（机械电子工程专业论文）moa绝缘在线监测装置设计及其信号处理问题的探讨.pdf

摘要 电力系统巾的过电压会对电力设备造成很大的危害。为了保护电力设备和确保 电力系统的经济可靠运行，氧化锌避雷器( 简称m o a ) 被广泛地运用于几乎所有类型 的电力系统中。随着电网容量的增加和电压等级的不断提高，避雷器的预防性检测 越来越不能满足供电安全性、可靠性的需要。以绝缘在线监测为基础的状态维修， 能够在其不停电、不脱离系统运行状态下，自动地、连续地或定时地进行设备绝缘 特性检测和监督，实时反映设备运行状态，提供设备检修的标准。 基于目前m o a 在线监测中存在的抗干扰性能差，监测精度不高等问题，本文 通过详细地讨论各种监测方法及其优缺点，设计了一种集中分布式结构的监测装最， 分别从硬件、软件两个方面加以改进，提高了监测的准确性和有效性。硬件方面改 进了传感器和波形采集电路；软件方面针对白噪声对监测结果的影响提出了基于小 波变换的除噪滤波算法。针对系统电压高次谐波对监测结果的影响问题，提出了基 于抗混叠傅立叶变换( f a f t ) 的谐波分析法，获得有利于故障诊断的监测参数。 通过实际挂网运行，本文提出的两种方法：基于小波变换的除噪滤波算法及基 于抗混叠傅立”| j 变换( f a f t ) 的谐波分析法是有效的，提高了在线监测装茕的精度。 关键词：绝缘在线监测小波变换抗混叠傅立叶变换信噪比 a b s t r a c t i n1 ) o w e rs y s t e m ，o v e rv o l t a g ed o e sg r e a th a r mt ot h ei n s t a l l a t i o n i no r d e rt o p r o t e c tt h ei n s t a l l a t i o na n de n s u r et h a tt h ep o w e rw o r ke c o n o m i c a l l ya n dr e l i a b ly m e t a lz i n co x i d ea r r c s t e r ( m o a ) h a su s e di na l m o s ta i lt y p e so fi n s t a l l a t i o n w i t h t h ea c c r e t i o nd ft h ep o w e rn e t w o r kc a p a c i t ya n dt h ec o n t i n u o u se n h a n c e m e n to f v o l t a g el e v e l ，t h ep r e v e n t i v et e s to fa r r e s t e ri sn o tm o r ea n dm o r es a t i s f i e dw i t ht h e n e e do ft h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo np o w e rs u p p l y t h es t a t u sm a i n t e n a n c e ，b a s e do n o n l i n e m o n i t o r i n g f o ri n s u l a t i o n c o u l di n s p e c ta n dm o n i t o rt h e e q u i p m e n t s c h a r a c t e r sa u t o m a t i c a l l y , c o n t i n u o u s l yo rt i m i n gu n d e rw i t h o u tc u t t i n gp o w e ra n d b r e a k i n ga w a yf r o mr u n n i n gs y s t e m i tc a nr e f l e c tt h ee q u i p m e n tr u n n i n gs t a t u sa n d p r o v i d et h em a i n t e n a n c es t a n d a r d s b a s e du p o nt h ew o r s ec a p a b i l i t yo fa n t i - j a m m i n ga n dt h el o wa c c u r a