（电气工程专业论文）复兴变电站容性设备绝缘在线监测系统的改进研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文中文摘要 摘要 高压电容性设备在电力系统中占有相当大的比例，介质损耗因数t 如6 是反映 其绝缘状况的重要参数，电气设备的介质损耗测量是一项灵敏度较高的试验项目， 它能较好地反映设备的绝缘状况。因此，研究电容性设备的绝缘在线监测技术具 有十分重要的理论和工程价值。 达州复兴2 2 0 k v 变电站在1 9 9 7 年安装了一套容性设备在线监测系统，由于 当时测量方案的不足，系统的运行稳定性和精度较低。因此，本文针对目前复兴 变电站容性设备在线技术的不足，在介绍电容性设备绝缘在线监测的意义和现状， 阐述介质损耗因数物理概念的基础上，采用分布系统和嵌入式技术，研制成功了 分布式电容性设备绝缘在线监测系统。 首先，建立了电流传感器等效模型，得到传感器的传递函数，在分析影响传 感器输出特性的基础上，提出了宽频、高精度的电流传感器模型，经测试，幅频、 相频特性大大改善，并同时提出了提高传感器稳定性的方法。分析了采用基于傅 立叶变换的谐波分析法，通过计算设备运行电压信号和绝缘泄漏电流信号基波幅 值和相位傅立叶系数，计算出电容量和介质损耗角正切值。 其次，本文采用分布式结构作为容性设备介质损耗因数在线监测系统的结构 形式。实现了监测信号现场的数字化，通过数字现场总线实现控制和数据信号传 送，提高了系统的抗干扰能力和扩展性。设计了在线监测系统的前端数据采集装 置，负责数据的采集、处理以及和上位p c 机的数据通信。采用公司的 ，i m s 3 2 0 if 2 4 0 7d s p 控制器为控制和处理核心，研究了锁相倍频、采集、滤波、 r s 4 8 5 通讯接口电路。在软件开发方面，采用模块化的思想，研究了系统主控程 序、a d 采样子程序、数据通信程序以及f f t 计算子程序模块，各个模块在功能 上相互独立，便于维护与升级。并设计了基于消息机制的多进程软件看门狗，提 高了上位机运行的可靠性。 最后，对该监测系统进行了实验室测试和真型变压器套管的模拟测试，结果 表明，改进的分布式容性设备在线监测系统测量的稳定性和精度高，可运用于实 际生产。 关键词：介质损耗因数。分布式系统，电容性设备，谐波分析法，在线监测 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 i i g hv o l t a g ec a p a c i t i v ee q u i p m e n tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei np o w e rs y s t e m s a n dd i e l e c t r i cl o s st a n g e n t ( t a n 6 ) i sa l li m p o r t a n tp a r a m e t e rt or e f l e c ti t si n s u l a t i o n c o n d i t i o n , t h ed i e l e c t r i cl o s sm e a s u r e m e n to fe l e c t r i ce q u i p m e n ti s at e s to fl a j g h d e l i c a c yw h i c hc a nr e v e a li n s u l a t i o ns t a t u se f f e c t i v e l y t h e r e f o r e ，t h es t u d y0 1 1t h e o n - l i n e t a n 6m o n i t o r i n g o f h i g h v o l t a g e c a p a c i t i v e e q u i p m e n t h a s p r a c t i c a l v a l u e s 。 t h e0 1 1 一l i n et a n6m o n i t o r i n go fc a p a c i t i v ee q u i p m e n ts y s t e mw a si n s t a l l e di n 2 2 0 k vt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o no ff u x i n gi nd a z h o u ，i n1 9 9 7 d u et ot h ed e f i c i e n c yo f t h em e a s u r i n gs c h e m ea tt h a tt i m e a n dt h eo p e r a t i o ns t a b i l i t ya n dp r e c i s i o no ft h e s y s t e ma r er e l a t i v e l yl o w s of o rt h i st e x t ，a i m i n ga tt h ed e f i c i e n c yo ft h eo n l i n e