（高电压与绝缘技术专业论文）基于虚拟仪器的电气设备绝缘综合检测装置研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电气设备运行的可靠性和安全性在很大程度上取决于设备绝缘状态的好坏。本 文从理论上分析了反映电气设备绝缘状况的特征量：局部放电、介质损耗角因数、 泄漏电流、m o a 的阻性电流等，比较了各个特征量的在线检测算法。通过选择合 理的算法，基于虚拟仪器l a b v i e w 平台研制电气设备综合式绝缘检测系统的软件 部分。另外，在课题组的研究基础上分别设计了各个特征量的信号采样单元、程控 放大单元，选取数据采集卡构建了测试系统的硬件框架。最后，为了数据管理和统 计的需要，开发出具有存储、查询功能的数据库系统。通过实验室测量验证了该综 合式绝缘检测系统的设计达到了预期目标，本文的工作为电力设备绝缘检测的现场 应用提供了实验基础。 关键词：电气设备，绝缘检测，局部放电，金属氧化物避雷器，介质损耗因数 a b s t r a c t t h es a f ea n dr e l i a b i l i t yo fe l e c t r i ce q u i p m e n t ，t oag r e a td e g r e e ，d e t e r m i n e st h e q u a l i t yo fi t si n s u l a t i o n i nt h i st h e s i s ，c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sw h i c hc a nr e f l e c t i n s u l a t i n gs t a t u sf o re l e c t r i ca p p l i a n c e s ，s u c ha s ，p a r t i a ld i s c h a r g e 、d i e l e c t r i cl o s st a n g e n t a n ds oo n ，i ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l y t h ep a p e rm a k e sr e s e a r c ho ne a c ha l g o r i t h m so f i n s u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c as o f t w a r em e a s u r i n gs y s t e mf o rt h em u l t i f u n c t i o ni n s u l a t i o n d e t e c t i n gd e v i c eb a s e do nl a b v i e wp l a t f o r mi sd e v e l o p e d t h e n ，t h ec u r r e n ts e n s o ra n d t h ea n a l o g ys i g n a lp r e p r o c e s s i n gu n i tf o rt h ei n s u l a t i o nd e t e c t i n gd e v i c ei sd e v e l o p e d ，i t c a nr e a l i z et h ef u n c t i o no fp r o g r a m m a b l ea m p l i f y i n g ，p r o g r a m m a b l ef i l t e r i n g f i n a l l y , a d a t a b a s et h a tc a ns a v e ，r e t r i e v ed a t aa r ed e s i g n e d t h r o u g hp r a c t i c a lm e a s u r e m e n t ，t h e d e s i g no ft h ed e t e c t i n gs y s t e mo b t a i n sa n t i c i p a t e dp u r p o s e t h ew o r kp e r f o r m e di nt h i s t h e s i sw i l lb eo fs o m ev a l u ei nt e r m so ft h e o r ya n dp r a c t i c ef o rt h em u l t i f u n c t i o n i n s u l a t i o nd e t e c t i n go fe l e c t r i ce q u i p m e n t g o ux i a o k a n ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l uf a n g c h e n g k e yw o r d s ：e l e c t r i ce q u i p m e n t ；i n s u l a t i o nd e t e c t i n g ；p a r t i a ld i s c h a r g e ；m e t a lo x i d e s u r g ea r r e s t e r ( m o a ) ；d i e l e c t r i cl o s sf a c t o r 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电气设备运行的可靠性和安全性在很大程度上取决于设备绝缘状态的好坏。