c yi nm o a o n l i n e m o n i t o r i n g ，t h i sp a p e rp r e s e n t s ac e n t r a l i z e da n dd e c e n t r a l i z e dm o n i t o r i n g d e ，v i c ef o rs u b s t a t i o nb yp r o b i n gp a r t i c u l a r l yt h ew a y so fm o n i t o r i n ga n dt h e i r s q u a l i t i e s i nt h ed e v i c e ，s o m em e a s u r e s ，a b o u th a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a r et a k e nt o r e s t r a i ne f f e c t i v e l yt h ed i s t u r b a n c ea n dt oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n dp r e c i s i o n f o r h a r d w a r e ，t h es e n s o ra n dw a v es a m p l i n gs y s t e ma r e i m p r o v e d f o rs o f t w a r e ， a c c o r d i n gt ot h ei m p a c to fw h i t en o i s e ，a na l g o r i t h mo fd e n o i s i n gb a s e do nw a v e l e t t r a n s f o r mi s p r e s e n t e d a c c o r d i n gt o t h e i m p a c to fh i g h e rv o l t a g eh a r m o n i c ，a n a l g o r i t h mo fh a r m o n i ca n a l y s i sb a s e do ha n t i a l i a sf o u r i e rt r a n s f o r mi sd i s c u s s e d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lw a y , f 丌h a r m o n i ca n a l y s i s t h ea l g o r i t h mi n c r e a s e s t h em o n i t o r i n gp r e c i s i o na n dt h ev e r a c i t y t h r o u g hr u n n i n gi n s u l a t i o no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h et w ow a y sp r e s e n t e d i np a p e r ，s i g n a ld e n o i s i n ga l g o r i t h mb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r ma sw e l la sh a r m o n i c a n a l y s i sb a s e do na n t i a l i a sf o u r i e rt r a n s f o r m ，a r ep r o v e dt ob ee f f e c t i v e k e y w o r d s ：o n l i n ei n s u l a t i o nm o n i t o r , w a v e l e tt r a n s f o r m ， a n t i a l i a sf o u r i e rt r a n s f o r m ，s n r ( s i g n a ln o i s er a t i o ) 第一章绪论 1 1电力设备绝缘维修制观念的演变过程 在二十世纪四十年代以前，因电网电压等级低、容量小，电力设备发生故障 所带来的损失和影响不大，因此人们采用事故维修制( 即设备损失后，停电进行 维修) 。