m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y o fa p p a r a t u so ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n , o nt h eb a s i so f i n t r o d u c i n g t h es i g n i f i c a n c ea n ds t a t u s q u oo fo n - l i n em o n i t o r i n g i n s u l a t i o no f c a p a c i t a n c ee l e c t r i ce q u i p m e n t s ，a d o p t i n gt h ed i s t r i b u t e ds y s t e ma n de m b e d d e d t e c h n o l o g y , t h eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo fd i s t r i b u t e dc a p a c i t i v ee q u i p m e n ti s s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d f i r s t l y , w es e tu pt h ee q u i v a l e n tm o d e lo ft h ec u r r e n tt r a n s d u c e r , a n do b t a i nt h e t r a n s m i s s i o nf u n c t i o no ft h et r a n s d u c e r , o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gf a c t o r st h a ti n f l u e n c e t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s d u c e r , w es e tu pw i d eb a n d , h i g h - a c c u r a c ye l e c t r i c c u r r e n tt r a n s d u c e rm o d e l ，a n dt h r o u g ht e s t i n g ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea m p l i t u d ea n d p h a s eg e t si m p r o v e dg r e a t l y , w ea l s op u tf o r w a r dt h em e t h o do fi m p r o v i n gt r a n s d u c e r s t a b i l i t y a n a l y z i n gt h eh a r m o n i ca n a l y s i sm e t h o db a s e do nt h ef o u r i e rt r a n s f o r m ，v i a c a l c u l a t i n gt h ef o u r i e rc o e f f i c i e n t so ft h eb a s ew a v eb o t hn o r m a t i v ev o l t a g es i g n a la n d l e a k a g ec u r r e n t ，i ti se a s yt of i g u r eo u tt h ec a p a c i t a n c ea n dt h ed i e l e c t r i cl o s st a n g e n t s e c o n d l y , b ys e l e c t i n gt h ed i s t r i b u t i n gs y s t e ma st h es t r u c t u r eo ft h eo n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m r e a l i z e dt h ed i 昏t i z a t i o no ft h em o n i t o r i n gs i g n a ls c e n e ，a n dv i a d i g i t a ls c e n eb u sc o n t r o l l i n ga n ds i g n a lc o n v e y i n g , t h es y s t e m a t i ca n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t ya n de x p a n d i n gg e ti m p r o v e d d e s i g n i n gt h ec i r c u i to fd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e ，i t t a k e sc h a r g eo fs a m p l i n gd a t a , d i s p o s i n gd a t aa n dc o m m u n i c a t i n gw i t ht h eu p p e r c o m p u t e r t h ec o n t r o l l i n ga n dp r o c e s s i n g c e n t e ro ft h eh a r d w a r es y s t e mi s t m s 3 2 0 l f z 4 0 7d s p w eh a v ea l s or e s e a r c h e dp l l c i r c u i t ，s a m p l i n gc i r c u i t ，f i l t e r c i r c u i ta n dr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t i nt h es o f t w a r ed e s i g n , a c c o r d i n g t ot h ed e m a n do ft h ef u n c t i o n s ，e a c hk e e p sr e l a t i v ei n d e p e n d e n c e ，w h i c hi se a s yf o r t h e n 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 m a i n t e n a n c ea n du p d a t e w ed e s i g n e dw a t c h d o gs o f t w a r ew h i c hb a s e so nn e w s m e c h a n i s m ，s ot h ed e p e n d a b i l i t yo ft h eu p p e rc o m p u t e rg e t si m p r o v e d f i n a l l y , w ec a r r i e do l lt e s t i n gi nl a b o r a t o r ya n ds i m u l m i o nt e s t i n g , t h er e s u l t s h o w s ，t h ei m p r o v e do l l - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo fd i s t r i b u t i n gc a p a c i t i v ee q u i p m e n ti s g o o di ns t a b f l i t ya n dp r e c i s i o n k t 可w o r d s ：d i e l e c t r i cl o s s ，d i s t r i b u t e ds y s t e m ，c a p a c i t i v ea p p a r a t u s ，h a r m o n i ca n a l y s i s m e t h o d , o n q i n em o n i t o r i n g i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：秀伟签字日期：彬年，月r 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭盍堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：鬯协导师签名： 签字日期：如b 6 年月f 1 日 园蛋女反 签字日期：t 衫年1 1 月日 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 电容性电力设备绝缘在线监测的意义 电力设备是组成电力系统的基本元件，电力生产的设备投资占企业投资的 6 0 7 0 以上，设备是保证供电可靠性的基础，是安全生产的最大保证。电力 设备主要由三类材料构成1 1 j ：一类为导电材料，包括铜、铝等，一类为硅钢片等 导磁材料；另一类为绝缘材料，如绝缘纸、塑料薄膜、绝缘油、电瓷等。绝缘材 料如果长时间运行很容易老化变质，而且在运行时容易受到环境的影响使得绝缘 性能下降，从而威胁到电力设备的正常运行。所以电力设备绝缘状况的好坏往往 成为决定电力设备寿命甚至电力系统安全性与稳定性的关键因素之一。 无论是大型关键设备如发电机、变压器，还是小型设备如电力电容器、绝缘 子等，一旦发生失效必将引起局部乃致全部地区的停电。大量资料表明导致设备 失效的主要原因是其绝缘性能的劣化。例如我国1 9 8 4 1 9 8 6 年间l l o k v 及以上 等级电力变压器事故统计分析表明，由于绝缘劣化引起事故台次占事故总台次的 6 8 和总事故容量的7 4 1 2 1 ，而1 9 9 0 年的统计分别为7 6 和6 5 。1 9 8 0 年电力 部对3 6 台故障电流互感器进行分析，绝缘事故占9 2 。1 9 9 0 年全国l l o k v 及以 上等级互感器中绝缘故障占总事故台次的5 5 3 1 。