本 文从理论上分析了反映电气设备绝缘状况的特征量：局部放电、介质损耗角因数、 泄漏电流、m o a 的阻性电流等，比较了各个特征量的在线检测算法。通过选择合 理的算法，基于虚拟仪器l a b v i e w 平台研制电气设备综合式绝缘检测系统的软件 部分。另外，在课题组的研究基础上分别设计了各个特征量的信号采样单元、程控 放大单元，选取数据采集卡构建了测试系统的硬件框架。最后，为了数据管理和统 计的需要，开发出具有存储、查询功能的数据库系统。通过实验室测量验证了该综 合式绝缘检测系统的设计达到了预期目标，本文的工作为电力设备绝缘检测的现场 应用提供了实验基础。 关键词：电气设备，绝缘检测，局部放电，金属氧化物避雷器，介质损耗因数 a b s t r a c t t h es a f ea n dr e l i a b i l i t yo fe l e c t r i ce q u i p m e n t ，t oag r e a td e g r e e ，d e t e r m i n e st h e q u a l i t yo fi t si n s u l a t i o n i nt h i st h e s i s ，c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sw h i c hc a nr e f l e c t i n s u l a t i n gs t a t u sf o re l e c t r i ca p p l i a n c e s ，s u c ha s ，p a r t i a ld i s c h a r g e 、d i e l e c t r i cl o s st a n g e n t a n ds oo n ，i ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l y t h ep a p e rm a k e sr e s e a r c ho ne a c ha l g o r i t h m so f i n s u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c as o f t w a r em e a s u r i n gs y s t e mf o rt h em u l t i f u n c t i o ni n s u l a t i o n d e t e c t i n gd e v i c eb a s e do nl a b v i e wp l a t f o r mi sd e v e l o p e d t h e n ，t h ec u r r e n ts e n s o ra n d t h ea n a l o g ys i g n a lp r e p r o c e s s i n gu n i tf o rt h ei n s u l a t i o nd e t e c t i n gd e v i c ei sd e v e l o p e d ，i t c a nr e a l i z et h ef u n c t i o no fp r o g r a m m a b l ea m p l i f y i n g ，p r o g r a m m a b l ef i l t e r i n g f i n a l l y , a d a t a b a s et h a tc a ns a v e ，r e t r i e v ed a t aa r ed e s i g n e d t h r o u g hp r a c t i c a lm e a s u r e m e n t ，t h e d e s i g no ft h ed e t e c t i n gs y s t e mo b t a i n sa n t i c i p a t e dp u r p o s e t h ew o r kp e r f o r m e di nt h i s t h e s i sw i l lb eo fs o m ev a l u ei nt e r m so ft h e o r ya n dp r a c t i c ef o rt h em u l t i f u n c t i o n i n s u l a t i o nd e t e c t i n go fe l e c t r i ce q u i p m e n t g o ux i a o k a n ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l uf a n g c h e n g k e yw o r d s ：e l e c t r i ce