（机械工程专业论文）韩城二电主变压器绝缘在线监测研究与应用.pdf

论文题目：韩城二电主变压器绝缘在线监测研究与应用 专业：机械工程 工程硕士：薛雪琴( 签名) 指导教师：马宏伟( 签名) 刘拴贵( 签名) 摘要 韩城二电厂是目前我国西北地区单机容量和总装机容量最大的火力发电厂。计划总 装机容量为4x6 0 0 m w ，分两期完成。一期工程2 台6 0 万k 霄发电组于2 0 0 5 年底投产运 行，经变压器升压，输送高压电，年转供电量约4 0 亿k w h ，最高负荷1 2 0 万k w 。电网 的安全运行至关重要，特别是变电站设备的正常运行对保证电网运行和稳定具有重要意 义。变电站主变压器是电力系统的主要设备，其运行的可靠性直接关系到电力系统的安 全及供电的可靠性，为保证电力系统的安全运行，必须加强对变电站主变压器绝缘的监 测。 主变压器套管介损在线监测原理及应用研究，提出以电流和电压过零相位差为原理 的在线监测介损的方法，分析了产生误差的原因及系统干扰的来源，提出了适合现场实 际的抗干扰的方法，通过现场实测数据说明了变压器套管介损在线监测系统可行性。主 变铁芯接地电流的在线监测技术的研究，提出并采取了不同档的传感器在线监测铁芯接 地电流的新方法。主变油中六种溶解气体在线监测原理及应用的研究，提出以渗透膜、 多传感气敏元件检测油中多种气体为特征的变压器油中六种溶解气体色谱在线监测方 法，通过现场实测数据分析了其运行的稳定性与可靠性。 通过对变电站主变压器开展在线监测的研究，为变电站推广综合自动化无人值守站 打下了基础，提供了可靠的依据。运行分析表明：主变在线监测合理、可靠，能作为判 断主变绝缘状况的依据。 关键词：韩城二电；主变压器；在线监测；绝缘；应用 研究类型：应用研究 s u b j e e t ：s t u d ya n da p p l i c a t i o no f t h em a i nt r a n s f o r m e ro n - l i n e i n s u l a t e sm o n i t o r i nt h es e c o n de l e c t r i cp o w e r p l a n to f h a n e h e n g s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e：x u ex u e q i n g i n s t r u c t o r ：m ah o n g w e i l i us h u a n g u i a b s t r a c t ( s i g n a t u 鹏l 址l 洫珥 t h es e c o n de l e c t r i cp o w e rp l a n to fh a n c h e n gi st h el a r g e s tt h e r m a lp o w e rp l a n tw h i c h h a sb o t ht h es i l l 百ea n dt h et o t a lc a p a c i t yi nn o r t h w e s to fc h i n a w h i c hp l a n e dt h et o t a l c a p a c i t yi s4 x 6 0 0 m w , p a r t e dt w op e r i o d t h ef i r s tp r o j e c tw a sf i n i s h e di n2 0 0 5 ，i n c l u d i n g2 s t a g e s6 xl o o m wg e n e r a t o r sg r o u p ，r a i s e du pb yt r a n s f o r m e rt r a n s p o r tt oh i g h - v o l t a g en e t , p r e f e r r i n gp o w e r4 x l o g k wp e ry e a r , t h em a x i ml o a d i n gi s1 2 x 1 0 5 k w t h es a f ec i r c u l a t eo f t h ee l e c t r i f i e db a r b e dw i r en e t t i n gi sv e r yi m p o r t a n t , e s p e c i a l l yn o r m a lc i r c u l a t eo ft h e t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ne q u i p m e n t sh a st h ei m p o r t a n tm e a n i n gt oa s s u r a n c ec i r c u l a t i n go ft h e e l e c t r i f i e db a r b e dw i r en e t t i n g t h em a i nt r a n s f o r m e ro ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ni st h em a i n e q u i p m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t h e s ec o u r t i e r sa n dr e l i a b i l i t yo ft h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e mi sd i r e c t l yi n f l u e n c e db yi t sr e l i a b i l i t y i no r d e rt og u a r a n t e et h es a f ec i r c u l a t eo ft h e e l e c t r i cp o w e rs y s t e m , t h ei n s u l a t i o nm o n i t o r i n go ft h em a i nt r a n s f o r m e ri sn e c e s s a r i l y r e i n f o r c e d t h eo n - l i n em o n i t o rp r i n c i p l ea n da p p l i e dr e s e a r c h e so f d i e l e c t r i cl o s so f at u b eo f m a i n t r a n s f o r m e r , w i t l lt h ed i e l e c t r i cl o s sf o rt h eo n l i n em o n i t o rp r i n c i p l em e t h o do ft h ec u r r e n t a n dv o l t a g el e a d sz e r op h a s es h i f t s ：t h ee r r o rm a r g i na n dt h es o u r c ea n a l y z e dt op r o d u c et h e l a s o no ft h es y s t e mi n t e r f e r e n c e s ，p u tf o r w m dt h ei nk e e p i n gw i t hs p o tt h em e t h o do ft h e a c t u a la n t i - i n t e r f e r e n c e m e a s u r i n gt h ed a t aa c t u a l l ye x p l a i n sp o s s i b i l i t yo fo n - l i n em o n i t o r s y s t e mo fd i e l e c t r i cl o s so ft h et r a n s f o r m e r st u b e t h er e s e a r c ho ft h eo i l - l i n em o n i t o r i n go f g r o u n d i n ge l e c t r i c c u r r e n ti ni r o nc o r ep r e s e n t st h en e wm e t h o dt h a ta d o p t sd i v e r s e l o n g - s t r i n gs e n s o r t h eo n - l i n em o n i t o rp r i n c i p l ea n da p p l i e dr e s e a r c h e so fs i xk i n d so f d i s s o l v e dg a s e si nt h et r a n s f o r m e ro i li st h eo n l i n ec h r o m a l o g r a mm o n i t o r i n gm e t h o db a s e d o nv a r i o u sg a s e sc h a r a c t e r i s t i co ft h ep e r m e a b l ef i l ma n dm u l t i t r a n s m i tg a ss e n s i t i v e c o m p o n e n t m e a s u r i n gt h ed a t aa c t u a l l ya n a l y z e st h es t a b i l i t ya n dt h ec r e d i b n i t y t h er e s e a r c ht h a td e v e l o p st h eo n l i n em o n i t o ro ft h em a i nt r a n s f o r m e re x p a n d e dt