此后，电网容量逐渐增大，电压等级也随之提高，电力设备发生故障所带 来的损失也增大。因此，电力设备维修体制相应地从事故后维修制过渡到预防性 维修制( 即定期更换设备重要部件) 。 从打十年代起，由于1 1 0 k v 2 2 0 k v 电压等级的电网已经具有相当火的规模， 设备故障带来的损失和影响也更大用户对供电的可靠性要求也更高了，于是电 力设备维修从预防性维修逐渐演变为维修预防制( 即在设计时，根据设备在运行 中的熏要性、用户要求，在设计阶段有意地提高设备的可靠性和维护性) 。在从预 防性维修制演变为维修预防制的过程中，人们逐步探索定期对某些设备的绝缘性 能停电作非破坏性和破坏性试验研究，逐渐总结出了某些设备的预防性试行标准， 并由此形成了局部预防性维修体系。 从六十年代起，各国相继制定了比较规范的停电预防性试验标准，从而设备 维修制度进入了预防性维修制时代。不久，人们渐渐认识到定期停电进行预防性 试验存在着不少缺陷和不足。主要问题有： 1 试验时需要停电：即使是计划性停电，也会给生产带来一定的影响。另外， 停电后设备温度降低，测试结果往往不能反映真实情况。研究表明，约5 8 j 的设 备难以根据低温试验结果作出正确判断。 2 早报或误报：定期停电检修所加的试验电压一般在1 0 k v 及其以下，低于运行 时的电压，而且由于试验期间断电，所反映的情况离真实情况相差较大，无法实 时反映运行电压下的绝缘性能和整个工作状况，因而诊断的结果未必符合实际运 行状态，曾多次发生预防性试验合格后的烧坏、爆炸情况。例如：安徽滁州电业 局曾发生o y1 1 0 - 0 0 0 6 6 型耦合电容器试验合格后，运行不到三个月就爆炸的情 况。 3 检修费用高：在预防性试验期间要投入的物力、财力及人力较大，测试程序复 杂、工作量大、时间集中，而且易受人为因素影响，造成了诸多的损失。 4 试验周期长，不能及时发现、诊断出一些发展较快的故障。 因此，即使设符通过了预防件检测，仍然i h 有敞障发g i 。二是，人们开始探 讨新的带乜力式的检测，即采用绝缘在线监测与诊断技术，探索以在线监测为基 础的状态维修制。所谓绝缘在线j | i 洲是指在设备不停 乜、不脱离系统的运行状态 下，利用先进的数字信号处理技术和故障诊断方法对设备绝缘状况进行自动化的、 连续的或定时的绝缘特性检测和监督，目的是了解和掌握被监测设备是否处于诈 常运行状态，以便确定该设备是否需要检修，如何检修1 2 1 。 在运行电压下对电气设备进行工作状念的监测，这不仅可以真实地反映设 备绝缘的运行状态，而且可以不停电，减少停电带来的损失。但是由于被测设备 在运行电压下电气异常的信息( 特征量) 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、渗j ：| | 斤等比电力系统运行参量的监控复 杂得多，其发展速度也较缓慢。 直到近些年，随着现代传感器技术、计算机技术和信息处理技术的发展和应 用，在线监测技术及诊断技术才变成了，j 能和现实。它在电力设备故障诊断中的 应用也越米越受到重视。与预防性试验制度的建立过程样，通过使用、推广、 总结和提高之后，将会制定出以在线监测为基础的电力设备状念检修标准，逐步 建立完善的电力系统状态检修制度。 随着我国电网容量的迅速增人和电j i i 等级的不断提高，供电的可靠性越发显 得重要。因此，绝缘在线监测及诊断技术在我国有着十分广泛的应用前景。 1 2 绝缘在线监测系统简介 电力设备维修制度j 下经历着从以时间为基准预防性试验制到以状态为基准的 状态维修制的转变，状态维修( cbm ) 的概念受到愈来愈多的重视。状态维修可分 为三层内容：绝缘在线监测是状态维修的基础和前提，通过在线监测，在不影响 设备运行的前提下提取各种状态参数信息；故障诊断是状态维修的核心，根据 在线监测数据诊断其绝缘状况，识别故障的种类和程度：维修策略的制定是状念 维修的目标。 1 2 1 在线监测的对象 目前，变电站中绝缘在线监测设备主要分三大类：变压器监测、断路器监测 及电容性设备监测。变压器监测对象包括：变压器油中六种溶解气体( c h 2 、c o 、 c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 6 ) 、局部放电以及铁芯电流等。而容性设备监测对象包括： 电压互感器( p t ) 、电流互感器( c t ) 、耦合电容器( o y ) 、电容式电压互感器( c v t ) 及 。