湖北省对1 9 8 7 年前发生故障的 2 2 台电压互感器、4 5 台电流互感器和4 5 只套管的统计表明，绝缘故障占总事故 台次的比例分别为8 6 、6 9 和6 4 1 4 1 。国外的统计结果也类似，例如美国某地 区4 8 k v 配电系统对1 9 8 0 1 9 8 9 年间失效电容器的统计分析指出其中9 2 是因为 绝缘劣化引起失效 5 1 。电力设备特别是大型电力设备故障所造成的经济损失是非 常巨大的。所以运行中电力设备的绝缘状态对电力系统的安全运行至关重要，要 求电业工作人员必须加强电力设备绝缘的监测与诊断，及时发现隐患以确保电力 设备和入身安全。 随着供电稳定性和可靠性要求的不断增强，以及目前电压等级越来越高、设 备容量越来越大，使得每次检修的时间较长，不仅检修费用高，也影响了供电的 可靠性。最早的电力设备绝缘系统是采用事故后维修制，停电进行维修，或者先 换一台同样的设备投入运行，再对损坏的设备进行维修；之后是目前仍然在使用 的预防性维修制，根据停电预防性的试验结果决定电力设备的绝缘系统在下一次 投运前是否需要进行必要的维修。其试验根据电力部所颁发的电力设备预防性 试验规程对不同设备有不同的试验项目和相应的试验周期【6 l 。这种方法较事故 后维修要先进得多，对发现隐患、预防事故、保证安全发供电起到了很好的作用， 1 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 效益很高，已锝到了全面应用。 但是，预防性维修制仍然不是一种理想的设备诊断方法，也不是能适应目前 的电能供应要求的方法。长期的工作经验表明这样一个维修体系有它的局限性。 从技术上看一般的预防性试验电压远远低于运行电压，导致预防性试验所测结果 不如在运行电压下在线监测的结果切合实际，往往不能发现绝缘缺陷；运行时诸 如热应力等其它因素的影响也无法在离线时再现，也就有可能发现不了绝缘缺陷 和潜在的故障；绝缘的故障总是有一定的潜伏和发展时间，预防性试验是定期进 行的，常不能及时准确地发现故障，造成漏报、误报或早报，也不能随时对带缺 陷的设备加强监测频度或实行连续监测。从经济角度看，定期的电网停电试验会 对国民经济造成一定损失，定期大修和更换部件也需投资，故预防性试验不是最 经济的方式。 正因预防性维修的局限性，为降低停电和维修费用；并随着传感器、光纤、 计算机技术的迅猛发展，在设备运行时就对设备绝缘进行不停电的在线监测及诊 断已逐渐成为可能。目前对电力设备绝缘系统的维修已经开始向预测性方向发展， 即在带电测量技术的基础上发展起来的- - r 7 新的监测技术在线监测( 7 1 1 8 1 。在 线监测是在设备运行中，随时监测其绝缘状况，并把计算机引入测量系统，对测 量过程实现自动化，对数据处理实现智能化。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力设备绝缘在运 行中劣化的信息( 特征量) 进行采集，信息的处理和辩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 求对运行中电力设备的绝缘状态进行及时和连续的掌握，即要研究开发能对实际 运行中电力设备的主要绝缘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。 1 2 电容性电力设备绝缘在线监测的研究现状 在我国，电力设备绝缘在线监测技术的研究和应用已经有十多年了，这对及 时发现电力设备绝缘缺陷，保证电力设备安全运行起到了良好的作用。目前国内 外对变电站和发电厂开关站中数量较多的电流互感器、电压互感器、耦合电容器、 套管和氧化锌避雷器等电容型设备的在线监测尤为受到重视，国内如武汉高压研 究所、西安交通大学、武汉水利电力大学( 现武汉大学) 、清华大学、中国电力科 学院等高校和科研院所，广州科立公司、武汉高德公司、马鞍山万源公司等厂商， 投入了大量的力量进行研究与开发，并已经有实际的系统并投入运行。近年来， 2 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 国外厂商如美国a v o 公司、澳大利亚红相( r e dp h a s e ) 公司、德国的l d i c 公 司也在国内某些变电站安装了所研制的监测系统，整个监测系统的开发已从最初 的分散式，发展到目前应用较多的集中式，当前随着分层分布式技术、总线技术 和w e b 技术的广泛应用，整个系统的研发正朝着多层应用体系的方向发展。 但是已实际投运的系统运行效果并不理想，没有取得预期的经济效益和社会 效益。据统计1 9 1 ，截至1 9 9 8 年底，在全国调研的5 7 个系统中，能正常运行的在 线监测设备只占3 0 ，已不能正常使用或处于瘫痪状态的占3 5 。这主要还是 由于一些技术问题未能解决，使得测量精度低、测量结果的重复性差。这些问题 有的是理论性的，例如在线监测和停电试验的等效问题，抗干扰问题，大气环境 对监测的影响，监测系统对来自一次系统冲击的耐受能力问题等，解决它们有待 于加强基础研究。另一类则属于测量方法和测量技术问题，例如，在相位测量中 基准电压信号的选取、在线监测的校验方法以及互感器角差问题等。