q u i p m e n t ；i n s u l a t i o nd e t e c t i n g ；p a r t i a ld i s c h a r g e ；m e t a lo x i d e s u r g ea r r e s t e r ( m o a ) ；d i e l e c t r i cl o s sf a c t o r 声明尸叫 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于虚拟仪器的电气设备 绝缘综合检测装置研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导 师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文q j 特别加 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学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己在论文i = ，作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期：哆z 一2 4 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同 意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内 容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 1 1 电气设备绝缘故障及其危害性 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，电气设备的 安全运行是电力系统安全、稳定、经济运行的前提条件，高压电气设备发生事故， 不仅会造成设备本身损坏，造成局部供电中断，而且还会造成电网的波动、振荡， 影响供电质量，甚至引发电网事故。据文献统计【1 1 ，“八五期间，我国主要电网中 由于电气设备故障而直接引发的电网事故约占事故总量的2 6 3 。随着目前特高压 电网的建设，电压等级越来越高、设备容量越来越大，使得每年因停电检修造成的 对外供电中断的影响越来越大，不仅影响了供电的可靠性，也大大提高了检修成本 提高。同时用户对供电可靠性和供电质量要求进一步提高，这对电力设备的维护提 出了更高的要求。 大量资料表明导致电气设备失效的主要原因是其绝缘性能的劣化。电力设备在 运行过程中，其介质不可避免地承受热、电、化学、机械等多种因素的作用，设备 绝缘不可避免地发生劣化，严重时可能导致绝缘功能的丧失，从而引发设备故障。 例如我国1 9 8 4 1 9 8 6 年间1 1 0 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 j 。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 【3 1 。1 9 9 0 年全国1 1 0 k v 及以上等级互感器中绝缘故障占总事故台次的5 5 以上 【4 l 。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 t 引。 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【6 j 。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。有些非大型设备虽自身价值并不 昂贵，但故障后果严重，例如以往互感器、电容器、避雷器常因绝缘故障发生爆炸 和起火，不仅会波及邻近设备，且由于故障的突发性会因爆炸而造成人员伤亡。为 了保证设备能安全可靠的运行，除了采用新型绝缘材料，改进制造工艺以提高绝缘 的电气强度以外，很重要的一个方面，就是要对设备绝缘定期地进行预防性检查， 随时掌握设备运行的情况，防患于未然。 1 2 绝缘测试的发展概况和意义 1 2 1 预防性维修和试验 华北电力大学硕士学位论文 我国从五十年代开始，几十年来一直根据电力设备预防性规程的规定，对电力 设备进行定期的停电试验、检修和维护【7 1 。通过这些试验，大量严重受潮和有明显 缺陷的设备被检查出来。但随着电气设备的大容量化、高电压化、结构多样化和密 封化，对常规停电预防性试验而言，由于所采用的方法大多是传统的简易诊断方法， 因而显得不太适应，主要表现在【8 - 1 0 1 ： 1 要停电。目前我国电力供应还比较紧张，实施计划停电，给生产带来一定 的影响。在某些情况下，当由于系统运行的要求设备无发停电运行时，往往造成漏 试或超周期试验，这就难以及时诊断出绝缘缺陷。另外停电后，设备温度降低，测 试结果有时不能反映真实情况。研究表明，约有5 8 5 的设备难以根据低温度试验 结果做出正确的判断。 2 试验时间集中，工作量大。一则劳动强度大，二则难以对每台设备都进行 十分仔细的诊断，对可疑的数据未能及时进行反复研究和综合判断，以致酿成事故。 3 试验电压抵，试验结果有效值值得研究。对于传统的预测试验方法，试验 电压一般在l o k v 以下，由于试验电压低，不易发生缺陷，所以曾多次发生预防性 试验合格后的烧坏、爆炸情况。 