h e c o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o nn ob o d y ss t a t i o nt om yaf o u n d a t i o nf o rt h es e c o n de l e c t r i cp o w e r p l a n to fh a n c h e n g , p r o v i d e dt h ed e p e n d a b l eb a s i s c i r c u l a t et h ea n a l y t i c a li n d i c a t e d ：t h e o n - l i n em o n i t o r i n go ft h em a i nt r a n s f o r m e ri sr e a s o n a b l ea n dc r e d i b l e i tc a j u d g et h e i n s u l a t ec o n d i t i o no f t h em a i nt r a n s f o r m e r k e y w o r d s ：t h es e c o n de l e c t r i cp o w e rp l a n to f h a n c h e n g m a i nt r a n s f o r m e r o n - l i n em o n i t o r i n s u l a t e a p p l y t h e s i s ：a p p l i e ds t u d y 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：霄、予静期：叼酝 l 绪论 l 绪论 1 1 变电站主变实施绝缘在线监测的意义 韩城二电厂是目前我国西北地区单机容量和总装机容量最大的火力发电厂。计划总 装机容量为4 6 0 0 m w ，分两期完成，一期工程2 台6 0 万k w 发电组于2 0 0 5 年底投产运 行，经两台3 3 0 k v 变压器升压，输送高压电，年转供电量约4 0 亿k w h ，最高负荷1 2 0 万姗，电厂的安全生产运行影响着整个西北电网的供电质量。由于其地位的特殊性，对 电网的安全运行提出了更高的要求。电力生产的特点是发、供、用同时完成，电能不能 大量储存，为保证供电可靠性，必须提高供电设备的健康水平，确保电力系统的安全生 产。电气设备是组成电力系统的基本元件，是保证供电可靠性的基础。特别是变电站主 变压器的正常运行对保证电厂生产稳定和电网的安全稳定运行具有重要意义。运行经 验表明，导致主变设备事故的主要原因是其绝缘性能的劣化”。所以，运行中主变压器 的绝缘状态对电力系统的安全运行至关重要”“，要求运行及检测人员必须加强电气设备 绝缘的监测与诊断“1 ，及早发现隐患，采取措施确保电力设备的安全运行。 随着电网容量的逐渐增大，电压等级的不断提高，设备故障所产生的影响也相应增 大。因此，从事故后检修制逐渐发展到预防性维修制叫，即定期更换设备的重要部件， 以减少停电事故。从8 0 年代起，由于1 i 0 3 3 0 k v 电压等级的电网己经具有大的规模， 设备故障所带来的损失和影响也更大，供电的可靠性要求也相应提高，于是从预防性维 修制逐渐演变为维修预防制，即在设计时，根据设备在运行中的重要性，要求在设计阶 段有意提高可靠性和维修性。在从预防性维修制向维修预防制的过渡中，人们逐渐探索 定期对某些设备的绝缘停电作非破坏性和破坏性试验研究，逐渐总结出了对某些设备的 预防性试验试行标准，并逐渐形成了局部预防性维修体系；从6 0 年代起，各国相继制 定出了比较规范的停电预防性试验标准，从而进入了预防性维修制时代，即定期试验， 然后，根据相应的标准，判断绝缘老化状态，进行有目的维修。 随着经济的快速发展，人们逐渐认识和发现定期停电进行预防性试验的缺陷和不足 0 1 。为此，人们在采用预防性维修制的同时，也积极探索带电检测的试验方法。由于带 电检修的整个思路与预防性试验并没有发生根本性变革，而采用停电预防性试验的仪器 以加强绝缘等手段来实现带电检测，不仅安全可靠性差，而且测得的数据分散性也大。 虽然带电检测缺乏推广应用的价值，但重要的是使人们认识到了在运行电压下的带电检 测比停电后加较低试验电压下的预防性试验更能真实反映设备的运行状态。到了8 0 年 代，特别是近1 0 年来，随着超高压和特高压输变电技术的迅速发展，电网容量越来越 大，覆盖面广，若一台主变压器发生故障，其影响和损失是相当惊人的。因此，人们迫 西安科技大学工程硕士学位论文 切需要对电气设备在运行状态下的状况有实时或定时的了解，以便及时采取有效的维护 对策，消除潜伏性故障和缺陷，尽可能地减少停电损失。由于现行的预防性试验电压太 低。1 ，无法真实地反映运行电压下的绝缘性能和整个工作状况。因此，必须对现行的预 防性维修制进行根本的变革，其发展方向必然是采用在线监测及诊断技术。”1 ，并探索 以在线监测为基础的状态维修制，由以预防性试验为基础的预防性维修体系逐渐过渡到 预知性状态维修体系。