（电气工程专业论文）220kv变电站主变压器绝缘在线监测研究及应用.pdf

a b s t r a c t t h es h e n 9 1 io i l f i e l de l e c t r i f i e db a r b e dw i r e n e t t i n gi s g e n e r a t e se l e c t r i c i t y ， c h a n g e st h ee l e c t r i c i t y ， p o w e rs u p p l yi nt h e i n t e g r a lo fs e l f p r o v i d e de l e c t r i f i e db a r b e dw i r en e t t i n go fb i g g e s t b u s i n e s se n t e r p r i s ei nw h 0 1 ec o u n t r y i to w n s1 6 8t h et r a n s f o r m e r s u b s t a t i o no f3 5 2 2 0 k v ，i tt u r n st h ea m o u n to fp o w e rs u p p l ya b o u t 6 0h u n d r e dm i l l i o nk w h ，t a l l e s tc a r r y1 ，0 7 0 ，0 0 0k we v e r yy e a r e l e c t r i f i e db a r b e dw i r en e t t i n go fs a f ec i r c u l a t et ot h ep a s st h e i m p o r t a n c e ， 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 et r a n s f o r m e r s 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 e c i r c u l a t i n go ft 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 ga n dp r o d u c e s t a b i l i t yo fo i l f i e l d 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 r s u b s t a t i o ni st h em a i ne 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 e c u r i t ya 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 rs y s t e mi sd i r e c t l y i n f l u e n c e db yi t sr e li a b i1i t y i no r d e rt og u a r a n t e et h es a f e c i r c u l a t eo ft h ee 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 g o 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 yr e i n f o r c e d t h eo n 一1 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 c1 0 s so fat u b eo fm a i nt r a n s f o r m e r w i t ht h ed i e l e c t r i c l o s sf o rt h eo n 一1 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 ta n d v 0 1 t a g el e a d sz e r op h a s es h i f t s ，a n a l y z e dt op r o d u c et h er e a s o no f t h ee r r o rm a r g i na n dt h es o u r c eo ft h es y s t e mi n t e r f e r e n c e s ， p u t f o r w a r dt h ei nk e e p i n gw i t h s p o tt h em e t h o do ft h ea 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 f o n l i n em o n i t o rs 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 n l i n em o n i t o r i n go fg r o u n d i n ge l e c t r i cc u r r e n t i 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 el o n g s t r i n g s 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 s o fd i s s 0 1 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 一1 i n ec h r o m a t o g r a m m o n i t o r i n gm e t h o db a s e do nv a r i o u sg a s e sc h a r a c t e r i s t i co f t h e p 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 ee 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 e c r e d i b i l 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 li n em o n i t o ro ft h em a i n t r a n s f o r m e re x p a n d e dt h ec 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 n t o1 a yaf o u n d a t i o nf o rt h eo i