1 2 2 状态维修和在线监测 2 0 世纪7 0 年代以来，随着世界上装机容量的迅速增长，对供电的可靠性的要 求越来越高。由于原有的预防性体系的局限性，为降低停电和维修费用，提出预知 性维修和状态维修这一概念。与传统的预试方法相比，带电测试和在线监测能够较 好地克服传统预试方法的不足，有其技术上的先进性。近几年来国内外普遍加快了 电气设备的带电测试与在线监测的研究和应用步伐【1 1 】。 现在，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。在带电测量技术的基础上发展起 来的一门新的监测技术一在线监测【1 2 】。对现行的预防性维修制度的根本的变革， 其发展方向必然是采用在线监测及诊断技术，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状态维修体系。状态维修 有以下优点： 1 可更有效地使用设备，提高了设备利用率。 2 降低了备件和更换部件以及维修所需费用。 3 有目标地进行维修可提高维修水平，而维修越好，设备运行越安全、可靠。 4 可系统地对设备制造部门提供信息，用以提高产品的可靠性。 状态维修的基础和依据是在线监测技术。在线监测的重要特征是监测系统几乎 2 华北电力大学硕士学位论文 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 1 3 - 1 5 】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【1 6 , 1 7 】。这一技术要求对 运行中电气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 电气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。可以预见，在不久的将来，预知性维修与预防性维修并存一个时期后，预知 性维修体系必然要取代预防性维修体系。 1 2 3 绝缘在线监测的发展现状和存在的问题 绝缘在线监测技术是近年来发展十分迅速又跨多学科的新兴技术领域，其研究 内容广泛涉及信息材料、测试测量、传感、微电子、计算机和通讯等诸多先进技术。 8 0 年代以来，绝缘在线监测系统在各国家的军民用诸领域已得到广泛应用。我国绝 缘在线监测和故障诊断技术和国外可以说是同步发展的，处于几乎相当的水平。随 着电子技术、传感器技术、光纤技术、计算机技术、通信和信息处理等技术的发展 和各领域的渗透，使绝缘在线监测方法发生了质的变化。国内外都研制出一系列可 实用的绝缘在线监测仪和装置。 1 美国 据资料介绍，美国于1 9 9 5 年颁布过“电气设备绝缘诊断方法导则”，已转向以 在线监测为主【1 8 l ，所采取的技术有：油中溶解气体分析、超声波探测、局部放电检 测、红外测温、振动分析等，已制定出有关标准，对试验数据的处理运用了模糊逻 辑，通过分析判断能够对问题缺陷提出处理建议，并给出建议的置信度。目前已应 用的在线监测装置有：变压器油中氢气浓度、发电机工况在线监测分析、光纤红外 技术监测变压器内部温度变化、变压器、c t 、电缆中局部放电监测等。 2 日本 日本8 0 年代开始进入了以状态监测为基础的预知维修时代，其该项技术的研 究与应用进展很快，并已积累了大量数据与经验，逐步形成了一些标准和较成熟的 方法。所采用的技术有：变压器寿命诊断，以温度特性、局部放电、纸的抗拉度、 聚合度、c o + c 0 2 等来预测剩余寿命、g i s 的监测项目为内部电晕、分解气体、超 声、温升等，并累积数据连续分析。 3 中国 国内带电测试和在线监测技术正处于第二个发展高峰期，已研制出变电站绝缘 在线监测装置、变压器局部放电和油中色谱分析、避雷器泄漏电流、设备红外测温 等。在数据的分析诊断中已采用了模糊逻辑、人工神经网络、专家系完成。由于在 3 华北电力大学硕士学位论文 变电站内容型设备的数量优势，电容型设备绝缘的在线检测与故障诊断成为了开展 较早和较多的在线检测工作之一。各大院校与研究机构进行了全方位探索与努力， 国内如武汉高压研究所、西安交通大学、武汉大学电气工程学院( 原武汉水利电力 大学) 、清华大学、中国电力科学院等科研院所，初步形成了容型设备在线监测的 相关理论体系并实现了传感器技术、数据处理技术、数据传输等细节、关键技术的 突破，为电容型设备的在线监测、诊断提供了强有力的技术支持。各生产厂家如广 州科立公司、武汉高德公司、马鞍山万源公司等厂商也在各种技术支撑的前提下， 投入了大量的力量进行研究与开发，推出了各种不同的产品。各电力生产部门也对 几乎所有成熟、不成熟的产品进行了试用。近年来，国外厂商如美国a v 0 公司、澳 大利亚红相( r e dp h a s e ) 公司、德国的l d i c 公司也相继推出了各自的产品。并在 国内有些变电站安装了其自行研制的监测系统。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，整个系统的研发朝着多层应用体系的方向发展。 国内高压电气设备绝缘在线监测的现状我国开展电力设备绝缘在线监测技术 的开发应用已有几十年了，此项工作对提高电力设备的运行维护水平，及时发现故 障隐患，减少停电事故的发生起到了积极的作用。