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 是采用高灵敏度的传感器对反映电气设备绝缘在运行中劣化的信息( 特征量) 进行采集， 信息的处理和辨识依赖于具有丰富软件支持的计算机网络”1 。 由于整个在线监测系统的原理与预防性试验的检测原理不同，不仅可以将某些预防 性试验项目改变为在线监测，而且根据在线监测的特点还可以引出一些新的可更真实地 反映设备运行状态的特征量，引入信息处理和辨识的新技术对故障进行综合评判，实现 智能化诊断“”。 1 2 主变绝缘在线监测技术的国内外研究现状及发展趋势 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，而是采用高灵敏度的 传感器对反映电气设备绝缘在运行中劣化的信息( 特征量) 进行采集“，信息的处理和辨 识依赖于具有丰富软件支持的计算机网络“。由于它能够迅速、准确地监测运行中设备 的绝缘状态，为电力系统的安全运行提供了可靠的保证，因此越来越受到国内外普遍重 视。这一技术要求对运行中电气设备的主要绝缘状态及时和连续掌握，即要研究开发能 对实际运行中电气设备的主要性能参数进行实时在线和连续测量的监测技术和相应的 监测设备“”。由于主变绝缘在线监测反映的运行电压下的电气异常信号很微弱，变化幅 度大，易受现场电磁干扰等原因，使得信息的采集、传输、处理、诊断等比电力系统运 行参量的监控复杂的多。因此，电气设备运行状态在线监测及诊断技术自然比电力系统 自动化技术发展慢的多。直到最近几年，伴随着传感器、光纤、计算机、信息处理等新 技术的惊人发展，在线监测及诊断技术才变成了可能和实现“7 ”1 。目前，国内外都相继 研究成功了各种单一特征量在线监测装置，并投入了现场运行“”1 ，有的己开发出商业 化产品，电气设备绝缘在线监测的研究现状：早在1 9 5 1 年美国西屋公司的约翰逊 ( j o h n s j o h n s o n ) 针对运行中的发电机故障而提出并研究了在运行条件下进行监测，这 可能是最早提出的在线监测思想。美国从6 0 年代起开始发展在线监测技术，日本从7 0 年代开始发展。经过几十年的发展研究，国外已成功地研制了不少在线监测装置o “， 如加拿大安大略水电局研制了用于发电机的局部放电分析仪( p d a ) ，魁北克水电局研 究所研制了一套多参数的监测系统( a i m ) ，日本东京电力公司于8 0 年代研制了变压器 局部放电自动监测仪”1 ，前苏联也发展了电容性设备绝缘监测和局部放电的在线监测技 术。8 0 年代以来我国的在线监测技术也得到了迅速发展汹3 ，特别是各省电力部门都研制 了电容性设备的监测装置”1 ，主要监测介质损耗、电容值、三相不平衡电流。1 。电力部 2 l 绪论 电力科学研究院、武汉高压研究所、东北电力试验研究院等单位还研制了各种类型的局 部放电监测系统m ，。 在线监测系统的发展方向是开发多功能多参数的综合监测和诊断系统；对变电站的 整个电气设备实行集中监测和诊断，提高监测系统的可靠性和灵敏度啪川。随着传感器、 光纤、计算机、信息处理等新技术的惊人发展，绝缘在线监测及诊断将发展到人工智能 技术，变电站自动化监测水平将得到很大的提高。如美国、加拿大、日本等国还相继开 发出变电站多信息量的在线监测装置1 ，投入了2 2 0 5 0 0 k v 系统运行，并己总结出某些 设备的状态维修试行标准。8 0 年代以来，我国的在线监测技术也得到了迅速发展，虽然 起步比国外迟，但在国外己经取得经验的基础上，不少单位都相继研制出了单一和多信 息量在线监测装置，在试运行中己显示了各自的特色和优势。如电力部电力科学研 究院、武汉高压研究所、西安高压研究所等研制了部分高压设备单一特征量的在线监测 装置，并投入了现场运行。随着我国电网容量的迅速增大和电压等级的不断提高，供电 的可靠性己显得越来越重要，因此，在线监测及诊断技术在我国有十分良好的前景。 1 3 主变实施绝缘在线监测系统总体方案设置 针对韩城二电变电站现场运行状况，设置了绝缘在线监测系统的总体方案，对其主 变实施在线监测，主要对象为主变套管的介损、油中六种溶解气体的色谱及铁芯接地电 流；通过各种传感器，采用信号获取、长距离传输、数字采样、多机通讯、工业控制中 心处理系统的总体技术实施方案。总体方案框图，如图1 1 所示。 图1 1 总体方案框图 3 西安科技大学工程硕士学位论文 1 4 本文研究的主要内容 针对电厂变电站主变的实际运行情况，结合目前我国多参量在线监测技术的研究现 状，提出论文的主要研究工作： 1 4 1 主变套管介损在线监测原理及研究应用 ( 1 ) 通过多方面考虑，若采取光电器件灵敏度较差，若采取高灵敏度光电元件， 价格昂贵。采取电磁感应原理中的零磁通原理，亦需要偏流放大电路，同时，还需要非 常好的屏蔽，非常不方便。论证之后，设计采用类似电流互感器原理的电流传感器比较 合适啪1 ，其原理框图如图1 2 所示。 工 图i 2 类似电流互感器的原理的电流传感器原理图 由于电流传感器的原理要串入设备的接地线，电流传感器做成环形，原边用等效直 径为由1 0 的编织圆铜线，根据信号大小需要决定原边环绕匝数，然后通过有绝缘套管的 巾1 0 铜棒引线与接地线串接。 