l 一f i e l d ，p r o v i d et 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 le n u n c i a t i o n ：t h eo n l i n em o n i t o r i n go ft h e m 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 nj u d g et h e i n s u l a t ec o n d i t i o no ft h em a i nt r a n s f o r m e r k e yw o r d s ：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 浙江大学硕士学位论文 2 2 0 k v 变电站主变压器绝缘在线监测研究及应用 第一章绪论 1 1 变电站主变实施绝缘在线监测的意义 胜利油田电网是发电、变电、供电于体的全国最大的企业自备电网。由于其生产 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，由于电能不能大量储存，为保证油田的供电可靠性，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网的安全稳定运行和油隅生产稳定具 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i 舶。 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娜 ，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【5 】，及早发现隐患，采取措施确保电力设备的 安全运行。 由于油田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6 1 ，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 1 0 一2 2 0 k v 电压等级的电网已经具有大的规 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 册。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 i 浙江大学硕上学位论文 2 2 0 k v 变电站主变压器绝缘在线监测研究及应用 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 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【8 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阱们，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队1 2 】。 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 1 3 1 。 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 在线监测的熏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14 1 ，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15 1 。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气设备的主要绝缘状态及时和连续掌握，即要研究开发能 2 浙江大学硕士学位论文 2 2 0 k v 变电站主变压器绝缘在线监测研究及应用 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 1 6 1 。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、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叽1 8 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f l g 捌，有的已开发出商业化产 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 l l l l 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，国外己成功地研制了不少在线监测装置1 2 l ，2 2 1 ，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 ) 【2 3 】，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 ) 【2 4 】，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 2 5 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f 2 副，特别是各省电力部门都研 制了电容性设备的监测装置【2 ，主要监测介质损耗、电容值、三相不平衡电流 2 司。电力 部电力科学研究院、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 局部放电监测系统口9 1 。 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1 3 0 3 ”。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啦测装置l 3 2 1 ，投入了2 2 0 5 0 0 k v 系统运行，并已总结出某 些设备的状态维修试行标准。8 0 年代以来，我国的在线j l 篁测技术也得到了迅速发展，虽 然起步比国外迟，但在国外已经取得经验的基础上，不少单位都相继研制出了单一和多 3 浙江大学硕士学位论文2 2 0 l c v 变电站主变矗器绝缘在线监测研究及应用 信息量在线监测装置，在试运行中已显示了各自的特色和优势3 3 ，3 4 1 。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 电的可靠性已显得越来越重要，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 针对胜利油田2 2 0 k v 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。