一種容性設備在線監測裝置全系統校驗方法研究及校驗系統開發

王 賦,王 任,王作松

(云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院,昆明 650217)

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一種容性設備在線監測裝置全系統校驗方法研究及校驗系統開發

王 賦,王 任*,王作松

(云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院,昆明 650217)

在總結分析容性設備在線監測裝置現有校驗方法的基礎上,提出一種新型的全系統校驗方法,并開發相應的校驗系統,實現容性設備在線監測裝置離線條件下泄漏電流和介損值準確性的全量程校驗以及在線條件下實際運行點的校驗。通過量值溯源和現場驗證試驗,證明該校驗系統的介損測量絕對誤差<0.1%,電容比率測量相對誤差<2%,滿足校驗需求。

高電壓測量技術;容性設備在線監測裝置校驗;介質損耗;泄漏電流

電力系統中,高壓容性設備約占變電站設備總量的40%～50%,其絕緣狀態是否良好直接關系到整個變電站能否安全運行,因而對其絕緣狀態進行監測具有重要的意義。長期以來,絕緣監測的主要方法是在設備停電的基礎上進行常規預防性試驗。近年來,隨著電力系統朝著高電壓、大容量方向發展,容性設備的在線監測較之傳統的預防性試驗在提高系統供電的可靠性、提高電力系統經濟效益、增加人身安全性等方面均具有明顯的優勢,因此被廣泛安裝和應用[1-4]。但從目前國內容性設備在線監測裝置的安裝和運行情況來看,效果并不理想[5],尚存在許多技術問題亟待進一步解決:

(1)傳感器通常采用高導磁材料作鐵芯的高靈敏度電流互感器,此類互感器為提高小信號測量的靈敏度,大多采用軟磁芯,因此,其磁性易受外界條件(如溫度、壓力、沖擊等)影響,進而影響測量的準確性[6-7]。

(2)介損測量穩定性差和重復率高,測量誤差大。

(3)由于在線監測的實時連續性,現場環境中強烈的電磁干擾一直是影響在線監測系統安全可靠運行的重要因素。

因此,為對容性設備在線監測裝置的運行情況,尤其是測量穩定性和準確性進行有效評價,對其開展校驗勢在必行。

1 容性設備在線監測裝置的校驗方法現狀分析

容性設備在現場運行中存在許多干擾因素,造成測量數據出現較大誤差,對其進行現場校驗是校正誤差的有力手段。目前,國內對容性設備在線監測裝置的校驗尚處于探索階段,已有的校驗方法可歸納為以下幾種[8-10]:

(1)傳統校驗方法,采用實驗室模擬試驗的方法。在高壓實驗室通過電容、電阻組成的串并聯網絡模擬容性設備,通過改變阻容網絡參數改變在線監測裝置監測量(如泄漏電流、介質損耗等)的大小,將阻容網絡的標準值(介損、電容等)與在線監測裝置測量值進行對比,從而判斷在線監測裝置測量的準確性及靈敏度,試驗原理如圖1(a)所示。此種方法由于在實驗室內進行,與現場實際運行環境相差甚遠,無法考核在線監測裝置的現場抗干擾能力。且由于電容的接入,不可避免地對電網的諧波進行放大,進而對校驗結果產生較大的影響。

圖1 容性設備在線監測裝置校驗原理圖

(2)在變電站現場將高壓容性設備退出運行,并在其末屏串接阻容網絡,對容性設備進行10kV離線絕緣試驗,利用高壓電橋等標準測試設備測得實際絕緣狀態參數,試驗接線原理如圖1(b)所示。另用在線監測裝置同測對應的數據,試驗接線原理如圖1(c)所示。將兩次得測得結果進行變化量的對比,從而判斷在線監測裝置測量的準確性及靈敏度。此種方法雖在現場進行,但由于承受一定的電壓后,末屏對地的絕緣呈現非線性特性,造成測量數據呈現不穩定性,為測量結果帶來較大的誤差。

(3)在帶電情況下通過斷開被試設備末屏線,串接電阻器件,改變被試容性設備的介損值大小,然后將理論值與線監測裝置的測量值對比,判斷在線監測裝置的準確性及靈敏度,試驗原理如圖1(d)所示。由于末屏耐受電壓值有限,此種方法串接的電阻器阻值允許范圍很小,因此測量點選取非常有限(至多2～3個點),無法對在線監測裝置進行寬范圍或全量程測試。