同时，但由 于种种原因，在线监测系统i o m s 的设计与软件开发问题也是主要原因之一，目 前国内的i o m s 往往是由不同的厂家，院所独立研制的，存在以下不足：( 1 ) 系 统的人机界面风格不同，使用人员难以操作；( 2 ) 数据共享程度差；( 3 ) 升级与 维护工作繁重。 只有解决这些在实际应用中大量存在的问题，才能有助于提高在线监测系统 的质量和水平，加快在线监测技术的实用化。 1 3 电力设备介质损耗在线监测的基本原理及方法 1 3 1 电力设备介质损耗正切值意义及基本原理 电介质在电压作用下，由于电导和极化将发生能量损耗，统称为介质损耗。 它包括电导损耗和极化损耗，当损耗达到一定程度时，电介质就会被击穿。电力 设备绝缘由电介质构成，在电压作用下有能量损耗。 绝缘材料的介质损耗，按其物理性质包括以下两种形式： 1 漏电导损耗。任何电介质总有一定的导电能力。因此，在电压作用下电 介质中流过泄漏电流，造成能量损耗。这种损耗在交、直流电压作用下 都存在。 2 极化损耗。电介质在交流电压作用下，发生周期性极化。此时介质中带 电质点( 主要是离子) 在交变电场作用下，作往复有限位移并重新排列。 电力设备绝缘材料的介质损耗，如图1 1 所示。 3 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 l - lc l ， 良么p q 图1 1 介质在交流电压作用下的电流相量图及功率三角形 f i 9 1 1 t h e p i c t u r e o f e l e c t r i c c u r r e n t v e c t o r a n d p o w e r t r i a n g l e s w h i l e a c v o l t g e f u n c t i o n 按照能量有功损耗的定义，在交流电压u 的作用下，介质中的有功损耗为： p u i c o s q 口一o t a n 6 u 2 w c t a n 6 ( 1 1 ) t a n 6 一手t a n 一争= w c s r ( 1 2 ) 7 0 , g 式中舻功率因素角； 6 = 9 0 一妒，称为介质损耗角o t a n 6 介质损失角正切值，又称为介质损耗因数； 电源角频率。 电介质的等值电路可以分为并联等值电路和串联等值电路【1 1 l 1 2 l ，见图1 2 。 如果电介质的损耗主要是电导引起的，常用并联等值电路表示；若主要是由介质 极化及连接导线的电阻引起的，则常用串联等值电路表示。一般高压电力设备多 选择并联等值电路进行计算。而对同一介质，两种等值电路的介质损耗应该相等。 ri t ( a ) 并联等值电路( b ) 串联等值电路 图1 2 电介质等值电路及矢量图 f i 9 1 2t h ee q u i v a l e n te l e c t r i c a lc i r c u i ta n dv e c t o rp i c t u r eo ft h ew a s t i n gm e d i u m 4 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 对如图1 2 ( a ) 所示的并联等值电路，可得： t a n 6 ，三。j 二 i c c o r p ；# j c p u 2 t a n 6 ( 1 3 ) ( 1 4 ) 对如图1 2 ( b ) 所不昀旱联等值电路，口j 得： 缈- 笋- c s n g a ( 1 - 5 ) 【名 ，i 等 ( 1 6 ) 1 + t a n 6 、7 一般情况下，电介质的l a n 6 很小( 1 0 4 1 0 1 ) ，2 1 2 程上计算可以近似地认为 1 + t 锄6 1 ，则这两种等值电路中的介质损耗表达式相同，即：p u 2 ( o c t a n d ， 和t a n 6 l ，! 。 u 。w co 介质损耗p u 2 a ，c t a n 6 ，介质损耗与外施电压、电源频率、介质电容c 和 介质损耗因数t a n 6 成正比。但是用介质损耗，表示介质品质的好坏是不方便的， 因为，值和试验电压、介质尺寸( 形状、大小、厚度等) 等因素有关，不同试品 间难以互相比较，因此也不能准确的反映电介质的绝缘状况。而当外加电压、频 率一定时，介质损耗仅与介质的等值电容和介质损耗因数有关，对于一定结构及 形成的电介质，等值电容是定值，因此t a n 6 就完全反映了介质损耗情况，可以用 来评价高压电力设备的绝缘水平，它是仅取决于材料的特性而与材料尺寸无关的 物理量。 运行中的电容型设备的主绝缘承受一次高压以，将有泄漏电流五流过，绝缘 电介质在交变电场下会产生电导损耗和极化损耗，它们共同产生电介质损耗，因 此泄漏电流中含有有功分量和无功分量。可以把主绝缘等效为电容和电阻的并联 模型，因此可以求出其介质损耗因数： ， t a n 6 - 一t a n 9 0 l 。一九，) 】 ( 1 7 ) c ：熹 ( 1 8 ) 甜q 、7 5 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 式中也泄漏电流c 的初相角； 磊，次高压u ，的初相角； 电容性设备是重要的输变电设备，它主要包括电流互感器( t a ) 、套管、耦 合电容器( 0 y ) 、电容式电压互感器( c t v ) 、避雷器等，这些设备约占变电站设 备总量的4 0 5 0 ，在变电站中具有举足轻重的地位。