高压电气设备绝缘在线监测系统的研究

高压电气设备绝缘在线监测系统的研究

罗光伟1,向守兵1,陈晓东2

(1.四川工程职业技术学院,四川德阳618000;2.哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150001)

摘󰀁要:介绍了高压电网电气设备绝缘性能在线监测方案,提出了面向对象的在线监测电气设备及参数的单元设计方法。通过监测电容性设备介质损耗(tan󰀁)、氧化锌避雷器阻性电流、变压器铁心电流和变压器油中各气体的含量来判断电气设备的绝缘性能。

关键词:高压电气设备;在线监控系统;组态;绝缘;变电站;故障诊断

中图分类号:TM855󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1002-1663(2004)01-0027-05

On-iineinsulationmonitoringsystemfor

high-voltageelectricequipment

LUOGuangwei1,XIANGShoubing1,CHENXiaodong2

(1.SichuanEngineeringTechnicalCollege,Deyang618000,China;2.HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

Abstract:On-lineinsulationmonitoringschemesforhighvoltagegridelectricequipmentarediscussed,andmodulardesignsofobject-orientedon-linemonitoringelectricequipmentandtheirparametersaresug󰀁gested.Theinsulationpropertiesofelectricequipmentarejudgedbymonitoringmediumconsumption(tan󰀁)ofcapacitanceequipment,resistancecurrentofzincoxidelightingarrester,corecurrentoftransformer,andcontentofgasintransformeroil.

Keywords:highvoltageelectricequipment;on-linemonitoringsystem;configuration;insulation

1󰀁问题的提出

󰀁󰀁由于电网发生设备故障所带来的损失和巨大影响以及满足用户对供电可靠性越来越高的要求,于是从预测性维修制逐渐演变为维修预防制,即在设计时,根据设备在运行中可能承受的电、热、机械等的作用和重要程度,注重提高电气设备可靠性和维修性,逐渐总结形成对某些设备的预防性试验试行标准,并形成了局部预防性维修体系。根据相应的体系标准,判断绝缘老化状态,进行有针对性的维修。

定期停电进行预防性试验的不足之处,主要表现在以下几方面。

a.漏报:不能及时发现设备内部的绝缘隐患,停电检修合格的设备在运行中时有事故发生。

收稿日期:2003-07-28。

b.早报或误报:定期停电试验,不能真实反映设备的绝缘状态,使得加强监督尚可继续使用的设备提早退出运行。

c.检修费用高:每年在预防试验期间,要投入大量的人力、物力,并因停电试验造成较大的经济损失。

因此,即使设备预防性试验合格,故障仍然时有发生。消除潜伏性故障和缺陷,尽可能地减少停电损失,对现行的预防性维修制进行根本的变革,采用在线监测及诊断技术。在线监测的重要特征是监测系统几乎不用预防性试验的仪器,而是采用高灵敏的传感器采集反映电气设备绝缘在运行中劣化的信息(特征量),信息的处理和辩识依赖于具有丰富软件支持的计算机网络。

作者简介:罗光伟(1970-),男,1992年毕业于哈尔滨电工学院电气自动化专业,讲师。

󰀂27󰀂Vol.26,No.1󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁HeilongjiangElectricPower󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Feb.2004

2󰀁绝缘在线监测系统监测范围及参数

绝缘在线监测系统的监测范围及参数如表1所示。

表1󰀁绝缘在线监测参数

设备名称变压器

气体含量;

变压器局部放电量;

高、中、低压侧套管绝缘介损、电容值、泄漏电流值;

变压器铁心电流及是否多点接地的判断。

氧化锌避雷器(MOA)

󰀁电压互感器(TV)电流互感器(TA)耦合电容器(OY)电容式压变(CVT)变电站支柱污秽变电站环境

总泄漏电流值、阻性电流有效值、阻性电流正峰值、负峰值、阻性电流峰󰀂峰值、功率损耗。

一次电流。电容电流值、电容值、介损值。电容电流值、电容值、介损值。电容电流值、电容值、介损值。泄漏电流。环境湿度、温度。

在线监测参量

油中H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6等溶解

MIS系统通信等任务。

上位系统采用PC机和KingView6.0软件构成,通过计算机控制网络将变电站的各种自动化设备组成一个完整的分布式计算机系统,并与局内MIS系统计算机联成网。在KingView6.0中开发出典型变电站系统画面,每个画面包含相应的子画面,分别完成相应的控制和检测功能。KingView6.0在变电站综合监控系统中的主要功能有:

a.主接线图、分接线图的动态实时显示、变压器分接头调整、功率因数调整等。b.报警参数的动态实时显示和声音报警、报警列表显示和报警记录。

c.事件显示和记录,包括操作记录、历史数据记录、断路器的操作记录和负载变化记录等。

d.保护控制:从电网中迅速切除故障设备和线路。

e.远程测量:测量各设备的电压、电流、功率因素、有功功率和无功功率等参数。

f.设备的运行状态:各断路器和隔离开关位置、设备运行状态、保护动作信息等。g.断路器远程控制:断路器的闭合和断开控制等。

h.综合管理:电能的调配、异常和事故报警处理、报警记录、负载变化曲线、报表打印等。i.与局内MIS系统的通讯。

下位系统采用数据采集卡和单片控制系统,应用组态王软件与数据采集卡和单片机的通讯功能,将检测的数据和设备状态数据传送给组态王监控系统;同时,单片机系统接受由组态王监控系统发送来的控制信息,并完成相应的控制,主要功能有:a.电气设备的运行控制;b.设备运行状态的检测和绝缘参数检测;c.负载检测;d.与KingView6.0软件通讯,进行数据交换。

3󰀁系统在线监测方案

在线监测系统采用面向对象设计方法,通过KingView6.0组态软件设计人机界面实现自动监测。信号的获取和数据采样由数据采集卡将采集到的数据与信息传递给计算机处理中心系统,同时由单片机系统完成电气设备的控制。由计算机处理中心系统完成数据处理和对信号的调配控制,并将信息远距离传送给局内MIS系统,系统结构框图如图1所示。

5󰀁系统在线监测方法

5.1󰀁电容性设备介质损耗(tan󰀁)的在线监测

电容性设备的介质损耗(tan󰀁)可以用并联的电容和电阻的等值电路来计算,如图2所示。其中,ux为被测设备运行电压,ix为总泄漏电流。

由图2可以得到介质损耗:

iRux/R1tan󰀁===(1)

iCux󰀂C󰀂RC2

P=u 󰀂 C tan󰀁(2)由式(1)、(2)可以看出,󰀁角直接反映介质损耗的大小,由于󰀁一般都比较小,所以,习惯上也称tan󰀁为介质损失角。对于性能良好的绝缘介

图1󰀁监测系统原理框图

4󰀁计算机处理中心系统

变电站微机综合监控系统采用分布式计算机系统,该系统分为下位系统和上位系统两部分:下位系统由数据采集卡系统和单片机系统组成,完成电气设备的保护、参数测量、开关设备的控制任务;上位系统完成监控、管理、调配控制和与局内󰀂28󰀂第26卷󰀁第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁黑龙江电力󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2004年2月质来说,R很大,tan󰀁很小。

期内定积分可得:

T

2Ukm cos∀#0ux sink󰀂tdt(9)k=T

令k=1,并且式(8)除以式(9),可得电压基波相角∀1:

tan∀1=#1:

图2󰀁电容性设备等值电路

#0ux cosk󰀂tdt/#0ux sink󰀂tdt#0ux cosk󰀂tdt/#0ux sin

T

T

TT

(10)

按相同方法,可由式(7)推得电流基波相角

tan#1=k󰀂tdt

图3所示为等效电路的相量图,可以用 /2

减电压、电流的相位差!来计算󰀁角的大小。

󰀁= /2-!(3)

图3󰀁介质损耗相量图

满足狄里赫利条件的电力系统电压ux、电流ix可按傅立叶级数分解为:

ux=U0+k!Ukm sin(k󰀂t+∀k)=1ix=I0+k!Ikm sin(k󰀂t+#k)=1

∀∀

(4)(5)

式(4)、(5)中,U0为电压的直流分量;󰀁I0为电流的直流分量;Ukm为电压的各次谐波幅值;Ikm为电流的各次谐波幅值;∀k为电压的各次谐波相角;#k为电流的各次谐波相角。

式(4)、(5)可表示为:

ux=U0+k![(Ukm sin∀k) cosk󰀂t+(Ukm

=1

cos∀t]k) sink󰀂

∀∀

(6)

ix=I0+k![(Ikm sin#k) cosk󰀂t+(Ukm =1

cos#k) sink󰀂t](7)

根据两个三角函数的乘积在一个周期内的定积分为零的正交特性,将式(6)两边同乘以cosk󰀂t,取一周期内定积分并化简,可得:

#0ux cos

cos2k󰀂tdt=所以,

T

k󰀂tdt=

#0(Uk

T

m

sin∀k)

TUm sin∀k2k

T

2Ukm sin∀k=(8)T#0ux cosk󰀂tdt

同理,由式(6)两边同乘以sink󰀂t,并取一周

(11)