其中:ZT為調壓器,ST為升壓變壓器,CT為電流傳感器,PT為電壓互感器,R1為分壓器高壓臂電阻,R2為分壓器低壓臂電阻,R1、R2、Rn為阻容網絡中的標準電阻,Rs為串接的電阻元件,R、C為串接的電阻和電容,C1、C2、Cn為阻容網絡中的標準電容,Cx為容性設備。

上述3種校驗方法由于各自存在缺陷,均無法對容性設備在線監測裝置進行全面校驗,且不能有效考核測量系統的抗干擾能力,無法評定現場的干擾對測量系統造成的影響。因此,有必要研究一種新的更為行之有效的校驗方法,可以兼顧校驗過程的整體性、完整性,從而實現對在線監測裝置的全量程、全系統校驗和有效評價。

2 容性設備在線監測裝置的全系統校驗系統開發

2.1 系統組成

為實現容性設備在線監測裝置的全系統校驗,開發了相應的校驗系統,組成原理框圖如圖2所示,校驗系統由控制單元、信號發生單元及在線測量單元3部分組成。

圖2 校驗系統組成原理框圖

2.2 系統整體技術參數

系統整體技術參數如表1所示。

表1 容性設備在線監測裝置校驗系統各組成單元的技術參數

2.3 抗干擾技術的實現

容性設備在線監測裝置的運行環境比較復雜,多種干擾因素并存[19],采用有效的措施消除校驗過程的干擾,成為校驗系統開發過程的技術難點和重點。

(1)過采樣抗干擾技術

在線監測裝置所受到的干擾是一系列的寬頻信號:50 Hz～1 MHz,以往普遍認為加裝一級低通硬件濾波器即可以排除高頻干擾。但是,現場調試經驗表明:雜散電容與電感引發諧振,造成被測量信號畸變,導致相位測量數據產生波動。校驗系統中采取的解決方案為:提高數據采集器的采樣頻率至100 kHz/s,對信號進行過采樣,將高頻信號濾除,從而得到準確穩定的結果。此種技術可使介損測量結果穩定性大大提高,介損絕對值分散性不大于0.03%。

(2)數字濾波及模擬濾波技術的結合運用

由于多種干擾因素并存,欲有效消除干擾,僅靠單一的方法無法達到理想的效果。校驗系統中的在線測量單元,通過采用高穩定濾波和陷波帶通電路相結合,將大部分干擾信號被濾過,再利用改進的傅利葉數字濾波方式對殘余干擾信號進行過濾,最后送計算機處理,從而有效濾除干擾信號,提高測量結果準確性。

圖3 校驗系統在線測量單元濾波電路原理框圖

3 容性設備在線監測裝置的全系統校驗

校驗過程分為離線條件下的低信號全量程校驗和在線條件下的實際運行點校驗。

(1)離線條件下的低信號全量程校驗。校驗及接線原理如圖4所示。信號發生單元由信號發生模塊、計算機及外圍D/A模塊組成。控制單元由控制模塊產生所需的數據,調節控制信號發生單元輸出不同幅值和相位的電壓和電流信號,送至容性在線監測裝置進行測量。由在線監測裝置測出被測信號對應的絕緣參量(如泄漏電流、介損等),并與模擬信號代表的電流大小與介損進行直接比較。校驗系統發出的模擬信號,可以覆蓋被試在線監測裝置電流、電壓以及相位的整個測量范圍,從而實現對容性在線監測裝置現場離線條件下電流和介損值的全量程校驗。

圖4 離線條件下的低信號全量程校驗試驗原理圖

其中:CT為電流傳感器,U為標準電壓信號,I為標準電流信號。

(2)在線條件下的實際運行點校驗

在容性設備帶電運行條件下,利用相對法,實際測量該在線監測裝置的測量對象——容性設備的介損和電流值,校驗接線原理如圖5所示。將校驗系統在線測量單元的測試值與在線監測裝置的測試值進行對比,實現容性在線監測裝置實際運行點的準確性校驗。其中:CT、CT1、CT2為電流傳感器,Cx1、Cx2、Cx3、Cxn為容性設備,PT1、PT2為電壓互感器。