1 套管等。容性设备测量参数主要包含介质损耗、等值电容、泄漏i u 流、温湿度等 参数。另外，还有氧化锌避雷器( m o a ) ，其主要监测参量为总泄漏i 乜流值、阻性 电流有效值、阻性电流j 下峰值等。具体内容可列表表示如下： 设备名称在线监测参量 油中c h 2 、c o 、c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 6 六种溶解气体含 量 变压器变压器局部放电量 高、中、低压侧套管绝缘介损、电容值、泄漏电流值 变压器铁芯电流 氧化锌避雷器总泄漏电流值、阻性电流有效值、阻性 乜流证峰值、负峰值、 ( m o a )阻性电流峰一峰值、功率损耗 电压互感器( p t )原边对副边的泄漏电流值( 原边对副边的- k - - 2 色g k ) 电流互感器( c t )泄漏电流值、电容值、介损值 耦合电容器( o y )泄漏电流值、电容值、介损值 电容式压变( c v t )泄漏电流值、电容值、介损值 变电站温湿度 温度、湿度 变电站支柱污秽泄漏电流值 表1 1 绝缘往线监删参量表 1 2 2在线监测的主要方法 通过对已投入使用的绝缘在线监测系统的总结，从测量原理上进行分类，目 前使用的在线监测方法“1 主要有：过零比较法和谐波分析法两种比较典型的方法。 下面对这两种方法进行一下分析比较。 l 、过零比较法 该方法测量范围广，使用方便、容易掌握得到了广泛的应用，其基本原理 是采用以电流和电压过零相位差为比较，监测系统方框图如图卜l 所示。首先将 电流传感器测得的信号与电压互感器取得的信号进行放大、滤波等处理，除去干 扰信号和高次谐波，基本上只留下基波信号。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 参量的大小。 前 置 信 号 k 逻 辑 与 剀1 1过零比较法监测原理框图 1 f i ：在实际应用过程中，该方法的测量精度和稳定度不可能很高，原因有以卜两 点： a ) 为了满足“除去干扰信号和高次谐波，基本上只留f 基波信号”，该方法 必须在f 讨置信号处理中使用其截止特性较陡的模拟低通滤波器来进行滤波，这利， 滤波器主要由电阻电容构成，且其相移非常大，造成信号波形失真。另外，这种 滤波器对谐波的抑制有限，而泄漏电流中的谐波分量是很大的，加上环境温、湿 度的变化，即使使用最好的阻容器件做成的滤波器，其漂移带来的介损测量也至少 是在0 3 以上，稳定度较差。 h ) 在信号进行鉴相比较中，要求信号相当平稳，不能有频率波动，否则信号 过零点的位置就不一致，造成所测参量不准确。然而，这在现场测量中几乎不可 能满足。所以，由于高次谐波的影响，当有外界电场干扰、零点漂移、信号波形畸 变等影响时，测量参数有较大的误差和分散性，可信度较低。 2 、f f t 谐波分析法 f f t 谐波分析法 4 1 是基于傅立叶变换来监测参数的，其系统原理方框图见图 l 一2 所示。 i 母线电压信号l _ 陌磊习一 图l 一2f f t 谐波分析法监测原理方框图 该方法原理是通过在时域中采样到电流、电压信号，利用频谱分析方法，在 频域中对其各次谐波分量处理，计算出设备的介质损耗、泄漏电流、等值电容等 4 爹龄。 与i m 行j f _ | j 比，该方法的j ：要特点足测髓精度较高，抗干扰性较强，其主要原因 主要有如下两点： 1 ) 采用似氏变换对被测 乜压及i u 流进行分析。丛于三角函数的正交性，电压、 电流数字信号经傅氏变换分解后，丛波不受高次谐波和零漂的影响，提高了测量 精度及装置的稳定性。 2 ) 采用快速抗混叠傅立叶算法( f a f t ) ，能在不滤除信号高频分量的前提下， 消除频率混叠误差，提高计算精度。 实际测量和现场应用证明，采用这_ f i | 方法的在线监测系统的测量精度高、稳 定性和，j j 靠性好。也h 有做到这一点，住线监洲j 会有意义。 1 23 在线监测实施的总体结构 为了有效地实现电力设备的绝缘在线监测，在本课题设计中利用了先进的电 力电子技术、信息处理技术，改变了当前的介质损耗的微机处理、异频测量的抗 干扰性差，对温湿度等环境条件的综合分析性能差的缺点。采用了集中分雨】式体 系结构f 如图1 3 所示) ，分i i 、下位机结构，将信号诊断分析与数据采集处理的任 务分配于= 者便于维护，管理及现场调试，提高了系统的可靠性。 在变电站现场，i i 高精度传感器采得电力设备状态信号，经放大、模拟低通 滤波后进入多通道信号采集器，对多路信号同步采样，耿得所需的数字信号。