但仍存在不少问题。根据中国电 力科学研究院1 9 9 8 年对全国部分省市电力部门安装的5 7 套集中型在线绝缘监测系 统的调查结果，属于正常或比较正常的仅占3 0 ，而确定不能正常运行或处于瘫痪 状态的要占总数的3 5 。主要表现在绝缘在线监测系统运行不可靠，原因有如下几 个方面【1 9 】： 1 绝缘在线监测系统结构设计不太合理 目前，一些在线监测系统采用对信号集中处理方式，即由放置在现场设备附近 的传感器抽取信号后，通过大量电缆将较弱的被测信号直接引入放置在主控室的计 算机中，由主机对现场设备进行巡回检测和数据处理。另一些检测系统采用分区集 中处理方式，即按照变电站的设备分布情况将被测设备分成若干区域，分别进行汇 集及信号选通，并通过一根特殊的多芯屏蔽电缆把经过选通的模拟信号送到主控室 的主机中，由主机进行巡回检测和数据处理。第二种方式虽然减少了电缆的用量， 但仍不能解决模拟信号在长距离传输后所导致的失真问题，而且这两种方式均存在 着现场安装工作量大，维修困难等特点。 2 传感器性能差，工作不稳定 传感器抗环境温度、湿度变化和电磁干扰的能力比较差，导致传感器失效、破 坏、电压信号畸变，引起介质测量不够准确，稳定性、重复性较差，测量误差较大。 3 绝缘在线监测系统的抗干扰能力差 4 华北电力大学硕士学位论文 由于电力系统的运行工况，周围有着强大的电磁干扰。传统的绝缘在线监测系 统中，是通过模拟信号进行通信的，所以系统通信抗干扰能力差，信号易畸变，数 据传输与处理部分发生故障，造成数据丢失，发生误判。 1 2 4 绝缘在线检测的关键技术 带电测试要达到的目的有两点，一、提供可以替代停电预试的可靠手段与方法。 二、进行数据的积累，为进一步的数据分析甚至判据研究提供基础。所以带电测试 的研究是多种方法进行全面尝试的过程。测试数据的稳定、设备缺陷的高检出率以 及测试过程安全、简便而且低强度是评价一个好方法的基本条件。其最终目标是以 可以部分或全部地取代停电检测，大大缓解生产人员设备维护任务过重的问题，同 时为电力企业提供可靠的运行检测手段。 绝缘在线检测的关键技术主要有以下几点： 1 传感器技术 对电器设备绝缘进行在线检测，首先是如何选用和研制各种需用的传感器，以 便从被测设备上获取信息，有时还需从其他设备上获取作为对比和基准的信息。然 后是怎样保证传感器在户外有温度变化和干扰的环境中性能稳定工作可靠。 2 信号传输技术 如何把传感器获取的信息，无畸变地送到数据处理单元去分析、处理存储，选 择什么样的通信方式很重要。因为这些工作很多都在现场进行的，在设备带高压的 情况下进行，所以要设法准确地获取并传输这些相当微弱的信号，使少受干扰或不 受干扰，就必须采取一系列的抗干扰措施。 3 数据分析、处理和诊断技术 对高压电器设备进行绝缘在线检测的目的是了解和评估设备在运行过程中的状 态，从而能及时地发现故障隐患。因此，通过对检测到的大量数据进行分析、处理 是十分重要的。它可以帮助我们去伪存真，提取信号特征供诊断使用。随着计算机 技术的研究和应用，为诊断技术提供了非常方便的手段。因此，研究和选择合适的 诊断方法对准确判断故障起着非常重要的作用。 4 抗干扰技术 在高压电气设备在线绝缘检测的各个环节中，都离不开抗干扰的问题。它包括 电场干扰和磁场干扰，或者说共模干扰和差模干扰等。因此抗干扰技术的好坏可以 说是绝缘在线检测成败的关键之一。 1 3 基于虚拟仪器的检测系统可行性研究 华北电力大学硕士学位论文 虚拟仪器是电子测量技术与计算机技术深层次结合的、具有很好发展前景的新 一类电子仪器，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把 计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了 仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理f 2 1 l 。虚 拟仪器的快速发展，为提高我国的电力设备运行安全性提供了一项新技术。 虚拟仪器在那些发达国家中设计、生产、使用已经十分普及。美国是虚拟仪器 的诞生国，也是全球最大的虚拟仪器研究、制造地，其生产虚拟仪器的主要厂家有 n i 公司、h p 公司和t e k r o n i x 公司等。在美国，虚拟仪器系统及其图形编程语言， 已成为各大学理工科学生的一门必修课程。而在我国虚拟仪器的设计、生产、使用 正在起步。据了解，1 9 9 6 年以来，我国重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学 及中科泛华公司等单位致力于研究开发虚拟仪器产品，并引进和消化了美国n i 公 司、h p 公司所做的一系列成果，取得了较好的进展。国内只有十几家企业在研制p c 虚拟仪器，有上百种系列实用产品面市，并开始在航空、航天、通信、医疗、电力、 石油勘探、铁路等行业普及应用1 1 2 3 - 2 s 1 。 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室使用虚拟仪器开发平台l a b v l e w 和数据采集卡，监视管道运行状况，并利用电话线路构成通信网络，建立一个实时 性较好的基于虚拟仪器的原油管道泄漏监测系统，这个系统应用在胜利油田临盘一 济南管线，仅仅2 0 0 1 年试用两个月就为国家挽回经济损失数十万元。 