電容型設備絕緣在線監測現場應用實踐

2012-09-12 01:54:56商小峰魏澤民

浙江電力 2012年10期

商小峰，段彬，魏澤民

（嘉興電力局，浙江嘉興 314000）

0 引言

電力系統中，電容型電氣設備包括電容型套管、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，數量約占變電站設備總臺數的40%～50%，其穩定運行對變電站十分重要[1-2]。因此，對電容型電氣設備進行在線監測具有重要意義。

介質損耗角δ或介質損耗因數tanδ僅與絕緣材料的性質有關，與絕緣材料的尺寸大小和形狀無關，是電介質的固定值。因此，通常通過測量電容型設備的介質損耗因數tanδ來判斷設備的絕緣狀況[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、不易現場在線測量的缺點，因此應用較少。現場在線監測多采用數字測量技術，其優點是過程自動化、數據可分析、表現手段更直觀，易于集成更大、更廣泛的狀態監測系統[5-6]。

電容型電氣設備的絕緣在線監測主要分為電流/電壓信號提取、介質損耗角測量、tanδ監測值的數據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和關鍵，也是易受溫度、濕度、系統諧波及系統電壓影響的環節[7-10]。因此，本文對電容型設備絕緣在線監測中的電流/電壓采樣環節進行了現場實踐。

1 電流/電壓采樣現場實踐

1.1 電容型設備在線監測項目應用背景

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

1.1.1 電容型設備在線監測實施技術路線

電容型設備在線監測的主要對象是大德變電站內110kV及220kV的TA和線路避雷器。監測裝置采用分布式結構，在每臺或每組被監測設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字量，并通過數字化的通信總線傳送到系統主機，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。現場安裝過程中，每臺電容型設備安裝1套監測單元，每個監測單元為1U或2U高的標準設備。當現場的電容型設備過多時，可以考慮增加1個電容型設備監測綜合單元（IED）。不同的電容型設備監測單元通過485總線接入到綜合監測單元（可串接6個端口）。當有多個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端子中引出TV電壓信號；電流采集單元從電容型設備（TA、避雷器）末屏采集電流信號。

1.1.2 信號取樣裝置的技術要求

從測量精度與安全考慮，對電壓和電流采集設備提出了設備選型要求：

（1）不應改變被測設備原有的結構。

（2）在取樣點安裝可靠的保護裝置。

（3）不影響耦合電容器的通信回路。

1.2 電容型設備介質損耗的測量原理

數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器方式獲得2個信號的時間差，再根據信號周期轉換成相位差。該方法對硬件電路的穩定性要求較高，電路自身的漂移、諧波干擾的影響均是難以克服的問題。

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

圖1 電容型設備介質損耗及電容量參數監測原理

測量原理如下：進行電流/電壓信號采樣時，母線TV的二次電壓信號Un經過電阻R變換為電流信號In，由安裝在TV下方的本地測量單元LU1進行檢測，電容型設備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的信號采集系統同時啟動，對傳感器輸出的模擬電壓信號進行同步采樣及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）。中央監控器 CU 只需通過現場通信總線讀取LU1及LU2對應的相位測量結果，即可計算出電容型設備末屏電流信號Ix相對于母線電壓Un的相位差Ph，從而獲得其介質損耗tanδ和電容量Cx等絕緣參數。

1.3 電流采樣單元的現場實踐

電容型設備絕緣在線監測需要提取設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[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果的準確性。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果的影響，使測試系統具有較高的穩定性。因此，從提高在線監測系統測量精度的角度考慮，目前大多采用有源電流傳感器。

現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[12]，輸入/輸出信號的角差控制在±0.01°范圍內。

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

1.4 電壓采樣單元的現場實踐

目前國內大多數電容型設備在線監測系統都采用TV的二次側電壓作為基準電壓與試品電流相比較[11]。獲取基準電壓的主要方法是從電壓傳感器TV的二次側獲得，其影響測量準確性的主要因素有TV二次負荷、勵磁電流和一次電壓參數的變化。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，勵磁電流也基本穩定，故影響δ的主要因素為二次負荷的變化[7]。TV二次負載變化引起的角差變化很大，對電容型設備的tanδ影響很大；TV的準確性越差，對tanδ值測量的影響就越大[13]。

TV一般有2～3個二次繞組，分別供繼電保護和測量儀表，其中供繼電保護的精度為0.5級，供測量儀表的為0.2級。因此在現場實踐中，從剩余的測量儀表引出基準電壓，其測量角差為±10′，即相當于±0.3%的介質損耗測量絕對誤差。由于所采用的0.2級繞組無其他負載，角差基本穩定，為了進一步穩定測量數據，在測量系統中給予補償。

2 介質損耗測量數據分析

2.1 介質損耗測量數據穩定性分析

為了校驗測量電容型變電設備絕緣在線監測數據的可靠性，對1號主變壓器220kV開關流變TA的介質損耗進行了多次在線測試。為了在相似情況下討論介質損耗在線測量的準確性，選擇了具有代表性的10組數據，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的介質損耗測量值穩定在一定范圍內。為了更好地確定其在線測量的穩定性，在相同的環境下，以現場西林電橋測量值為基準，將在線測量介質值同基準值進行了比較，A相、B相、C相的介質損耗相對誤差分別為0.29%，0.33%和0.25%。由此看出，在這種現場應用方式下所測得電壓互感器介質損耗的數據穩定性較高，均小于0.4%。

2.2 介質損耗測量數據受環境影響情況

文獻[9]指出：良好絕緣在允許的電壓范圍內，其tanδ隨電壓升高應無明顯變化。三相系統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%，母線電壓基本穩定。因此，本文主要討論介質損耗受環境因素變化的影響情況。

2.2.1 溫度對介質損耗測量的影響

為研究電容型設備介質損耗受環境變化的影響情況，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介質損耗測量值，數據曲線如圖3、圖4所示。線路TA的相關信息如表2所示。

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

表1 電流互感器介質損耗在線監測數據%

表2 線路TA設備信息

從圖4可以看出，線路2的三相TA介質損耗隨著溫度的變化也呈現一定的周期變化。與線路1相比較，線路2的三相TA的介質損耗變化范圍更小，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。現場檢查發現線路2的TA表面清潔狀況較線路1的TA表面狀況要好，這說明經過一定時間的運行后，污垢程度對介質損耗也有一定影響。

2.2.2 濕度對介質損耗測量的影響

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

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相進行對比分析，如圖6所示。可以看出，線路1的B相TA介質損耗與濕度的變化趨勢完全一致，而線路2的B相TA介質損耗與濕度變化的一致性較差。

2.2.3 溫度、濕度對介質損耗測量的綜合影響

針對上述分析，發現對線路1的TA而言，其介質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，可以認為溫度和濕度對線路1的TA介質損耗影響基本相同。但是，對于線路2的TA而言，其介質損耗變化趨勢受溫度和濕度影響的規律性較差，無明顯周期。其中，在如圖7所示的圓圈時間范圍內，線路2的B相TA介質損耗隨著濕度的增加而降低，而該范圍內溫度卻是上升的。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備，溫度和濕度對其介質損耗的影響是不同的。