对于电容型绝缘的设备， 通过对其介电特性的监测可以发现尚处于比较早期发展阶段的缺陷，反映介电特 性的参数有介电损耗t a n 6 、电容值c 、电流值，。 介质损耗因数t a n 6 对于发现绝缘整体性缺陷非常灵敏，电容型设备在运行过 程中如果出现绝缘劣化、进水受潮或者发生某层电容被击穿，则设备的主电容量 将会发生变化，所以同时监测电容型设备的介质损耗因数和电容量，可以有效地 发现绝缘缺陷。因此，测量t a n 6 对判断高电压电力设备的绝缘状况的好坏有着特 别重要的意义。 1 3 2 电力设备介质损耗正切值测量方法 电容型设备绝缘在线检测是电力系统中开展最早的项目之一，国外在这方面 的研究始于六十年代初，国内也于同时期展开了早期研究工作。电容型设备绝缘 在线检测方法是由离线测试方法演变而来的，早期普遍采用的带电测量介质损耗 因数的西林电桥法便采用了传统停电预防性试验中测量介质损耗因数的q s - - 1 型高压西林电桥的测量原理。由于这种电桥法必须另配耐压性更高的高压标准电 容器、并对原有电桥进行改进等原因，难以在现场推广。随着研究的近一步深入， 电容型设备绝缘在线检测技术已发展到了一个新的水平。目前，电容型设备的介 质损耗因数在线检测方法基本上采用数字化的测量方法，所不同的是如何获取数 字化的测量信号以及采用何种信号处理方法。由于介质损耗角6 就是流经试品的 电流和运行电压的向量之间夹角的余角，如果能测量或计算出电流信号和电压信 号之间的相位差，也就得到设备的介质损耗角正切，电流和电压两个参量都可以 通过传感器在运行现场测得，因此目前电容型设备的在线检测都采用了这个原理。 l 电压传感器 _ 4 二至三信号分析 处理系统 f 电流传感器卜寸百再赢十 图1 , 3t a n 6 在线监测原理图 f i g a 3o n l i n em o n i t o r i n gf r d m ：o f t a n6 6 t a n 6 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 由于对得到的数字信号进行处理和分析等方面的不同形成了两大分支：主要 靠“硬件”实现的检测方法和主要靠“软件”实现的检测方法 主要靠“硬件”实现的检测方法有以下两种： ( 1 ) 过零点时差比较法【1 2 】 过零点时差比较法是一种将相位测量变为时间测量的方法。在时域中，通过 过零比较电路和脉冲计数技术来测量电流、电压这两个波形的由负变正过零点的 时间差r ，再换算为电流超前电压的相位差妒，进而得到介质损耗角6 。己知正 弦波的周期r ，测得过零点时差7 后，得到 驯- z , r ( a 2 - 翟t d ( 1 9 ) 1 6 - 卅知( d i ”7 这种方法具有测量分辨率高，线性好，易数学化的优点，但对过零点测量的 要求较高，所以波形畸变对测量精度的影响很大。变电站中的各种干扰相当严重， 并且在线检测大多数在露天现场进行，所以以百分之零点零几的误差稳定地检测 过零点有很大的难度，限制了这种方法的可行性。 ( 2 ) 过零点电压比较法f 1 3 , 1 4 过零点电压比较法是测量两个正弦波在过零点附近的电压差，并由电压差来 计算相位差的方法。该方法在测量正弦波的相位差时，不用测量和计算两个正弦 波过零点的时差，而采用在过零点附近测量两个正弦波电压差值的方法。该方法 具有电路简单、对过零点的定位要求不高的特点，有较强的抗干扰能力。但该方 法也存在一些不足，如很难保持两个被测信号的幅值相等，波形畸变对测量有较 大的影响等。 主要靠“软件”实现的检测方法有以下两种； ( 1 ) 正弦波参数法 正弦波参数法是假设被测量的电压电流信号都是理想的工频正弦信号，因而 采样得到的若干信号点必定符合三角函数关系，进而可以建立方程来推导得出介 质损耗角正切来。但是在现场测得的信号中，除了工频基波分量还包含有许多高 频谐波分量，并不符合该方法的基本假设，因而该方法在实际应用中可能会受到 一定的限制。 ( 2 ) 谐波分析澍1 5 , 1 9 2 1 2 2 】 在介质损耗因数的实际测量中，现场有各种干扰，其中电网运行中的高次谐 波分量对介质损耗因数的测量影响较大。谐波分析法就是利用离散傅立叶变换对 试品的电压电流信号进行谐波分析，得出基波，再求出介质损耗因数。该方法利 用了三角函数的正交性，使得傅立叶变换求解电压电流的基波参数时可以有效地 7 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 克服各种干扰，尤其是谐波的干扰和零漂、温漂等，因此可以达到比较高的稳定 性和测量精度。但该方法容易受到频率波动的影响，并对刖d 转换器的分辨率有 较高的要求；而且，如果不能满足整周期采样，不同次谐波之间的正交性无法满 足，同时离散谱线也不能对应实际各次谐波频率，将出现频谱泄漏。 ( 3 ) 相关法【1 5 l ；依据两个同频信号的互相关函数是两个信号的幅值和相位 差的函数，通过计算信号幅值和互相关函数就可求得相位差。当信号持续时间比 较长，采样点较多时，如果电压与电流信号中包含随机噪声，那么由于可以认为 电压中的噪声与电流中的噪声、噪声与信号之间是不相关的，因此可抑制噪声。 但事实上，信号持续时间和采样点数并不能满足上述条件，而且自相关函数丝毫 不能抑制噪声，因此相关法对噪声的抑制能力是很有限的。