选择传感器类型和元件，使用金属屏蔽外界电磁干扰，以减少通过传感器进入系统 的干扰。选择精密元件并不断优化传感器结构，达到较高的精度稳定性。同时引入温度 修正系数，利用软件对其进行校正。 用带屏蔽层的电缆传输信号对输入的信号做滤波处理，仅仅保留有用频段内的信 号。布线时要考虑：滤波器输出不与未经滤波处理的交流线一起布线；数字电路和模拟 电路电源线要分开，数字信号与模拟信号分开；数字地、模拟地、功率地分开，只有一 个连接点，保证一点接地，避免地线回路上有环流引起共模干扰，采用隔离、屏蔽以减 少空间干扰啪1 。 ( 2 ) 电力系统谐波含量丰富，且随时变化，谐波频率、谐波波形畸变率、谐波初 相角等因素对进行绝缘监测的影响很大。电压谐波对介损角度测量带来了较大误差。 低通滤波将三次谐波含量限制1 内，由于滤波器对更高次谐波的抑制能力更强，再加上 电源中高次谐波含量低，所以将五、七次谐波限制在0 3 和0 1 以内c ”, 4 0 1 4 t u 上 l 绪论 ( 3 ) 设计采用电流和电压过零相位差的原理“，对被测量设备的电流、电压信号 进行放大、滤波等处理，高次谐波和干扰信号被除掉，基本只留下基波正弦信号，在通 过高性能方波转换器将其转换为稳定的方波信号，经逻辑电路处理，取电压、电流过零 相位差时间宽度来计算介质损耗角6 的大小。图1 3 ( a ) 、( b ) 为有介质损耗的电压和电 流相量图，图1 4 为电流和电压过零相位差波形图。 图1 3 有介质损耗的电压( a ) 和电流相量图( ” ly 1i m f u ) 厂 r 十习 i a i。 ox 图1 4 电流和电压过零相位差波形图 ( 4 ) 阐明工作原理、制定监测方案，提出实施办法，针对现场情况，完成主变套 管在线监测系统的安装和调试，结合实际数据分析主变套管的绝缘状况，使用信息、自 动化技术，达到对变压器套管绝缘参数的自动、准确地在线监测。 1 4 2 主变铁芯接地电流在线监测原理及研究应用 ( 1 ) 铁芯电流和污秽电流的测量准确性，取决于传送器在测量范围内的线性度和 稳定性，线性度己有分档来保证，经调试它的非线性误差 2 ，由于变压器铁芯的电磁 转换将对监测信号产生电磁干扰，铁芯电流的取样探头要具有良好的电磁屏蔽，为此， 现场采用了双层1m m 厚的铁板做成的屏蔽箱，并用高性能的同轴屏蔽电缆传送取样信 号，经现场测试检验线性度和稳定性都能满足工程要求。用同样的屏蔽箱做成的取样探 头采集污秽泄漏电流，它的稳定性主要取决于气象条件。由于一天中有时气象变化较大， 5 西安科技大学工程硕士学位论文 希望能够灵敏的反映出污秽特征的变化，因此，现场测量必须结合气象条件，来分析测 量数据，否则，测量不稳定“。 ( 2 ) 结合现场实际，提出了主变铁芯接地电流在线监测的实施办法及方案，完成 主变铁芯接地电流在线监测，使用信息、自动化技术，达到主变铁芯绝缘状况的自动监 测。 1 4 3 主变油中六种气体在线监测原理及研究应用 ( 1 ) 油气分离单元组成如图1 5 所示。油中气体渗透薄膜的过程是一个扩散过程， 气体分子从油中向气室的一侧扩散，在一定温度下，一定时间后，膜两侧的气体压力趋 于平衡，达到动态平衡，自动实现了油气分离。 3 六通阀 5 控制设备 图1 5 油气分离单元组成图 气体从薄膜的一侧渗透到另一侧，渗透过的气体总量为： 口：些学= 型 ( 1 1 ) a 其中：h _ 啭膜的渗透系数( 2 s p a ) a 薄膜有效渗透面积( m 2 ) 卜薄膜的厚度( m ) p 。高压侧压强( p a ) p 2 低压侧压强( p a ) h 参透时间( s ) 一般有p 2 ) 呓，传递函数可简化为： 耳u 功= 币j 面丽百而程笔嚣面历再瓦砑q 2 7 ) 其幅频特性为： h ，= 旧( ，国h = 日= 争 ： ! 兰! 圣竺! ! ( 2 n a t 。o ) = 。= = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = =， ( 呓置。一曲2 l r ：r ，c 知) 2 + f - 0 2 【r z k + r ，k + 詹：q j ( r 。巧- - ( d 2 三。品) 】2 1 4 2 变电站主变套介损在线监测 图2 7 传感器传输特性分析 相频特性为： b = 毗丽毒等箍糕而 亿z 。， 对f t 程设计，我们可将进一步简化。一般c 2 为p f 数量级，l 。a 为uh 数量级， 故在低频时，2 l 。：。c 2 。 1 可将( 2 2 8 ) 、( 2 2 9 ) 式简化为： h ，：1 丝堂二一 。 【r ：如一国2 l ，r ：r c 幺】2 + 【( r ：+ 以) 工，0 0 2 岛= 魄老舞象氍 当r - r 。，传递函数在频率为5 0 0 h z 以下时，有： k r 。m 2 一以k 彤c 二l ( l ( 足：+ 胄。) 这时，h i 聪= n 2 r l ，o i - 0 。 可见，在满足低频艮r 。的条件下，h 正比于变比平方与r 。的乘积， 但事实上，它与铁芯的导磁率有关，u 越大，感应电势越高。 从( 2 3 0 ) 可得出： 日n 。