容性設備帶電檢測系統的研究

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

1.引言

變電站的正常運轉，離不開大量運行中的電容設備，各個電容設備相互絕緣各個變電站中設備之間的不同的排列使得他們形成了串聯或者并聯的電路。電容設備種類較多，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。變電設備總數的45%左右都屬于容性設備，可見其數量之龐大以及在變電設備安全運行的重要地位[10]。有統計數據顯示，大多數導致容性設備出現故障的原因一般都是設備絕緣缺陷愈演愈烈不斷擴大，從而使容性設備發生了局部放電或者擊穿從而產生了問題。所以能否及時發現容性設備絕緣缺陷、將所發現的問題進行解決，對電網安全的保障具有很大意義。狀態檢修要求只根據設備的實際情況進行檢測，并在需要時才安排維護和維護，這樣不僅可以避免不必要的停電維護，同時，因為工作的預防性和針對性，可以很快的發現設備早期的絕緣缺陷。狀態檢修不僅可以避免了設備發生突發性事故，而且還能有效地延長了設備的使用壽命。目前技術所支持的對容性設備的在線監測主要測量數據包括了電容量大小以及介質損耗值大小等。要對電氣設備進行絕緣劣化、局部缺陷、以及絕緣體是否受潮等檢測，可以通過測量介質損耗角正切值來進行。介質損耗角正切值可以用符號tan δ 來表示。絕緣狀態的劣化在絕緣性上的表現主要有以下幾個方面：介質損耗值的增加，直至產生絕緣擊穿現象；產生局部放電。然而以上兩種現象都可以通過測量tan δ的值的變化來確定。

2.系統工作原理

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

（1）相關函數法

假設 N 為T內的采樣點數，則表達式可以如式(2.4)、(2.5)、(2.6)所示。

由此得出介質損耗角如式(2.7)所示。

可以明顯看出，采用相關函數法可以簡化計算，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，將系統諧波干擾影響去除便可進行求解電容設備介質損耗因數從而得到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，進而求其介質損耗因數。

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行變換之后進行諧波分析，由基波分量得出介損角。諧波分析法運用了三角函數的正交性原理，之后對其進行傅立葉變換從而求得各項參數的基波參數。該方法能將各種干擾克服以保證精度與穩定性。

3.容性設備系統設計總體結構

在現場復雜的環境下被測電流信號十分微弱，所以測量絕緣介質損耗時對相位的精度要求很高。由于周圍環境比較復雜，信號常常被淹沒在外界干擾及白噪聲中，因此要求采樣設備應該具有良好的精度與穩定性。傳感器的性能對信號采集準確性的影響是十分大的，傳感器需要避免被測設備與測量設備直接接觸產生干擾，采樣時應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測系統的設計中就顯得尤為重要。

本系統采用高精密泄漏電流傳感器，主要采用差動比較及深度負反饋相結合的方式，選用坡莫合金作為鐵芯，利用特征標定及匝數補償法，設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定性。有如CT,CVT,OY ,TB等泄漏電流相對較大，有的甚至達到了微安級。所以傳統的無源傳感器不能夠滿足檢測裝置的精確性與穩定性要求，故不適用于本系統的應用。如何在強磁場條件下進行信號的獲取是系統設計的一個重要指標。

本系統基于有源零磁通技術開發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確的感應出電壓大小，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率以及繞線匝數大小，線圈骨架尺寸等都有關系。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，所以繞線匝數也不能作為改變互感大小的關鍵。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行比較,分析各種參數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，起始導磁率高，優點突出。通過采用深度負反饋技術，能夠使得鐵芯在零磁通量狀態下工作。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。在設計結構時使用了穿芯結構，該結構對設備的安全有良好保障。經過一段時間的試用，對該傳感器的檢測能力進行評定認為該傳感器能夠準確檢測100 —1000 的工頻電流，其檢測產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，能夠勝任變電廠現場的復雜工況。對電壓信號進行檢測時，可以將電壓信號通過無感電阻轉換為電流信號進行測量。

外積分電路具有選頻特性，可以對高壓電氣設備進行測量。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。經過測試發現，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 設計的泄漏電流傳感器和電阻分流器采樣對比

結果發現：將標準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行對比發現，二者峰值以及周期幾乎相同。然而，標準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重。而傳感器采集的圖像較為標準，這是因為其受空間電磁場的干擾被去除。

4.容性設備帶電檢測系統的數據分析

變電站運行現場，有很多因素會影響介損檢測數據準確性和穩定性，除工頻干擾因素外，還有如下原因：測量介損所選取的基準信號都取自PT的二次側電壓，而PT本身是存在誤差的；二次回路負載的變化會導致PT誤差的變化；環境溫濕度的變化及表面泄漏電流的影響等。這些因素發生變化時，檢測數據都會隨之發生波動，且無規律可言。因此采樣絕對介損的檢測系統往往不能正確地進行識別判斷，當然也就無法了解被測設備絕緣的真實狀況。

設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絕對值判斷法更加起到提高測量結果可信度消除外部環境影響的作用。

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

(2) 對于具有相同結構的兩個電氣設備，檢測數據結果受到外部環境因素影響程度相似，其電容量比值或者介損差值受到環境影響幾乎為零。

(3) 對于同一組電氣設備受到變電站運行方式變化的影響狀況大體相同，檢測結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、機構動作還是環境條件變化均會引起測量結果的波動，如果根據單次測量結果進行判斷則會引發誤報，當前運用到的一些智能理論方法，如模糊理論、神經網絡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之中，在測量過程中，可以通過對某段時間內的實時均值進行測量從而得出相關數據來保證診斷結果的合理性。圖4.1給出采用實時均值法進行數據處理的結果，證實建立的算法結果理想。

圖4.1 數據處理結果

該系統還具備較為完整的自檢功能，可以在輸出檢測數據的同時給出該數據的置信度，使得因系統故障而產生的錯誤數據被有效杜絕。當本地測量單元中任一部分出現問題時，檢測系統會在用戶計算機中向用戶反映相應的故障信息。錯誤的測量數據也不會輸出。

5.結論

本文主要對容性設備介質損耗及帶電檢測系統進行研究，采用相關函數法和諧波分析法得到容性設備的介損值，由分析得出相關函數法可以簡化計算，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的正交性原理，之后對其進行傅立葉變換從而求得各項參數的基波參數。該方法能將各種干擾克服以保證精度與穩定性。帶電檢測系統采用高精密泄漏電流傳感器，可以有效的提高測量精度，然后利用相關介損法對測得的數據進行分析，但是由于現在環境十分嘈雜，會對測量結果有很大影響，因此，今后帶電檢測系統還需提高對數據準確性的研究。

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