此外，相关法对滤波 器的特性要求很高，且也受频率波动的影响。 ( 4 ) 正弦拟合法1 1 6 】：用一个由各次谐波叠加而成的函数，依据均方最小原 则来拟合实际信号，从而求得幅值、频率、初始相位等未知参数，再求取相位差。 该方法基本不受频率波动、谐波、直流漂移的影响，但运算量大，受随机干扰的 影响也较大 用硬件法对电容型设备绝缘的介质损耗因数进行在线检测时，易受外界干扰 的影响，会降低整个测试系统的稳定性和测量精度；而要使测量的性能有所提高， 又将增加硬件电路设计的难度和复杂性。鉴于硬件法的这些缺点，介质损耗因数 在线检测方法逐渐向着软件化的方向发展。软件法简化了硬件电路，而且还可解 决一些硬件电路所不能实现的功能，如高性能的数字滤波器的设计等。另外，软 件法还具有很大程度上的灵活性，算法只需修改程序即可，因此，基于软件法的 在线检测方法有着较好的应用前景。软件法的典型代表是谐波分析法。谐波分析 法充分应用数字化测量方法，克服了传统模拟测量方法抗干扰能力差的缺点，提 高了测量精度及测量结果的稳定性。 国外目前对电容型设备介质损耗因数在线检测技术的研究主要集中在对检测 方法的改善上。如澳大利亚研制的用于电流互感器及变压器套管介质损耗角在线 检测装置，是利用脉冲计数法进行测试的。该装置采用了高速计数器对被测信号 与标准正弦信号之间的相位差进行测量，并实时显示数字化测量结果，测量分辨 率达到了o 1 m r a d ，己得到实际应用；南非的研究人员采用比较的方法，以介质 损耗角很小的高压电容器上的电压作为标准电压，将被试品上的电流转换成电压 后与此“标准”电压信号进行相位比较，从而得出电力设备的介质损耗因数。如 果用作标准电压信号的高压电容器本身具有一定的介质损耗角，则测到的设备的 介质损耗因数是相对于此标准电容器的“相对”值。当采用介质损耗角近似为零 的高压气体电容器充当标准电容时，则如同停电预防性试验时用的西林电桥法一 8 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 样，可认为测得的是设备介质损耗角正切值的“绝对”值。他们研制的这套系统 也己被用于测试套管和电流互感器的介质损耗因数相对值。日本用相位比较法对 电力电缆t a n 6 在线检测的方法，从原理上同样也可以适用于电容型试品的在线检 测。 在线检测技术发展到今天，己经在很多方面弥补了定期预防性试验的不足， 但是同时也还存在一些问题：如谐波分析法的软件处理误差问题。对设备绝缘进 行在线检测的最终目的是为了及时、准确地掌握电力系统运行中设备的绝缘状况， 因此仅仅通过在线检测获得设备的绝缘参数的结果是远远不够的，还要对这些结 果进行综合性的分析与诊断。但是，目前的在线检测方法仍往往局限于将设备的 绝缘参数与单一、静态标准进行比较，没有使在线检测的优势得到充分发挥。对 于对比分析同一设备高压下在线测量值与低压下停电预防性测量值的差距及影响 在线检测值得因素及程度也是目前研究工作中一大问题。另外，应用于介质损耗 因数分析的谐波分析法因现场各种原因而存在频谱泄漏的问题，那么如何在软件 上进行改进，从而消除由于频谱泄漏而带来的误差也是目前面临的困难之一。 1 3 3 电力设备容性设备在线监测方案 已有的在线监测装置按系统结构不同，可分为集中式和分布式。集中式结 构中，现场只安装传感器( 或模拟信号调理单元) ，通过电缆将所有的模拟信号传 送到主机，由主机依次测量( 巡检) 。这种结构的优点是造价较低，但缺点也很严 重。首先，现场工频电磁干扰严重，屏蔽电缆虽可抑制工频电场干扰，但对工频 磁场干扰却几乎不起作用，因此造成一些本来就比较微弱的信号的衰减和失真， 这对t a n6 测量影响很大其次，巡检方式下各个设备的测量结果不是同一时刻 的，因此不便于后续对不同设备测量结果的进行对比分析。 大量模拟信号远距离传输也增加了电缆用量和布线复杂度。分布式结构中每 台被测设备都有专用的本地测量单元，各个单元可同时测量，数字化测量结果通 过现场总线传输至主控室内的上位机，还可进一步上传至网络。这种形式不但能 避免集中式结构存在的问题，而且层次和功能清晰，各个单元相互独立、互不影 响，可以很方便的增加或替换现场单元，而不必调整硬件。前述调查也表明分布 式结构相对要可靠些。目前使用较多的现场总线有r s 4 8 5 1 2 3 1 、c a n t 2 4 l 和 l o n w o r k s 。r s 4 8 5 因为简单可靠，使用最广。现场单元的处理器以单片机居多。 但单片机运算能力较差，速度较慢，不适合进行复杂的算法。因此这类系统中， 或者使用运算量少的算法( 如过零法) 或者下位机只负责采集数据，然后由上位 机进行计算。近几年来，随着d s p t 2 5 1 的性价比的提高，已出现了以d s p 为现 场单元处理器的t a n6 在线监测系统，d s p 以强大的运算能力和不错的控制能力 9 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 成为下位机处理器的理想选择。 由于电容性电气设各的电流传感器处于现场，因此，需要将绝缘泄漏电流传 送到主机。根据信号的类型可分为模拟信号传输和数字信号传输，由于现场电磁 环境复杂，长距离传输的模拟信号会受到外界干扰的影响。