= i r 瓦 l r 其条件为：磁盂= 2 三。聪r ，c 0 即：础_ = i 删, c 2 j 这时，钆。= 0 厂丁 眠舻1 玄 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 几乎无相移， ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 值2 0 l o gih 。h 。l 为传递函数幅值下降的d b 数，其3 d b 低频下限截止频率为： 1 5 西安科技大学工程硕士学位论文 尺；r 。 吼2 画赢 q 瑚) 其3 d b 高频上限频率为： 尺：胄。 2 葡菘；麓( 2 3 6 ) 由式( 2 3 5 ) 和( 2 3 6 ) 可见，r 。的引入使( i ) ，。降低，。变大( 尤其是当也r l 时) ； 实际上，r 。的引入拓宽了电流传感器工作频带，当r l 一定时，。主要由l 决定；。 主要由l ：a 和c ：s 决定，也就是说，主电感l 决定了传感器传递函数h 幅值低频段的频 率响应，而漏电抗l 。和分布电容c ：。决定了高频段频率响应。这里要指出的是函数一 定时，l zs 和c zs 两者呈反比例趋势变化，要同时减小l ：。和c ：。是困难的。因此在设 计低频电流传感器时，主要考虑l 。 对于用于实际在线监测装置的电流传感器来说，其电流传感器特性除了满足幅值传 输特性外，还必须满足相频特性要求，以下将以电流传递函数的相频特性来进行分析。 o 。和o ”分别为电流传感器低频和高频允许相位移，从相移的角度同样可得其低频 下限截止频率u 。和高频上限频率m 。 = 志 亿s ， = 等等 眨s s ， ( 2 3 7 ) ，( 2 3 8 ) 式表明：r - 、毗、c 。e 。等参数对相频特性上下限截止频率的影响及 幅频特性的影响一致，这说明导致幅频特性变化的因素，同样也导致了其相频特性的变 化。 式( 2 3 5 ) 到( 2 3 8 ) 分别就传感器电流传递函数允许幅值衰减与相移定义了上下限 截止频率，在幅值的振点附近，其输出信号幅值最大，相对于输入信号的相移最小。设 计低频电流传感器时，在低频范围内，要得到信号的最大传输量，则振点要设置在该段 频率中心频率处，但是，当外并电阻太大时，在振频两边，其幅角和相角随频率或输入 信号的大小发生畸变，从而使分析信号失真，这说明要得到大的信号传输，与要求得到 不失真的信号分量传输是相互矛盾的，因此，设计电流传感器时，考虑了外并电阻的合 理选择，来解决上述出现的问题。 ( 2 ) 环形电流传感器的实验分析据上述理论分析，试验了六种低电流传感器， 铁芯采用h 8 0 x 6 0 2 5r 7 k 磁环。表2 1 、表2 2 为用t d l 0 0 0 数字万用表测电流，用 t 0 8 9 0 四位半数字万用表测电压得出六种电流传感器，输入电流与输出电压的数据。由 1 6 2 变电站主变套介损在线监测 这两个表中的测试数据分别画于图2 8 和图2 9 上，从而可以看出环形电流传感器的线 性度。 表2 1 传感器输入电流与输出电压测试数据 u ( v ) 1 号 2 号3 号4 号 i ( m a ) l , , f f i l 3 9 2 0 - 1 ) k 产1 4 6 7 ( 1 0l m - - - 2 0 2 9 ( h ) i 一- - - 2 1 7 9 ( h ) r 2 = 3 9 0 ( q )r 2 = 4 0 0 ( q )r 2 = 5 0 0 ( o )r 2 = 5 2 0 ( q ) 6 6 5 1 3 3 0 2 6 6 0 3 9 9 0 5 3 2 0 6 6 5 0 o 0 2 4 l o 0 4 8 6 0 0 9 7 7 0 1 4 5 2 0 1 9 4 3 0 2 4 4 3 0 0 3 4 l o 0 6 9 7 o 1 4 2 2 o 2 1 2 l 0 2 8 3 0 0 3 6 3 0 0 0 3 7 0 0 0 7 6 2 o 1 5 2 0 0 2 2 9 3 o 3 1 1 5 0 3 8 8 7 0 0 4 1 5 0 0 8 3 3 0 1 6 6 9 o 2 5 0 9 0 3 3 8 2 0 4 2 4 3 表2 2 传感器输入电流与输出电压涮试数据 u ( v ) 5 号6 号 t ( m a ) l = 3 4 7 1 ( 8 ) l w - - - 4 2 2 5 ( 8 ) r 2 = 6 2 0 ( f 1 )垆7 6 0 ( n ) 0 1 0 1 8 0 2 7 0 3 7 0 5 3 o 6 7 o 0 0 9 5 0 0 2 0 5 0 0 2 3 2 0 0 3 1 0 1 1 0 o 1 3 2 0 o 0 0 7 6 0 0 1 9 0 0 0 2 2 l o 0 3 0 0 0 1 0 2 0 0 1 2 2 0 0 5 0 4 0 3 o 2 0 1 0 u ( v ) 02 04 06 08 0 图2 81 4 号传感器输入电流与输出电压特性曲线 西安科技大学工程硕士学位论文 图2 95 - 6 号传感器输入电流与输出电压特性曲线 在上述实验的基础上，为了实际工程的需要，与有关厂家一起研制成功了电流传感 器。