纯容性试品,电流相角超前于电压90∃,介质损失角正切:

tan󰀁=tan[90∃-(#1-∀1)](12)考虑到图2所示硬件电路对电压、电流有不同相移,电压、电流间存在着一固定相差%,所以,应扣除%的影响,即:

tan󰀁=tan[90∃-(#1-∀1)-%](13)对ux、ix离散数字化处理后,按式(10)、(11)、(12)即可求得容性设备的介质损失角正切值。

从式(10)、(11)可知,根据三角函数的正交特性,ux、ix中的直流分量U0、I0不影响∀#1值,1、即不受硬件电路零漂的影响。

5.2󰀁氧化锌避雷器阻性电流的在线监测

因氧化锌避雷器(MOA)一般无串联的火花放电间隙,在电力系统持续的运行电压作用下,由氧化锌阀片组成的芯柱就要长期通过工作电流,即通常所称的总泄漏电流。严格说来,这个总泄漏电流是指流过MOA内部阀片柱的泄漏电流,因MOA的总泄漏电流(简称全电流)包括瓷套泄漏电流、绝缘杆泄漏电流和阀片柱泄漏电流等3部分。一般而言,阀片柱泄漏电流不会发生突变,而由污秽或内部受潮引起的瓷套泄漏电流或绝缘杆泄漏电流增大时,全电流可能发生突变;在正常情况下,瓷套泄漏电流和绝缘杆泄漏电流比流过MOA内部阀片柱的泄漏电流小得多。因此,在天气好的条件下,测得的MOA的全电流一般视为流过MOA阀片柱的泄漏电流,即总泄漏电流。

在MOA监测方法中,常用的在线监测和带电监测方法是补偿法和基次谐波法。

补偿法的原理是以去掉与母线电压成 /2相位差的电流分量作为去掉容性电流,从而获得阻性电流的方法。这种方法比较正确地反映了MOA的实际情况。但其主要缺点是:不能保证去掉相间耦合电容电流的干扰,当系统中存在高次谐波时,母线电压和容性电流不一定是 /2相位差,由于从电压互感器上取得电压信号有误差角。

基次谐波分析法的主要依据是:在正弦波电

󰀂

29󰀂Vol.26,No.1󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁HeilongjiangElectricPower󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Feb.2004压作用下,MOA的阻性电流中只有基波电流做功产生功耗;另外,无论谐波电压如何,阻性基波电流都是一个定值。因此,经全电流数字谐波分析,提取基波进行阻性电流分解,可得阻性电流基波值,用于判断MOA的工作状态。这种方法可以监测阻性电流基波的变化,但实际运行中,MOA的运行状态还与电网电压谐波影响有关,其阻性电流的基波和高次谐波在一定程度上都可反映MOA的状态。

MOA的等效电路仍可由图2表示。其阻性电流的分析如下。

电力系统的电压、电流波均满足狄里赫利条件,因此,ux、ix均可按傅立叶级数分解为:

ux=U0+k!Ukm sin(k󰀂t+∀k)=1

∀∀

电流源驱动,输出电流为4~20mA,用500∃电阻取样,获得电压为2~10V,它对应湿度为0~90%,温度为-50~+120&。测量精度由传感

器的线性度和取样电阻稳定性决定。5.4󰀁变压器铁心接地电流在线监测

变压器铁心电流数量级在几十毫安到几安培,甚至更大,由于变化范围较大,因此,采用程控放大器对信号进行放大,以满足测量的要求。

由于电磁信号对监测信号产生干扰,铁心电流的取样探头要进行良好的电磁屏蔽,为此,采用双层1mm厚的铁板做成屏蔽箱,并用高性能的同轴电缆传送取样信号,以达到检测线性度和稳定性的要求。

5.5󰀁变压器局部放电在线监测

局部放电在线监测系统主要由高频谐振式电流传感器、抗干扰调节系统及信号采集系统组成。谐振式高频电流传感器针对变压器局部放电在线监测系统而设计,采用罗戈夫斯基线圈原理制成。为满足监测系统要求,传感器谐振中心频率为280kHz,带宽约为180kHz。在应用实际中,曾采用重庆某公司的ZJC-∋型无源CT式高精度电流传感器。

在对不同变压器绕组的测试中发现,变压器绕组普遍存在一个频率特性比较平坦的范围,即电容性网络区。局部放电脉冲宽度在几个纳秒之间,在变压器内沿绕组以陡脉冲形式向两端传播。由于变压器可近似等效成一个电容梯形网络,因此,在放电开始瞬间,绕组的两端就会出现局部放电脉冲对应于电容网络区的电容传递分量。通过测量这个分量,并找到两个电容分量与绕组上位置的对应关系,就可以测量并确定局部放电的大小和发生位置。

抗干扰调节系统是局部放电在线监测系统的重要组成部分,采用多端调节-定向耦合差动平衡法抑制外部干扰,是基于大型电力变压器在特定的频率范围内可以等效为电容性网络的原理。