将 数字信号送入山16 位tn t e l8 0 c 1 9 6 k c 巾片机为核心的高速数掘处理器中，进行 数据处理。在处理中利用小波变换除噪、傅立叶变换计算参量，最终获得设备的 各种绝缘状态参数。然后再通过r s2 3 2 总线与上位机通讯，将这些参数送入工拧 机进行处理、分析和诊断，生成数据报表和设备绝缘状念变化趋势曲线，若发现 参数超限，便发出报警信号，同时将数据进行存贮或通过网络( 或m o i ) e m ) 远传至 局内m i s 系统，供管理人员浏览、查询。至此，可以应用该系统完成电力设备在 线监测，为设备状态维修提供依据。 1 ，2 4 在线监测目前存在的问题 目前，国内外已有为数不少的针对各类高压i 七l 力设备的绝缘在线监测系统投 入了使用，一些系统正在运行并发挥了一定的作用1 5 i 。但各种参量的检测结果的 准确性、稳定性以及诊断结果的有效性还不尽人意，有待进一步的研究。以下仅 列举几项为例来说明： 变压器油中气体的在线色谱分析方面，透气膜的抗老化性、气敏传感器的 稳定性和单一性及色谱柱的性能还不能令人满意，检测灵敏度有待进一步提高： 氧化锌避雷器( m o a ) 在线监测方面，首先由于m o a 阀j - 的交流伏安特性 存在滞回现象，而且不同规格的m o a 存在不同的滞回现象，所以采用的补偿法 在理论上并不够完善。其次，电压取样时p t 本身角差引起的测量误差至今无法 消除，有关研究尚在进行中。 在电容性设备监测中，介质损耗1 6 j 是通过对p t 二次侧电压和设备的泄漏 电流同步高速数据采集测量，由于现场的电磁干扰和信号通道中元件热噪声的影 响，采集到的两路信号带有大量的噪声，导致测量的准确性和精度仍待提高l ”。 诸多问题的存在均关系到绝缘在线监测的成败，而许多问题是由于在测量过 程中，现场强烈的外界电磁干扰噪声存在，一些被测量相当微弱，常常被现场强 烈的外界电磁干扰所淹没，准确测量的关键是如何将如此微弱信号从强烈的外 界电磁干扰中检测出来，即如何抑制各种干扰，提高监测系统的抗干扰能力。 1 3 本课题的研究内容及方案 本课题来源于湖南省火炬计划中的一一变电站高压电力设备绝缘在线监测系 统项目，m o a 在线监测是高压电力设备绝缘在线监测中的重要组成部分。针对目 前m o a 在线监测中存在的抗干扰性能差，监测精度不高等问题，本文通过详细 地讨论各种监测方法及其优缺点，设计了一种集中分布式结构的监测装置，分别 从硬件、软件两个方面加以改进，提高了监测的准确性和有效性。 1 1 0 k v 变电站中以变压器为中心的高压电气设备时刻处于高电压、强电场的干 扰作用下，而能够在线获得的氧化锌避雷器全电流信号又极其弱小( 甚至小于 】m a ) ，外部的电晕放电、电弧放电等干扰脉冲信号，其特征与绝缘特征量的信号 相似，并且这些脉冲型干扰和连续的周期型干扰以及白噪声可能比绝缘特征量的 信号强得多。因而，如何从很强的背景噪声中提取有效信号，尤其是设备故障信号 ( 在避雷器劣化早期，阻性电流基波值不可能很大，但由于阻性电流中高次谐波 分量的增长，会导致总泄漏电流波形劣化) 成为m o a 绝缘在线监测的关键技术问 一 一 题。柏i 衍应用中，我们使用的汀法足谐波分析法，实践证明使用该方法是一种行 之有效在线脏测的方法，但是该方法要求所处理的信号必须能真实反映设备的特 征量，即要求所处理的信号的信f 噪比较高否则所测量参数是不准确的。归根到 底就是采j j f 可种抗干扰处理方式，获墩纯净的有效信号用于处理分析1 8j 。 国内外在这方i 面进行了大量研究工作，分别从硬件、软件方面或硬软件相结 合提出了多种抗干扰方法主要有差动平衡法、脉冲极性鉴别法和软件法等。但 这些方法都在各种各样的程度上呈在某些弊端，例如：在硬件上，通常采用模拟 低通滤波器( 巴特渥斯滤波器或切比雪夫滤波器等) ，由于这些滤波器基本上均是 阻容性元器件组成，为了能有效地滤除干扰噪声，就会要求滤波器的截止特性很 尖锐，过渡时问很短，然而这样会导致滤波后的信号线性相位失真，另外加上阻 容性元器件的温漂、零漂影响，也会增加失真。所以，使用模拟低通滤波器往往 会在滤除干扰噪声的同时带入另一种干扰 在软件卜，使用数字滤波器，这种滤波器具有较硬件方法经济、实用的特点， 诸如i i r 滤波器由于相位特性是非线性的1 9 1 ，因此在相位计算时是不适宜的。而 f i r 滤波器从理论上讲可以保持严格的线性相位，对于信噪比较高的信号而言，该 方法效果较好。