一种用于测试m o a 泄漏电流，另一种用于测试c t ，p t ，0 y ，c v t 等设备。前者测试 电流很小，在1 a 左右，后者一般在5 0 m a 左右，将这两种传感器的特性参数列于表2 3 、 2 4 中。 表2 - 3i 型线性度的测试 从测试结果可以看出其灵敏度高、线形度良好，可满足实际测量工作的需要。 2 2 主变套管介损在线监测原理及现场实施方案 由于绝缘介质的损耗与t g6 成正比，而t g6 的值与绝缘体的形状和尺寸大小无关， 它是电介质的固有值。因此，t g6 、电容量c 和绝缘电阻r 是表征电容型电气设备绝缘 状况的特性参数。 2 2 1 监测原理 电容型电气设备的绝缘介质损耗( t g6 ) ，可以用串联或并联的电容和电阻的等值电 路来计算旧3 ，如图2 1 0 所示，对于串联电路图( 2 1 0 a ) 有： 1 8 2 变电站主变套介损在线监测 ( a ) tb ) 图2 1 0 介质损耗等效电路 纷赛= 志= 巩c ， 泣s 9 ， p ：u 2 厅o ： c ：s 亍t g 艿。c ，2 够偿万 ( 辔万 1 0 ，则6i = 62 一i 2 a t 如果t t = a t 0 ，则6l - 62 + 1 2 a t 以上2 种情况归纳为：6 产6 ：1 2 t( 2 4 5 ) 将( 2 4 5 ) 式测得的结果代入( 2 4 4 ) 式便可得到没有系统频率响应的介质损耗。这里 必须指出，经信号处理单位所得的电压、电流方波占空比要相同，否则，公式( 2 4 5 ) 有 一定误差。 在实际现场测试a 、b 、c 三相高压电容型试品时，有相间干扰，使得介损角a 相增 大，b 相基本不变，c 相减小( 严重时可能为负) 。相间干扰的严重性取决于试品主电流 大小，如果主电流远远大于相间干扰电流，可忽略相间干扰的影响，否则，必须考虑相 间干扰的影响。对于电容型设备来说，从末屏得到的电流信号一般都在毫安级，而相间 干扰电流只有微安级，我们忽略了其影响。 另外，试品在额定工作电压下在线测量介质损耗时，由于所加电压比离线测量时高 很多，试品在试验电压下轻微的和未能暴露的缺陷，在线测试时就可能加重和暴露：同 时，离线测量的气象条件和试品的清洁度都优于在线测量。因而，在线测试的介质损耗 值一般要比离线测试的值大，有的还可能大很多。不能用规程值对在线测试数据进行简 单地判断，需要对在线测量值的稳定性和自身变化率进行纵向比较，综合分析加以判断。 2 2 3 信号的处理采集和软件设计 设置的信号处理和采集系统由电流取样探头、电压取样、前置信号处理、5 1 型单片 计算机信号采集系统和电缆等组成。 ( 1 ) 电流取样探头。由于电流较小，现场干扰严重，采用了灵敏度高的微电流传 感器从电容型设备末屏获取电流信号，采取了有长线驱动与低损耗同轴屏蔽电缆进行信 号传送，整个探头置于双层屏蔽箱中，放置在被测设备下方的适当位置，现场接线如图 2 1 4 所示。电流取样探头接入的通流容量和热稳定性已经校核。 u 图2 1 4 现场电流取样探头与设备末屏的连接图 2 1 西安科技大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 电压取样。母线电压由电压互感器( p t ) 二次侧获取。为保证继电保护和测量 仪表的安全运行，在主控室的中央继电器屏上，专门做了一组带熔断保护的p t 二次信 号取样端子，用一电压隔离器经同轴信号电缆进行保护取样，熔断保险选用0 5 a ，图 2 1 5 为电压取样隔离器，正常输出电流6 0 m a ，而所需的输入电流仅为6 m a ，长期工作不 会给p t 较大的负载；当电压隔离器副边发生短路故障时，由于电压隔离器内部有电阻 限流，原边的电流不会超过l o m a ，也不会影响p t 电压的正常输出；如果在p t 二次信号 取样端子到电压隔离器原边之间发生短路，熔断保险可作最后保护。因此，采取了上述 办法取电压信号不会给原有的继电保护和测量仪表运行状况带来危险。如图2 1 6 所示 为电压隔离器原理接线图。 图2 1 5p t 电压信号取样电路图 a b c 图2 1 6 电压隔离器原理接线图 ( 3 ) 前置信号处理。前置信号处理板接受从探头传来的信号，进行放大、滤波和 稳定处理，分别分成两路输入，一路送到模数转换单元进行数值采样，另一路送到方波 单元进行电压、电流方波转换，经过整形和取反后，通过逻辑与而得到所需的介损方波 角。原理框图如图2 1 7 所示。 2 变电站主变套介损在线监测 5 v ) 图2 1 7 前置信号处理框图 ( 4 ) 信号采集系统。设置该系统由采样保持器、模数转换( a d ) 、程序存储器、数 据存储器、地址控制器、5 1 单片计算机以及i 0 口等组成，如图2 1 8 所示。 由前置信号处理送出的模拟信号，一路经采样保持器到a d 进行电压、电流的数字 采样，另一路经方波发生器产生介损方波和工频周期方波，并送入5 l 单片计算机的t o 和t 。计数器计时，由中心处理器将计算结果通过i 0 口把数据送入多机通讯系统。为防 止外界干扰引起“死机”，设置了硬件“看门狗”。 ( 5 ) 软件设计。将整个前置数据采样软件由模块化设计完成，采用子程序调用的 方法。它包括自检、查巡、功能模块、逻辑判断、数学运算和串行通讯等程序。图2 1 8 是前置数据采样系统主程序框图，在开机或复位后，首先对系统进行初始化，然后进入 等待接收采样命令状态，这时工作指示灯循环闪烁，一旦主机发出采样命令，立即执行 数据采集工作。每完成一次数据采集、运算处理和结果传送，系统自动复位并进行接收 下一次数据采样命令的等待状态。为避免程序“飞车”等引起的死机，在每个模块子程 序中，设计了若干个软件“看门狗”。 i l u k 图2 1 8 数据采样处理系统主程序框图 ( 6 ) 电流传感器的设置。电流传感器是在线监测系统的重要组成部分，其原理、 形式、性能等直接影响到信息获取的精度和可靠性。在线监测m o a ，c t ，p t ，0 y ，c v t 西安科技大学工程硕士擘位论文 等电气设备的泄漏电流时，由于这些电流都很小( 甚至小到微安级) ，因此，可根据电磁 或光电转换的原理制成传感器。光电转换器件均存在一个阀值，当被测信号小于这个阀 值时，元件没有信号输出，例如测试m o b 阻性电流时，其数值达几十微安，光电元件就 没有反应。也就是说，光电器件的灵敏度较差，若选用高灵敏度的光电元件，价格昂贵， 同时，用光电转换的原理不仅需要解开设备的接地线，而且还需要提供偏流，无法做成 无源式。若采用电磁感应原理中的零磁通原理，亦需要偏流的放大电路，同时，还需非 常好的屏蔽，照样不方便。因此，如图2 1 9 采用类似电流互感器的原理，是比较合适 的。由于电流传感器的原边要串入设备的接地线( 或末屏接线) ，电流传感器做成环形， 原边用等效直径为中1 0 的编织圆铜线，根据信号大小需要决定原边环绕匝数，然后通过 有绝缘套管的巾1 0 铜棒引线与接地线串接。 工 图2 1 9 类似电流互感器原理的电流传感器原理图 2 3 系统在现场的实际运行分析 2 3 1 主变套管介损的现场实测数据分析 如表2 5 为主变压器套管t g6 及c q 在线监测实测值的列表情况。 表2 52 0 0 6 年主变压器套管t 9 6 ( ) 及c q ( p f ) 在线监测实测值 监测结果表明：主变压器套管介损( 绝对值) 在一段时间内的波动范围在0 1 6 之间， 最大为0 4 7 ，出现时间在2 0 0 6 6 1 7 ：最小为0 3 0 ，出现时间在2 0 0 6 5 8 。由此可 以判断出介损在线监测数据稳定可靠，为实施状态维护奠定了基础。电容量标称值为 7 8 0 p f ，监测值与其偏差在2 蹋一4 8 之间，监测结果稳定。真实地反应了变压器的实际 运行情况。 t u 上 2 变电站主变套介损在线监测 2 3 2 主变套管介损在线监测的干扰分析 ( 1 ) 干扰来源干扰源按产生因素不同一般分为外界干扰源和监测系统本身的干扰 两类。以下对影响在线监测测量结果的主要干扰进行分析。 系统谐波的影响。电力系统谐波含量丰富，且随时变化，谐波频率、谐波波形畸 变率、谐波初相角等因素对进行绝缘监测影响很大。电压谐波对介损角度测量带来了较 大误差。如果低通滤波将三次谐波含量限制在1 o 以内，由于滤波器对更高次谐波的抑 制能力更强，再加上电源中高次谐波的含量低，所以很容易将五次、七次谐波限制在0 3 和0 1 以内，此时谐波对介损测量的影响可以忽略不计噼1 。 p t 角差的影响。变压器套管介损测量取了p t 电压作为参考电压。但p t 低压侧和 高压侧之间存在相角差，它是影响绝缘在线监测特别是介损监测精度一个主要因素1 。 f r r 相差分为高低压侧的固有相差和二次仪表作为p t 负载带来的误差。一般说来前者是 固定不变的，可以通过修正消除。但二次负荷是变化的，其引起的f r r 角误差也就是变 化的。一般情况下，精度为0 5 级的f r r 角差变化范围为2 0 ，则相应介损变化约为 0 5 5 。 电磁耦合干扰。在线监测系统处于强电场下，各种电磁干扰进入系统内引起误差。 空间电磁干扰还随着外界环境因素变化而不断变化，给测量带来影响。 接地点的影响。根据继电保护规程的要求，p t 二次只能有一个接地点，一般大的 变电站保护要求在户内保护盘处一点接地。而变压器套管的接地点在户外。这就使被测 设备在户外，参考电压的接地在户内。户内户外接地通过地网连接，而地网上接地电流 的分布随系统运行的三相不对称等影响，使两个接地点不在等电位上，现场测试变电站 户内户外两接地点有0 3 - 0 4 v 的电位差。这样使得测量介损t g6 存在误差。 传感器的精度影响。传感器温度稳定性对在线监测影响较大。随着环境温度的改 变，传感器的输出信号与输入信号之间的相角差有所变化。虽然这个相角差的变化量是 一个微量，但对介损测量不可忽视。 预处理电路的附加相位差。由于预处理电路都会产生附加相移，而且电压和电流 两路的相移不会完全相同，也会带来测量误差，因此对硬件电路的特性要求就较高。 a d 转换的精度。对于以数字分析为主的测量方法，a d 转换的精度是保证测量 准确的关键因素之一。只有a d 转换有足够的位数和转换速率才能使数字波形最接近信 号的真实波形，分析结果也就接