目前，国内外均提出了基于虚拟仪器技术的高压设备测试设备。河北省电研院 去年成功的研究出基于虚拟仪器技术的局部放电测试系统，替代了传统的局部放电 测量仪，国外也曾经研制出基于虚拟仪器技术的气相色谱分析仪器，这些都取得了 良好的效果。这说明采用虚拟仪器技术能够并能很好的在测试方面在测试方面应用。 就目前状态检修技术应用的角度而言，存在着一定的功利行为和好高骛远。在 带电测试技术尚不成熟，数据积累程度不足还未形成基本判据的情况下，盲目地大 范围推行在线监测，不仅不能实现对设备的全寿命实时监测，还造成了人力、物力 的极大浪费，特别是在当前，停电试验的替代手段还尚不成熟，人员与维护工作任 务矛盾突出并且尖锐的情况下，大范围使用尚不成熟的在线监测技术，显常是远水 不解近渴的。工程应用技术人员更应该踏下心来，多从现场应用入手，从实验数据 入手，总结故障判断的规律，研究在线检测技术。 通过调研表明，开发的绝缘检测仪器多数针对特定参数或特定设备定制研发， 如局部放电测试、绝缘电阻测试仪、介质损耗测试等。般都由不同的生产厂家按 各自企业的技术条件设计和制作，并经过专业检测机构认证，虽然遵循同一技术标 准但测试方法和测试工具不尽相同，技术水平等方面千差万别，以至于由于测量误 差给现场测量带来不便，甚至造成误判断，而且数据接口相互不兼容，不符合现代 6 华北电力大学硕士学位论文 化管理的发展潮流。其可移植性比较差，难以实现资源共享，使得系统开发效率低、 成本高、费时多，形成很大的浪费。 高速发展的通用技术无法在这些测试设备中应用，带来的结果是，这些设备笨 重、品种繁多、价格昂贵、维护成本高、几乎无法升级、测量数据管理困难。 现场测试中经常要对多个电力设备进行测试，而且每次测试要对电力设备的多 种指标或性能参数进行测试，如果在野外测试，就需要携带多个仪器，在室内测试 也需要频繁地更换设备，导致测试工作效率低下、管理困难，也使得测量报告变得 复杂化，不利于统计。因此，将不同的仪器结合在一起，已经成为一种趋势，这将 会方便管理使用、简化工作程序、降低成本并提高工作效率。 由于数字化测试系统主要由信号调理、数据采集、数据分析和处理、报告生成 等几个部分组成，用于电力系统的高压试验设备，一般还要增加大功率或高压信号 发生环节。综合来说，大多数的电力测试设备可以由下列清单中的部分设备构成： ( 1 ) 高压交、直流发生器；( 2 ) 高压直流发生器；( 3 ) 信号调理模块；( 4 ) 用作数据采集、 分析、处理及数据管理的主机。 利用虚拟仪器技术，将各种设备的数据采集、分析、处理和数据管理的功能用 同一台计算机来处理。信号调理模块体积一般都比较小，不同要求的信号调理模块 也可以集成到同一机箱中。因此，我们可以用适当的信号发生器与一台集成了信号 调理模块、高速数据采集卡和高精度数据采集卡的计算机配以软件支持，设计一个 综合式测试系统，这个系统可以替代多种测试设备的功能。 本论文提出构建综合式高压电气设备绝缘检测系统的设想。依托此平台可以开 发不同类型设备的绝缘检测子系统，并实现资源共享，提高开发效率，降低开发成 本。本设想的提出是建立在以下两点的基础之上的：( 1 ) 经过调查发现目前国内外 开发的各种绝缘检测系统，无论是便携式系统，还是在线实时系统，甚至是基于网 络的远程系统，都是通过对设备运行状态信息的采集、分析处理以及综合分析，从 而定量地掌握设备的运行状态和发展趋势的，因此，针对不同对象和不同需求所开 发的绝缘检测系统在结构上存在着很大的共性。( 2 ) 随着计算机和信息技术的发展， 特别是虚拟仪器技术的广泛应用，软件目前已经在绝缘检测系统中扮演了越来越重 要的角色，大部分绝缘检测系统已经由以前的纯硬件装置进化为计算机软硬件系 统，虚拟仪器的引入降低了系统成本，并从而在此基础上使整个系统变得更为复杂， 功能更为强大。 1 4 本文的主要工作 1 4 1 研究目标 7 华北电力大学硕士学位论文 本论文基于虚拟仪器l a b v i e w 致力于研制综合式高压电气设备绝缘检测应用 系统，支持多设备多特征量的检测，最终形成一个标准化的、灵活的、具有强大分 析能力的、可同时用于生产和科研部门的高压电气设备绝缘检测应用系统。 1 4 2 研究内容 鉴于以上分析讨论，本论文着重对以下内容进行了研究： 1 开展高压电气设备绝缘特征量的研究分析，通过查阅大量资料学习表征绝缘 情况的特征量，分析各种特征参数的检测方法，选取有效的测试方法，设计出绝缘 检测系统的整体框架。 2 系统的硬件设计，主要包括针对不同特征量的信号提取模块设计( 包括基于 脉冲电流的局部放电的传感器选取，m o a 泄漏电流测试传感器的设计，介质损耗 测试电流信号的提取方法研究) ，各种信号调理单元的设计，高速数据采集卡的选 择和相关程序的开发。 3 测试子系统的软件设计。( 1 ) 研制局部放电检测子系统：高速、高精度数据采 集，干扰抑制，同步信号提取，数字滤波，信号处理，放电量计算，对不同频率测 试电压能够自动同步；( 2 ) 研制介质损耗角绝缘检测子系统：介损数字化测量属于高 电压、微电流、小角度的精密测量范畴，对测量方法的要求很高，必须能够有效地 降低测量误差；( 3 ) 研制m o a 绝缘检测子系统：开发出一套基于数字波形分析法的 智能式绝缘检测系统。