而数字信号具有较优 异的抗干扰能力，因此，在电气设备在线监测中逐渐的到了广泛应用。 表1 1 集中式与分布式容性设备绝缘在线监测系统比较 1 曲l e 比较内容集中式监测系统 分布式监测系统 信号传输类型模拟信号传输数字信号传输 电缆用量电缆用量较多电缆用量少 处理单元计算机采集、处理嵌入式采集、处理 传输线路易受干扰和 抗干扰能力抗干扰能力强 信号衰减 系统的开放性和扩展 可扩展性扩展性差 性好 二臻鳙g黎鬣徽 l 篓l 镉 懂嘈 i 一獬 s 燃，篱警 莓燧l 黪 穗错卜1 黉一l | k 隧掣 翱自嘲自黼目# 自魄自懈ll l卜l - 道f_l 嚆叫；卜“壤1 l 卤一2 囊确日静瓣露n 獭瓣 ( a ) 集中式监测系统结构图 ( b ) 分布式监测系统结构 图1 4 集中式与分布式容性设备绝缘在线监测系统结构图 f i 9 1 4 t h es t r u c t u r ec h a r to f t h ec e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e d o n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m o f c a p a c i t i v e e q u i p m e n t si n s u l a t i o n 1 4 本文研究的主要内容 达州电业局复兴2 2 0 k v 变电站于1 9 9 7 年进行了容性电气设备绝缘在线监测 项目的实施，随着在线监测技术的发展，原系统在基于过零比较法的设计原理和 抗干扰能力方面的缺点逐步体现出来。针对原集中式介损在线监测装置存在的缺 1 0 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 陷，本文设计了分布式容性电力设备在线监测系统，以提高监测数据的准确性和 灵敏度，并采用软硬件抗干扰措施消除外界干扰影响，主要研究内容如下： 1 ) 熟悉并掌握容性电力设备介质损耗角正切值的谐波分析法。 研究高灵敏度、宽频率响应特性的新型传感器。 3 ) 研究基于d s p 的分布式容性电力设备在线监测系统，实现监测数据的通 讯、查阅、数据分析、网络互联等功能。 4 ) 研究监测系统的上位、下位机软件，提出抗干扰的硬、软件措施。 5 ) 对该监测系统进行实验室测试和真型变压器套管的模拟测试，进一步完善 设备以至达到规定的精确度。 1 5 小结 1 ) 在论述电容性电力设备绝缘在线监测的意义和研究现状的基础上，对电 容性电力设备介质损耗正切值意义及基本原理进行了分析。 2 ) 综合讲述了电力设备介质损耗正切值的各种测量方法，比较了各种测量 方法的有的优缺点。 3 ) 提出了本文研究的主要内容，研究开发以“谐波分析法”为主要测量方 法的电容性设备绝缘在线监测系统。 1 1 重庆大学工程硕士学位论文2 高精度电流传感器及介质损耗正切值算法研究 2 高精度电流传感器及介质损耗正切值算法研究 用数字化测量技术进行介质损耗因数在线监测，首先要由传感器获得被监测 设备运行电压信号和流过设备的泄漏电流，流经设备绝缘介质的电流很小，泄漏 电流主要由电力设备等效电容决定，一般为0 1 m a 3 0 0 m a 。如何提高电流传感 器的灵敏度和稳定性是电容性电力设备在线监测的首要条件。 容性电力设备在线监测的主要参量是介质损耗正切值、绝缘泄漏电流和等值 电容，其中介质损耗正切值t a n 6 是反映绝缘特性最重要的参数，也是最难准确测 量的参数。如何通过测得的电压、电流波形计算出t a n 6 ，国内外的专家提出了很 多方法，本章对谐波分析法进行论述。 2 1 高精度电流传感器基本原理 2 1 1 普通r o g o w s k i 电流传感器电路模型 r o g o w s k i 线圈分为空心r o g o w s k i 线圈和有磁芯r o g o w s l d 线圈两种。由于空 心r o g o w s l d 线圈主要用于大电流测量 1 7 , 2 s l ，用来测量微弱电流 非常困难。因而在绝缘子泄漏电流测量中主要运用有磁芯r o g o w s l d 线圈。以下 的r o g o w s k i 线圈均是指有磁芯r o g o w s k i 线圈。 r o g o w s l 【i 线圈电路的等效电路模型有等效变压器模型和互感电压源模型，现 首先证明两种模型的等效性。在本章的讨论中，均假定r o g o w s l 【i 线圈磁芯的磁 导率远远大于空气的磁导率，并认为r o g o w s k i 线圈的原方与副方为紧耦合。 埘砷l 皿 删 剐 ” 图2 1r o g o w s k i 线圈电路的两种等效电路模型 ( a ) 等效变压器模型( b ) 互感电压源模型 f i g 2 1t w oe q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo fr o g o w s k ic o i l ( a ) e q u i v a l e n tt r a n s f o r m e rm o d e l ) m u t u a l l yi n d u c t i v ev o l t a g es o u r e 2m o d e l 1 2 重庆大学工程硕士学位