如1 1 所示。 图1 1 总体方案框图 1 4 本文研究的主要内容 针对油田2 2 0 k v 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： l 、主变套管介损在线监测原理及研究应用； 4 浙江大学硕士学位论文 2 2 0 k v 变电站主变压器绝缘在线监测研究及应用 ( 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，设计采用如下图用类似电流互感器的原理比较合适 【3 5 】? 。 j - 。， 图l - 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 击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 个过接点，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【3 6 j 。 ( 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 【3 7 - 3 8 l 。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o 3 和0 1 以内【3 9 j 0 1 。 ( 3 ) 设计采用电流和电压过零相位差的原理洲，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 t l 上 鲨塑2 苎型垡堡! l ! ! ! 竖壅皇些圭壅堡堡垄丝垄些些! ! 堕壅丝窒旦 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 0 图1 3 有介质损耗的电压( a ) 和电流相量图( b ) 0 x o ( b ) x 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。 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，线性度已有分档来保证，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1 m m 后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， i_，jj o c ， j u ，i ) 、 一 b 、 一 浙江大学硕上学位论文 2 2 0 k v 变电站主变压器绝缘在线啦测研究及应用 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【4 2 】。 ( 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。 3 、主变油中六种气体在线监测原理及应用研究。 ( 1 ) 油中气体渗透薄膜的过程是一个扩散过程1 4 3 ，气体分子从油中向气室的侧 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。 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 g = 些警盟 其中h 一薄膜的渗透系数( m 2 s p a ) 。一薄膜有效渗透面积( m 2 ) d 一薄膜的厚度( m ) p l 一高压侧压强( p a ) p 2 低压侧压强( p a ) t _ 渗透时间( s ) 一般有p 2 6 ，d 。 则 3 1 4 苎兰丛兰墼主堂垡笙苎一一 ! ! ! 坚壅皇苎圭壅垦壁丝竺垄些堕塑! 塑塞墨壁旦 k = 碰型幽 ( 2 2 0 ) 以上是副边绕组的漏电感的估算式，实际上由于绕制线圈的工艺等因素的影响，因 此它是个近似计算公式。 通常认为漏磁通和铁芯的导磁率无关，然而，当肛 时，铁芯的存在会使漏感增 大。 当线圈高度h 0 不变时，减少线径与匝间距离，同样会引起漏感的增大，尤其是当线 径与匝间距离之比小于o 。5 时，磁感随线径与匝间距离之比的减小而显著增大。 假设副边绕组的始端与铁芯相连，从绕组始端到终端，绕组与铁芯间的电压均匀地 从零增大到如图2 6 所示，在离绕组始端的距离为x 的地方，电压为u x _ u 。h 。，这时 考虑的是副边绕组为一层的情形。 d x 段的电容为：呶2 岛晦等 ( 2 _ 2 1 ) d q 段的电场能量为：d 国，= 如芝( 2 2 2 ) 副边绕组与铁芯间的电场能为： w e = c 26 u v 2 ( 2 2 3 ) c = = = = 二= 二= = = = = 3 ) j 厂 u l 0xh o 图2 6 等效电容的动态计算电路 由w e = c 2s u 2 ，2 得到，当传感器工作时，则分布电容c 2 。的计算式为： 盼孕 ( 2 训 越一 浙江大学硕士学位论文 2 2 0 k v 变电站主变雎器绝缘在线监测研究及应用 当副边绕组不至一组时，同样可推得的c 2 一计算公式。当导线直径与匝间距离之比 减小时，与漏电感相反，绕组的动态电容随之下降，当外加钢层屏蔽时，同样在钢层与 绕组之间存在分布电容增强。 2 1 2 环形电流传感器的传输特性分析与设计 2 1 2 ，l 环形传感器的幅角和相频特性分析 当传感器原边通以电流时，在副边取电压信号，故其传递函数为： h ：肇 ( 2 2 5 ) u 当外接负荷r 。时，如图2 7 所示( 图中以p 算子代替j u ) - 由电路理论知： h 。( ，国) = 也= r 。- 观。【( 1 ，c 乞) ，r f 】 r 。f j l 。+ 一七j l + q j c ：s ) r 弦：r 。砒。 其幅频特性为 面i 巧可孓；i 丽苯 + r 。三。+ 磁c 知( r 。巧一街2 工。屹) 酬刚删= = 等 ( 2 2 7 ) 月；r 。以。 ( 2 2 8 ) 2 面露i 雨菰雨萨雨赫著菰萧霖面i 丽 【r i r ，一珊2 上。( r ：r 。c 知) 】2 + 2 【r ：三。+ r m 上m + r ：c 知( r m 吒一国上m 上；j ) j _ ! ， p l ， 一+ ，一j _ _ 一，y r ，轧罗。r l l j _ r _ l 、 l p c 。t i r r r7 叫 ll一一 图2 7 传感器传输特性分析 浙江大学硕士学位论文 2 2 0 k v 变电站主变压器绝缘在线监测研究及心用 相频特性为： 蜴2 卯泡丽瓦 胄：r 。一国2 三。( r ：r 。c 玉巧) + r ，三。+ r ：c k ( r 。呓一国2 三。三i d ) ( 2 2 9 ) 对于工程设计，我们可将进一步简化一般c 2s 为p f 数量级，l2 。为 村数量级，故 在低频时，( ) 2 l 。2 。c 2 。 r 。，传递函数趋矮摹为5 0 0 阮以下时，有： l r 。