影響幾乎為零。

(3) 對于同一組電氣設(shè)備受到變電站運行方式變化的影響狀況大體相同，檢測結(jié)果的變化趨勢也較為相似。

處于特高壓變電站中，不論是外部干擾、機(jī)構(gòu)動作還是環(huán)境條件變化均會引起測量結(jié)果的波動，如果根據(jù)單次測量結(jié)果進(jìn)行判斷則會引發(fā)誤報，當(dāng)前運用到的一些智能理論方法，如模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等有一些原因使得使用效果并不理想。絕緣物體的老化過程是一個緩慢的變化過程，而帶電檢測過程始終處于動態(tài)之中，在測量過程中，可以通過對某段時間內(nèi)的實時均值進(jìn)行測量從而得出相關(guān)數(shù)據(jù)來保證診斷結(jié)果的合理性。圖4.1給出采用實時均值法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，證實建立的算法結(jié)果理想。

圖4.1 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

該系統(tǒng)還具備較為完整的自檢功能，可以在輸出檢測數(shù)據(jù)的同時給出該數(shù)據(jù)的置信度，使得因系統(tǒng)故障而產(chǎn)生的錯誤數(shù)據(jù)被有效杜絕。當(dāng)本地測量單元中任一部分出現(xiàn)問題時，檢測系統(tǒng)會在用戶計算機(jī)中向用戶反映相應(yīng)的故障信息。錯誤的測量數(shù)據(jù)也不會輸出。

5.結(jié)論

本文主要對容性設(shè)備介質(zhì)損耗及帶電檢測系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用相關(guān)函數(shù)法和諧波分析法得到容性設(shè)備的介損值，由分析得出相關(guān)函數(shù)法可以簡化計算，從而降低硬件要求增加抗干擾能力。而諧波分析法運用了三角函數(shù)的正交性原理，之后對其進(jìn)行傅立葉變換從而求得各項參數(shù)的基波參數(shù)。該方法能將各種干擾克服以保證精度與穩(wěn)定性。帶電檢測系統(tǒng)采用高精密泄漏電流傳感器，可以有效的提高測量精度，然后利用相關(guān)介損法對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但是由于現(xiàn)在環(huán)境十分嘈雜，會對測量結(jié)果有很大影響，因此，今后帶電檢測系統(tǒng)還需提高對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的研究。

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