通過綜合分析離線和在線條件下的校驗數據,對被試在線監測裝置的基本準確度和抗干擾能力的給出整體評價。

圖5 在線條件下的實際運行點校驗試驗原理圖

4 驗證試驗

4.1 校驗系統的量值溯源和誤差試驗

為檢驗研發的校驗系統各參量測量的準確度等級是否滿足現場校驗需求[23],進行相應的量值溯源和誤差對比試驗。調節信號發生單元,發出一系列的標準信號,將高精度的KMSB30電橋與校驗裝置的測量單元并聯后,一并連接到標準信號發生單元輸出端,同時對輸出信號進行測量,分別記錄KMSB30電橋與校驗裝置的測試數據,試驗結果見表2。

表2 校驗系統的量值溯源和測量誤差試驗數據 單位:%

由表2可以看出,校驗系統信號發生單元的介損絕對誤差<0.05%,電容比率相對誤差<0.5%;校驗系統測量單元的介損測量絕對誤差<0.07%,電容比率測量相對誤差<1%。

4.2 現場驗證試驗

選取三岔變電站220 kV開關站的6組電流互感器作為被試品,利用校驗系統的在線測量單元對進行在線狀態下的介損、電容比值進行測量,用以驗證在線條件下對在線監測裝置進行實際運行點校驗的準確性和可行性。校驗中,以211作為參考項,其余為被測項,每次測量可得到兩個電流互感器的介損差值和電容比值。測量數據如表3所示,其中,CN為標準項,CX為被測項,(tanθ2-tanθ1)為實測介損差值,C2/C1為實測電容比值,(tanθ20-tanθ10),C20/C10為相應的設備預防性試驗值。

比較兩種不同的方法所測結果,可以得出以下結論:與傳統的預防性試驗數據相比較,校驗系統的介損測量誤差不大于0.05%,電容比值誤差不大于2%。因此,用此種校驗方法和相應的校驗系統對現場容性設備在線監測裝置開展校驗工作是可行的。

表3 三岔變電站現場校驗數據對比

5 結束語

針對容性設備在線監測裝置的運行現狀,提出了一種新型的容性設備在線監測裝置的全系統、全量程校驗方法,并開發了相應的校驗系統。較之以往的校驗方法,具備以下優點:

(1)對于目前主流的兩種容性設備在線監測裝置(絕對法和相對法),校驗方法均適用;

(2)通過調節校驗系統信號發生單元的幅值和相位,可實現對容性設備在線監測裝置的全范圍、寬量程校驗;

(3)校驗系統準確度較高,能滿足現場校驗的需求[3]。校驗系統介損測量絕對誤差<0.1%,電容比率測量相對誤差<2%。

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王賦(1964-),男,漢族,學士,高級工程師,主要從事高電壓技術的試驗及研究工作,wangjing_765@sina.com;

王任(1982-),女,漢族,遼寧沈陽人,碩士,工程師,主要從事高電壓技術的試驗及研究工作,wangren9@163.com;

王作松(1968-),男,漢族,學士,高級工程師,主要從事高電壓技術的試驗及研究工作,1308472901@qq.com。

ResearchofaNewCalibrationMethodfortheWholeSystemofCapacitiveEquipmentOn-LineMonitoringDeviceandDevelopmentofItsCorrespondingCalibrationSystem

WANGFu,WANGRen*,WANGZuosong

(Yunnan Electric Power Test and Research Institute,Kunming 650217,China)

On the basis of analysis of the existing calibration methods for the capacitive equipment on-line monitoring device,a new calibration method is proposed and its corresponding calibration system is developed in order to evaluate the capacitive equipment on-line monitoring device. The calibration process is completed by detecting the measurement accuracy of the leakage current and dielectric loss factor for the full measurement range off-line and the specific actual value of that on-line. It has been verified that the calibration system meets the requirements. The absolute error of dielectric loss of this system is less than 0.1%,and the relative error of capacitance ratio is less than 2%.

high voltage measurement techniques;calibration of capacitive equipment on-line monitoring device;dielectric loss factor;leakage current

2013-11-05修改日期:2013-12-02

TM835

:A

:1005-9490(2014)06-1215-06

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.041