心i ) 2 一r 乙ir lc 2sl r l 时) ； 实际上，r 的引入，拓宽了屯流俺截措韵匝作频带当r 定时，u i l 主要由l 。决定；u i h 主 要由l2 。和c2 。决定，也就黾乩主电感l m 决定了传感器传递函数h 1 幅值低频段的频率响 应，而漏电抗l 2 。和分布电容c2s 决定了高频段频率响应。这里要指出的是函数一定时， l2 。和c 。2 。两者呈反比射篷旁变化要同时减，j 、l 2s 和c 。2a 是困i 目的。因此荏设计旧渤砖流俺莹嚣时， 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。 q l 和h 。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mo l 和高频上限频率。q h 妒志 c z 一。， 嘞= 糍 s s ， ( 2 3 7 ) ，( 2 3 8 ) 式表明；r m 、r 、c 2s 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，则援点要设置在该 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 1 2 2 环形电流传感器的实验分析 浙江大学硕士学位论文 2 2 0 k v 变电站主变压器绝缘在线监测研究及应用 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 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 鹏9 0 四位半数字万用表测电压得出的 前六种电流传感器。输入电流与输出电压的数据。由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 测试数据 型号3 号2 号4 号l 号 弋m l m = 2 0 2 9 ( h ) l m = 1 46 7 ( h )l m = 2 1 7 9 ( h )l m = 1 3 9 2 ( h ) “m a 卜心 r 2 = 5 0 0 ( q )r 2 = 4 0 0 ( 0 )r 2 = 5 2 0 ( 0 )r 2 = 3 9 0 ( q ) 6 6 50 0 3 7 0o 0 3 4 10 0 4 1 50 0 2 4 1 1 3 3 0o 0 7 6 2o 0 6 9 70 0 8 3 3o 0 4 8 6 2 6 6 00 1 5 2 00 1 4 2 2 o 1 6 6 9 0 0 9 7 7 3 9 9 0o 2 2 9 3o 2 1 2 10 2 5 0 90 1 4 5 2 5 3 2 00 3 1 1 50 2 8 3 00 - 3 3 8 2o 1 9 4 3 6 6 5 00 3 8 8 7 0 3 6 3 0o 4 2 4 30 2 4 4 3 表2 2 测试数据 型号 5 号6 号 啬巡3 l m = 4 2 2 5 ( h )l m = 3 4 7 l ( h ) r 2 = 6 2 0 ( 0 )r 2 = 7 6 0 ( 0 ) o 10 0 0 9 5 0 0 0 7 6 o 1 80 0 2 0 5 0 0 1 9 0 0 2 7o 0 2 3 2 o 0 2 2 1 0 3 7o 0 3 10 0 3 0 0 o 5 3 o 1 1 0o 1 0 2 0 o 6 7 0 1 3 2 00 1 2 2 0 由于测试时，i l 和u 2 信号均很微弱，不便于观测其中幅频特性和相频特性，故在 观测相频特性时，在i l 中串入一个电阻，取电阻上的电压的相位作为i l 的相位，u 2 的 相位减去放大器在该频率下的相移后的相位，为传感器本身的相移，测试结果列于表2 - 3 中。 苎壁里鳖墅生兰! 垒兰苎 一 ! ! ! 竖壅皇苎圭壅堡量塑丝垄垡堕型竺塑壁些旦 o 8 0 6 o 4 0 2 8 0 6 0 4 0 2 0 o o i o 20 30 4o 5 图2 8 测试数据 0 0 30 0 6o 0 90 1 20 1 5 图2 9 测试数据 表2 3 传感器幅频特性和相频特性测试 频率( h z ) 5 0l o o1 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 0l o o o 幅值( m v ) 9 71 6 42 5 ，43 64 75 66 36 98 2 1 1 5 0 相角( 度) 0 0 50 0 50 0 50 0 5o 0 5o ，0 5o 0 50 0 50 0 5o 0 5 由公式( 2 3 2 ) 中得出：在r 。 r 乙时，h i _ n 2 r l ，om o 。对此，我们进行了实验验证， 测试参数如表2 4 所示。 2 0 塑坚盔堂堡主兰竺篓兰 ! ! ! 竖奎皇塑圭壅垦堡丝丝垄垡些型竺塞墨窒里 表2 - 4 传感器伏安特性测试 i ( m a ) u ( v ) o 1 2o 2 9 0 4 00 8 00 9 6l ，1 2 1 5 62 o o 1 0 0o 1 0 20 1 7 3o 2 5 lo 3 9 6 0 4 2 70 5 9 8o 8 2 20 9 4 4 2 0 00 2 0 00 3 1 4 0 3 1 70 8 0 3o 7 8 8l3 2 0 1 7 0 02 0 3 4 1 0 0 00 7 1 91 5 0 32 0 0 1 3 ，8 5 64 5 8 35 3 7 87 3 4 79 2 4 5 在上述实验的基础上，为了实际工程的需要，与有关厂家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 、o y 、c v t 等设备。前者 测试f 电流很小，在lm a 左右，后者一般在5 0 r n a 左右，将这两种传感嚣的特性参数列 于表2 5 到2 - 8 和图2 1 0 、图2 1 1 中。 表2 5i 型线性度的测试 1 1 ( m a ) 0 o o l0 0 0 5o 0 1 0 0 0 2 40 0 5 1o 1 0 0o 1 9 10 2 8 u 2 ( v ) 0 ，2 8 0o ，3 5 0o 5 3 50 ，7 5 0o ，9 4 1 4 42 4 43 6 5 li ( m a )o 3 8 5 o 5 4 5 0 6 6 7 0 7 6 3o 8 6 70 9 7 41 0 6 7 u 2 ( v ) 4 7 56 8 08 1 09 2 01 0 4 0 1 1 5 01 2 ，5 0 表2 6 型线性度的测试 il ( m a )5 0 21 0 0 52 0 0 93 0 1 84 0 3 55 0 0 96 0 4 6 6 9 7 9l l u 2 ( v ) 0 。5 51 1 02 1 23 。1 5 4 。1 55 2 06 。l os 6 0 i 从测试结果可以看出其灵敏度可达lua 。