整个信号采集系统为了实现监测系统的参数要求,电路设计为三个部分:

a.模拟信号调制部分:包括信号的放大、滤波、整形和电压的提升等。

b.数据的采集、存储部分:包括A/D转换、数据的存储等。

c.控制部分:包括控制模拟量的调制、数据的采集与通讯等。

5.6󰀁变压器油中溶解气体在线监测

(14)(15)

ix=I0+k!Ikm sin(k󰀂t+#k)=1

式中,U0为电压的直流分量;I0为电流的直流分

量;Ukm为电压的各次谐波幅值;Ikm为电流的各次谐波幅值;∀k为电压的各次谐波相角;#k为电流的各次谐波相角。

由式(14)计算泄漏电流的容性分量:

∀

dux

ic=C=k=!1ICkcos(k󰀂t+∀(16)k)dt

式(16)中,ICk=k󰀂CUkm。

令IRk为第k次谐波阻性电流幅值,由于第k次谐波电压与第k次谐波阻性电流同相,所以,阻性电流:

∀

iR=I0+k!IRk sin(k󰀂t+∀k)=1

(17)

因ix=iR+iC(18)将式(15)与(16)、(17)分别带入式(18)两侧:I0+k!Ikm sin(k󰀂t+#k)=I0+k!IRk =1=1

∀

∀

∀

sin(k󰀂t+∀t+∀k)+!ICk cos(k󰀂k)k=1

(19)

根据两个三角函数的乘积在一个周期内的定积分为零的正交特性,将式(19)两边同时乘以sin(k󰀂t+∀k),并在一周期内取定积分,有:

IRk=Ikm[cos∀k cos#k+sin∀k sin#k](20)同理,将式(19)两边同乘以cos(k󰀂t+∀k),并在同一周期内取定积分有:

ICk=Ikm[cos∀k cos#k-sin∀k cos#k](21)因此,将ux、ix按傅立叶级数展开,并按式(17)、(20)计算,可求得MOA的总阻性电流iR。5.3󰀁变压器环境温度与湿度的在线监测

为使监测较为准确,采用气象部门常用的木制百叶箱式测量方法。安装时,将百叶箱放至变压器附近,以便于感应现场的环境温度、湿度。

温度、湿度传感器选用外感应式,它带有长线󰀂30󰀂第26卷󰀁第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁黑龙江电力󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2004年2月对于变压器油中溶解气体分析的在线监测方法,仍以油中溶解气体为反映故障的特征量,在线监测变压器油中H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6等6种溶解气体的组分、含量及产气速率,能够及早发现变压器内部存在隐性故障,判断其是否会危及安全运行。

重庆某公司研制的MQ型系列传感器是一种复合分布式传感器,它分辨和检测气体的结构原理如图4所示。

检测H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6等6种溶解气体浓度(体积比)。

6󰀁结束语

绝缘在线监测系统采用面向对象的单元设计方法,同时采用数字采样、多机通信和工业控制计算机处理系统,提高了抗干扰的能力,大大降低了操作者劳动强度,降低了成本。经过在德阳五里堆和孟家变电站近1年的运行,系统稳定可靠。应用KingView6.0软件开发的上位机监控程序功能完善,综合性强,人机界面友好,实用性好。

随着我国电网容量的迅速增大,供电可靠性已显得越来越重要,因此,在线监测及诊断技术在我国有广阔的应用前景。

图4󰀁气体检测方法

参考文献:

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󰀁󰀁由MQ型系列传感器构成一个传感器阵列而组成的复合分布式传感器。当测量混合气体(H2、CO、CH4、C2H4、C2H2、C2H6)时,不同传感器单元分别响应各自的特征气体,此检测方法充分利用了不同气体传感器分辨气体的能力,分辨气体的特性如图5(a)~(f)所示。由图5可以看出,每种气体的传感单元对各自检测气体的灵敏度明显高于其他气体,有些相互交叉的气体成分通过一定的软件处理方法排除干扰误差,可以正确地

󰀁󰀁󰀁(a)H2传感单元的分辨特性(H2体积比40mL/mm3)󰀁󰀁󰀁󰀁(b)CO传感单元的分辨特性(CO体积比200mL/mm3)

󰀁󰀁󰀁(c)CH4传感单元的分辨特性(CH4体积比50mL/mm3)󰀁󰀁

(d)C2H4传感单元的分辨特性(C2H4体积比50mL/mm3)

󰀁󰀁󰀁(e)C2H2传感单元的分辨特性(C2H2体积比30mL/mm3)󰀁󰀁(f)C2H6传感单元的分辨特性(C2H6体积比50mL/mm3)

图5󰀁分布式传感器分辨气体的特性

(编辑󰀁李世杰)

󰀂31󰀂