但对】：些信噪比较低的信号，则往往会将信号中包含噪声在内 的高频成份统统除掉，而我们所监测的信号通常信噪比不会高，此外白噪声的干 扰+ 直困扰我们，白噪声是种均值为零，功率谱密度存在于所有频率范围内的 特殊信号，它随时问变化的起伏极快，对信号的任何频率成分均会造成干扰。我们 通过滤去信号中混有噪声的高频成分，仍然不能有效地除掉其中的白噪声。m o a 阻 性泄漏电流信号如此微弱，丝毫的变化都会引起剧烈的抖动，造成我们误判、漏判， 这样的滤波方式就使得在线监测失去了意义。 鉴于以上的种种原因，本文提出了一种基于小波变换的消噪滤波算法，结合 硬件抗干扰措施，在一定程度上较好地消除了噪声对监测的影响，同时又能够有 效地提取设备故障特征，提高了监测的精度和准确性。 小波分析是傅立叶分析发展史上的一个罩程碑，它源于傅立叶分析又优于傅 立叶分析。它作为一种新型的时、频域分析工具，通过给信号加上一个时一频窗 口，然后可根据频率自动调节窗口的大小，在时、频域内同时展示出良好的局部 化性质，易于捕捉和分析微弱信号和突变信号，在绝缘在线监测中抑制噪声和特 征提取方面有广阔的应用前景。 另外，m o a 在线监测中，系统电压谐波成份对阻性电流的监测存在一定的影响。 以往人们采用基于傅立叶变换的谐波分析法，取得了良好的效果但由于实践运 用中魁使_ h 快述傅立叶变换( 1 7 f t ) 算法米实现的，这种算法仃n ：，正的弊端。丛于 此，本文提出了种抗混叠傅立叶变换算法( f a ? t ) ，其精度离】i m 当，改善了嗡测 效果。 第二章氧化锌避雷器的绝缘在线监测 氧化锌避雷器r 简称m o a ) 是山z n o 阀片组成的一种广泛应用于电力部门的过 乜压保护装嚣，m o a 的绝缘在线监测是高压电力设备绝缘在线监测的重要组成部 分。随着它在电力系统广泛地应用，大大地提高了电力系统的安全性，降低了设 备的造价，产生了巨大的经济效益。但出于m o a 是无串联州隙的，长期承受工频 电压、冲击电压及内部受潮等因素的作用而趋于老化，使得其绝缘特性遭到破坏， 具体表现为：由氧化锌阀片组成的阀柱要长期通过工作电流，阀片逐渐劣化1 1 0 】， 其受潮后，泄漏电流增大又会加剧劣化，从而进一步导致泄漏电流增大，泄漏电 流中的阻性分量使阀片温度上升，产生有功损耗，引起热崩溃，”重时将导致m o a 损坏或爆炸。掘有关资料统计，目前氧化锌避雷器事故绝大多数是因为受潮引起 的，约占氧化锌避雷器总事故的9 5 以上，其中密封不良导致受潮的约占8 0 ，j 于装配前干燥不彻底而引起阀片吸潮约占2 0 。还有约5 的事故是由于阀片老 化等原因造成的。阀片老化是渐进的过程，阻性电流也是渐变的，但全电流反应不 很灵敏。当阀片老化到一定程度时全电流将会有一些变化。在这一过程中泄漏i 乜 流的容件分量i 。基本不变。当阀片内部问有接触不良等缺陷时，其电流的容性分量 可反应出来。因此，对氧化锌避雷器的阻性泄漏电流进行长期的在线监测足保证 其安全运行的重要手段】。 2 1监测原理 因m o a 无串联的火花放电间隙，在电力系统持续的运行电压作用下，氧化锌 阀柱长期通过的工作电流通常称为总泄漏电流。严格地说，m o a 的总泄漏电流包 括：瓷套泄漏电流、绝缘杆泄漏电流和阀片泄漏电流三部分。一般而言，阀片柱 泄漏电流不会发生突变，而由于污秽或内部受潮引起瓷套泄漏电流、绝缘杆泄漏 电流增大时，总泄漏电流可能会发生突变。在正常情况下，阀片柱泄漏电流比其 它两者大得多。因此，天气好时，测得的m o a e 2 , 泄漏电流一般视为流过m o a 阀 片柱的泄漏电流。 在交流、弱电流范围内，z n o 阀片的简化等效电路如图2 1 所示。( r 为等效 非线性电阻，c 为等效电容，i ，为总泄漏电流，i 。为容性泄漏电流i r 为阻性泄 漏电流：u 为母线电压。) l i x 【r 厂 i c 穷半 u 1一 图2 - 2i r li 。1i ；1 u l 的相位关系图 由等效电路可知，流过m o a 的总泄漏电流i 。可分为容性泄漏电流i 。和阻性 泄漏电流i r 两部分，其相位关系如图2 2 所示。( 其中u 1 为母线电压基波分量，i ，l 为总泄漏电流基波、i 。1 为容性泄漏电流基波、i r l 为阻性泄漏电流基波) 。由于容 性电流分量产生的无功损耗并不会使阀片发热，导致阀片发热的有功损耗是阻性 电流分量产生的。虽然总泄漏电流中以容性电流为主，阻性电流一般只为总泄漏 电流的1 0 2 0 左右，但容性电流的变化很小，相对阻性电流随时间的变化量而 言是可以忽略不计的。 