表2 7 为i 型幅频和相频特性测试数据 表2 7i 型幅频和相频特性测试数据 频率( h z ) 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 0 幅值( m v ) 1 9 43 2 84 86 1 67 4 48 8 81 0 41 2 01 3 41 5 0 相角( 度) o o lo o l0 ，o l0 o lo o l0 0 l0 0 10 0 1o 0 10 0 1 浙江大学硕士学位论文2 2 0 k v 变电站主变压器绝缘在线监测研究及应用 表2 - 8i i 型幅频和相频特性测试数据 频率( h z ) 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 0 幅值( m v ) 3 15 9 8 41 0 81 3 41 6 01 7 92 0 22 2 72 5 l 相角( 度) o ，0 3o 0 30 0 3 o 0 30 0 30 ，0 3o 0 30 0 3o 0 30 0 3 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培6 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1 如图2 1 0 所示，对于串联电路图( 2 1 0 a ) 有： t 9 62 静= 焘钏晶 c z - 。 p _ 譬丝攀一u 2 蝎t g6 ( t g6 1 ) ( 2 - 4 0 ) 0 、+ t 9 6 对于并联电路( 2 一l o b ) 有： 、i u | r p 、 舻。芒。瓣2 南 ( 2 q 1 ) p = u 2 c ，蟾6 ( 2 4 2 ) ( a ) ( b 图2 1 0 介质损耗等效电路 浙江大学硕士学位论文 2 2 0 k v 变电站主变压器绝缘在线龄测研究及应用 由以上式子均可以看出，6 角直接反映介质损耗的大小，由于6 一般都比较小，所 以，习惯上也称t g6 为介质损失角。对于性能良好的绝缘介质来说，r s 很小，t g6 也 很小，砩很大，c 。和c 。相差不大。 图2 一】l 所示为串联和并联的相量图，两者的6 都可以用n 2 与电压、电流的相位 差v 相减来计算6 角的大小，即 6 = ( 丌2 ) 一v( 2 4 3 ) 测量介质损耗传统的方法通常有：电桥法、瓦特表法、谐振回路法、凹形谐振腔法 和测量线法等，其中电桥法测量范围广、精度较高、使用方便、容易掌握，得到了广泛 的应用，也是目前电力系统基层单位广泛采用的方法。别的方法都由于精度不高、易受 干扰、使用复杂等这样那样的原因，不能广泛地备采用。但传统的电桥法都只能在设备 停电时，进行离线测量。为此，提出在线测量采用以电流和电压过零相位差为原理。如 图2 1 2 所示，为电流和电压过零相位差波形图。首先，通过对被测设备的电流、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，基本上只留下基波正弦信号， 再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6 的大小。 0 图2 1 1有介质损耗的电压( a ) 和电流相量图( b ) 图2 1 2 所示为电流和电压过零相位差波形图。i x 为来自于电容型设备末屏的电流 信号，u 为取自电压互感器( p t ) 的信号，经过信号处理单位进行放大、滤波和整形， 变成两路方波信号，将电流方波取反后，与电压方波一起送入逻辑与门相与，可得到一 窄方波信号，它对应于相量图2 1 1 所示的6 角时间。然后把它送到c p u 的计数器进行 计时，便可得到该方波的宽度。为了以后的误差计算，同时还计下系统电压的周期时间。 假设测得系统电压周期为t ，介损损耗角为6 ，则电容设备的介质损耗为： 2 3 浙江大学硕士学位论文 2 2 0 k v 变电站主变压器绝缘在线监测研究及应用 t g6 ：t g ( 堕) f 0 2 2 2 误差分析 ( 2 4 4 ) o x 图2 12 电流和电压过零相位差波形图 x 由于系统频率f 允许一定的偏差( 5 0 o 2 h z ) ，将使得6 角度时间有8 0 us 误差， 如果不加以消除，测得的介质损耗t g6 就有2 。5 1 2 的误差，它已远远超过绝大部分试 品的介质损耗值，这是绝对不允许的。 设给定周期为t ( 可以是2 0 0 0 0 ps ) ，6 ，为试品真实介损角，6 ：实际测试介损角， t 为实际测试电压周期时间，则有以下两种情况 1 如果t t = a t o ，贝46 。= 6 。一1 2 t 2 如果t t = t 0 ，贝06 。= 6 ：十1 2 t 以上2 种情况归纳为：6 。= 6 。l 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。 微 机 前 ，j 斗 l +逻 时 置 波相 信 号辑 处 与 理 图2 1 3 测试原理 2 4 浙江大学硕士学位论文 2 2 0 k v 变电站主变压器绝缘在线监测研究及应用 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j 9 j 0 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。 2 2 3 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 一1 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。 接 地 图2 1 4 现场电流取样探头与设备术屏的连接图 浙江大学硕士学位论文 2 2 0 k v 变电站主变压器绝缘在线监测研究及应用 2 2 3 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 安培，图2 一1 5 为电压取样 隔离器，正常输出电流6 0m 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1 0 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 一1 6 所示为电压隔离 器原理接线图。 图2 1 6 电压隔离器原理接线 c b a 禹世一 审一 浙江大学硕士学位论文 2 2 0 k v 变电站主变压器绝缘在线监测研究及应用 2 2 3 3 前置信号处理 叫塞h 圣恒埔h 乎哪5 v ) e 吨卜日咂凿篡刚 2 2 3 4信号采集系统 图2 _ 1 7前置信号处理 设置该系统由采样保持器、模数转换( d ) 、程序存储器、数据存储器、地址控制 器、5 l 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