该系统能准确的测量出m o a 的基波阻性电流、三次谐波阻 性电流、总的阻性电流、总泄漏电流，并显示出它们的波形。 4 设计高压电气设备绝缘检测系统的数据库。根据数据库设计理论，选择简单 易用、开发周期短的m i c r o s o f ta c c e s s 数据库作为系统数据库。数据库主要包括设 备表、试验表、特征参数表等。同时设计数据存储、数据查询等功能，便于实现资 源共享，提高设备的可靠性和扩展性。 5 干扰的分析和抗干扰措施的设计。 6 系统的集成和调试。通过实验室和现场试验，验证系统的正确性，并对数据 进行分析处理。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章绝缘检测系统整体框架的设计 2 1 电气设备反映其绝缘状况的特征参量的选取 从目前预防性试验的内容来看，对设备绝缘缺陷反映较为有效的试验有介质损 耗角t a n 6 、泄漏电流l 、全电流，、泄漏电流的直流分量j 膏、局部放电测量及油中 色谱分析等。通过大量的试验证明，只要测准介质损耗、局部放电和油中色谱分析， 就能比较准确地掌握设备的绝缘情况。如果能用一台廉价的、有效的带点测试装置， 能简便的测出局部放电、介质损耗等各种绝缘参数，判断设备的绝缘情况，从而减 少预试内容，或增长试验时间间隔并逐步代替设备的定期停电预防性试验，并实施 状态监测及检修，这对于保证电力设备的可靠运行及降低设备的运行费用都是很有 意义的【2 6 1 。 对于变压器绝缘在线检测最有效的方法之一是检测局部放电电脉冲参量。变压 器正常运行中局部放电量较小，近年生产的1 1 0 k v 以上变压器局部放电量都控制在 5 0 0 p c 以下；但在实际运行中，即使出现有5 0 0 0 p c 左右的放电也照常运行，其绝 缘缺陷发展过程可能延续几周甚至几年。但当发展到绝缘击穿故障前期，它的放电 量会大大超过正常达到l x l 0 5 p c ，因此，有可能利用价廉而简化的在线检测设备进 行绝缘故障测试。如发现有异常后，再结合其他试验进行综合故障分析，就能有效 地起到应有的测试作用。 少油式电气设备包括电流互感器、电压互感器、变压器套管及避雷器等。这类 设备价值相对不太高，但由于绝缘故障往往引起爆炸事故，损坏变电所相邻设备， 爆炸引起的大火还会造成变电所、发电厂不能运行等情况，从而经济损失严重，这 类事故在国内外经常发生。因此，开展少油式设备的在线检测，能提高设备运行可 靠性，减少设备的检修、预检停运时间。资料表明，利用现场带电检测仪定期对运 行电气设备的泄漏电流、介质损耗、金属氧化物避雷器的阻性电流等绝缘参数进行 检测，可以及时发现绝缘缺陷。 m o a 的伏安特性为f = k u 声；，瓴) ( k ，卢为非线性系数，f 。为高次谐波电流，u 为电网电压) ，由于全电流中的阻性分量不仅包含有基波，而且还有三次、五次和更 高的谐波，其所占分量逐渐减少【2 7 】。由阻性全电流与各次谐波之间存在一定比例关 系，由于三次谐波分量相对较大，故通过测量三次谐波阻性电流的大小，可得到总 阻性电流值1 2 8 j 。 一般而言，m o a 绝缘性能下降原因之一是氧化锌阀片老化，使其非线性特性 9 华北电力大学硕士学位论文 变差，其主要表现是在系统正常运行电压下阻性电流高次谐波分量显著增大，而阻 性电流的基波分量相对增加较小。原因之二是受潮，其主要表现是在正常运行电压 下阻性电流基波分量显著增大，而阻性电流高次谐波分量增加相对较小。因此，对 阻性电流各次谐波的测量可以较为准确地判别m o a 绝缘性能下降的原因f 2 9 1 。而研 究m o a 泄露电流的目的是为了研究避雷器由于劣化而产生功耗发热的状况。综合 测试m o a 的阻性电流、泄漏电流可以有效的判断m o a 的绝缘情况。 绝缘在线检测系统检测对象概括起有下列几种【3 0 】： 1 变压器、电抗器的局部放电量检测及定位。 2 容性电气设备( 包括电流互感器、电容式电压互感器、耦合电容器、变压器 及电抗器管套) 的介质损耗因数、电容量的检测。 3 g i s ( 气体绝缘封闭式组合电器) 局部放电在线检测及定位。 4 发电机绝缘局部放电在线检测。 5 电缆绝缘介质损耗，泄漏电流及局部放电量检测。 6 避雷器的泄漏电流及其有功分量的检测。 7 瓷绝缘子的污秽泄漏电流的检测。 8 少油开关绝缘拉杆泄漏电流的检测。 综上所述，电气设备绝缘状态通常是通过局部放电量及其放电位置、介质损耗 因数( t a n 6 ) 、泄漏电流和设备的电容值四个特征量来表示。从绝缘特性看，综合检 测局部放电、t a n 6 、泄漏电流可以较为为全面的了解电气设备设备绝缘状况。 2 2 绝缘状况特征量的检测算法研究 2 2 1 局部放电在线检测方法 局部放电的测试都是以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能表述该现象 的物理量来表征局部放电的状态。局部放电的过程，除伴随着电荷的转移和电能的 损耗之外，还会产生声波、发光、发热以及出现新的生成物等，所以目前出现的检 测技术均是围绕着这些表征特征进行检测。 1 脉冲电流法1 3 l 】。脉冲电流法是通过检测阻抗来检测局部放电引起的脉冲电 流信号，从而获得局部放电的基本信息，如视在放电量、放电次数以及放电相位。 脉冲电流法是研究最早，应用最广泛的一种检测方法，i e c 和我国均对此制定了专 门的检测标准，该方法的优点在于灵敏度高，可定量测量局部放电的特征参数。但 由于其受电磁干扰严重，在现场提取电脉冲信号困难，尚未做到在线检测。检测变 压器局部放电脉冲的电流传感器通常用罗哥夫斯基线圈制成，与被测变压器仅有磁 1 0 华北电力大学硕士学位论文 耦合，而无电气连接。电流传感器按频带分为窄带和宽带两种，窄带传感器频率一 般在1 0 k h z 左右，中心频率在2 0 - 3 0 k h z 之间或更高，具有灵敏度高，抗干扰性强等 优点，但输出波形严重畸变；宽带传感器带宽为1 0 0 k h z 左右或更宽，中心频率在 2 0 0 - - - 4 0 0 k h z 之间，具有脉冲分辨率高等优点，但信噪比低。脉冲电流法是目前国 际上唯一有标准的局部放电检测方法，尽管测量频率低、频带窄、信息量少，但依 据i e c 6 0 2 7 0 标准进行测量，所得数据具有可比性，目前是不可替代的。 2 超声波检测法【3 1 , 3 4 】。在电力变压器内部发生放电时，会伴随有超声波能量的 放出，超声波检测法是通过固定在电气设备表面的超声波传感器接收其内部局部放 电产生的超声波信号，其优点在于可避免电磁干扰的影响，便于空间定位，易于实 现在线检测，缺点是放电源和超声探头之间的超声波阻抗是非常复杂的，超声信号 常常因为多种因素影响而失真( 如传播途径、频率、速度相关特性以及不同介质中 的传播衰减等) 。典型的超声波传感器的频带大约为5 0 k i - i z 至u 2 0 0 k h z ，超声波测量 主要用于定性地判断局放信号的有无，以及结合脉冲电流检测法或者直接利用超声 信号对局放源进行物理定位。超声波检测法作为主要的辅助测量手段，随着对局部 放电超声波测量研究的深入，有可能定量地分析放电强度，从而形成从检测到定位 的局部放电判别标准。 3 化学检测法。局部放电可导致绝缘材料分解产生新的生成物，通过检测生成 物的组成和浓度，可以判断局部放电的状态【3 5 】。局部放电产生的生成物一气体主要 包括c 2 h 4 ，c h 4 ，h 2 ，c 0 2 ，c 2 h 2 等，放电产生的气体与放电能量是紧密相关的。 离线化学检测方法，即实验室油色谱分析可定期进行油中的气体分析，此方法可以 根据局部放电所分解的气体成分和浓度判断局部放电的模式，但所获得的信息为长 期异常现象产生气体的累加值，对于突发性故障感知能力低。化学方法的在线检测 正逐步推广，包括变压器油色谱的在线检测、变压器油中氢气浓度在线检测、变压 器油中乙炔在线检测等，它们可以反映不同气体的动态特性，具有更好的展现变压 器内部变化的潜能，但是这个知识体系是随现场经验的增多而逐渐积累起来的，需 要时间、精力、资金和创造力。化学检测是一种定性检测法，不能反映突发性的早 期潜伏性故障，如围屏放电、主绝缘放电这类对变压器绝缘造成极大危害的流注型 放电。 4 红外检测法。红外检测是基于放电点的温度升高，利用红外探测仪的热成像 原理实现热点测量。由于变压器结构和传热过程的复杂性，要利用红外成像方法直 接检测位于变压器本体内部的局部放电是十分困难的1 3 6 】。目前变压器红外检测主要 是针对变压器外部故障，如导体连接不良、漏磁引起的箱体涡流、冷却装置故障和 变压器套管故障等。 5 射频检测法。其基本原理是利用罗哥夫斯基线圈从变压器的中性点处提取信 华北电力大学硕士学位论文 号，信号检测频率可达3 0 m h z 。射频检测法具有测试系统安装方便，检测设备不改 变电力系统的运行方式等优点，但对于三相电力变压器，得到的信号是三相局部放 电信号的总和，无法进行分辨，且信号易受外界干扰。 2 2 2m o a 的主要检测方法 避雷器是电网中保护电力设备免受过电压危害的重要电气设备，其运行的可将 直接影响电力系统的安全。 m o a 阀片在小电流区域内的等效电路如图2 - 1 所示。在电网电压口x 的作用下， 避雷器的总泄漏电流( 全电流) k 包括阻性电流( 有功分量) 呔和容性电流( 无功 分量) f c 。 r 非线性电阻c _ 一晶界电容( 近似定值) 广_ 全电流f 广容性电流分量f r _ 阻性电流分量 图2 1 小电流区m o a 阀片等效电路 在标准正弦电压作用下，因为尺的非线性使得流过m o a 的阻性电流不仅含有 基波，而且含有高次谐波，而容性电流分量只有基波，因此，阻性电流的谐波量就 是总泄漏电流的谐波量，同时，只有阻性电流才能产生功率损耗。根据试验结果， 阻性电流一般只为总泄漏电流的1 0 一2 0 左右，总泄漏电流中以容性电流为主，但 容性电流的变化很小，相对阻性电流随时间的变化量，容性电流的变化量可以忽略 不计，由此可见，表征m o a 运行工况的特征量主要有总泄漏电流，阻性电流，基 波阻性电流，功率损耗。 带电测试和在线监测主要有总泄漏电流法、阻性电流基波法、阻性电流三次谐 波法、容性电流补偿法、零序电流法、p o w 法以及红外诊断等。 1 总泄漏电流法【3 7 】。该方法是基于总泄漏电流的增加能在一定程度上反映其阻 性电流，r 的增长情况，其测量原理如图2 2 所示。 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 全电流在线监测原理图 但由于阻性电流仅占很小的比例，这样，即使j 詹已显著增加，j 。的