因此可见，表征m o a 运行工况的特征量主要有阻性电流( 正峰值、负峰值及 峰一峰值) 、阻性电流基波( 有效值) 、功率损耗和总泄漏电流( 峰值) ，其中阻性 电流峰值的大小是表征m o a 绝缘特性优劣的重要指标【1 2 】。如图2 3 所示，当氧 化锌阀片工作正常时( 工作在l 、2 区) ，阀片等效电阻线性度较好，阻性电流接 近正弦波形，其中的谐波分量较小。在氧化锌避雷器发生老化时，等效电阻进入 非线性工作区( 工作在3 、4 区) ，当电压增大时，阻性电流增加很快，会出现尖 顶波，如图2 4 所示。 二e t i ( m a ) 0 t ( s ) 图2 4 氧化锌阀片老化时阻性电流波形 由于阻性电流并不能直接监测获得，故需要从总泄漏电流中分离出来。下面我 们就讨论一下主要的监测方法。 2 2 m o a 的主要监测方法 目前氧化锌避雷器主要的监测方法有：总泄漏电流法、阻性电流三次谐波法、 阻性电流基波法、补偿法和谐波分析法，其中以阻性电流三次谐波法、补偿法和 谐波分析法最为常见，其中谐波分析法是近年发展起来的一种新的较为有效的方 法。 下面将对这三种方法进行一些讨论。 1 1 阻性电流三次谐波法 基本思想是避开容性电流( 只含基波) 对测量的影响，通过测量m o a 总泄漏 电流中的谐波量( 主要为三次谐波的峰值) ，根据阻性电流三次谐波i r ，与阻性电 流i r 的函数关系间接地得到阻性电流峰值。该方法的缺点是： ( 1 ) 不同的z n o 阀片，三次谐波i r 3 与阻性电流i r 的函数关系不同，且对同一 z n o 阀片，其老化前后的i r = “i r 3 ) 函数关系也会产生变化，故难以保证准确的测量 结果。 ( 2 ) 当母线电压含有谐波成分时，陔测试方浊无法排除容盹! 次谐波f u 流对测 量结果的影响，因而测量误差较大。 此外，三次谐波法也无法反应m o a 表面污秽受潮的情况。凼此，三次谐波法 既不具有通用性，也不能比较客观地反应m o a 的实际运行一i ：况，它只能局限于同 一产品在同一实验条件下的纵向比较。其优点是只需取m o a 的总泄漏电流，比较 方便。 2 1 补偿法 基本思想是基于导致阀片发热而产生有功损耗的原因足阻性电流这i u 捉， 利用阻性电流与容性电流的丁f 交性质，当自动调节m o a 等效l 乜容达到平衡条件 ( 2 1 ) 式时， 钟，一c 尝1 警抓c ， 陋， 式中：i ，表示b o a 的总泄漏电流， c 表示m o a 的等效分布电容 f 。= c 警表示m o a 的容性电流分量， 则阻性电流 f 月= i ，一c 塑d t ( 2 - 2 ) 这时泄漏电流被分成阻性分量和容性分量，由于两者诈交从而完仝补偿掉 总泄漏电流中的容性分量，只保留阻性分量。如果是从p t 上取m o a 的母线电压则 称之为常规补偿法：如果是从串接在m o a 底部的取样阻抗上取电压信号则称之为 非常规补偿法。由于m o a 运行中处于小电流区域，现场变电配电设备布置紧凑， 三相间存在相问耦合电容，这会引起相问干扰造成测量误差。对于一字排列的a 、 b 、c 三相避雷器，在实际运行中，由于相间杂敞电容较大，各相的m o a 不仅受奉 相相电压的作用，还通过杂散电容受到相邻相相电压的影响，这使得m o a 底部电 流与单相运行时相比发生幅度和相位上的变化，于是容性电流t 。与电网电压u 之 间的相差将不为9 0 。，故利用式( 2 - 2 ) 得到的i 。值将与实际值产生偏差。 但是对于任何一个已投入运行的变电站而言，m o a 三相问的排列是固定不变 的，三相问的影响也是固定的。因此，测量的过程中采取相应的测试程序和数值 处理方法，是可以消除相问干扰带来的失真性”1 ，能够比较客观地反应m o a 三相 的运行工况。 补偿法最大的优点就是洲景原理简- 尊，测量结果受高次谐波的影响小，粘度 ”r 以满足工程要求，使川出方便。所以，这种方法是我国m o a 脓测应用最多的方 法之一。 3 ) 谐波分析法 鉴于以上方法的测量准确性都不高，而补偿法也存在着一些需要解决的问题， 人们近年来提出了一些新的方法，谐波分析法就是其中的优秀代表 1 4 l 。谐波分析 法是采用数字化测量和谐波分析技术，从总泄漏电流中分离出阻性电流值，整个 过程可以通过单片机在软件中得以实现。 众所周知，任何一个满足狄早赫利条件的非f 弦周期函数f ( t ) 均可以分解为 。个f | j ；i 】 。级数： 数 厂( f ) = + fa c o s n o u t + b s i n n t o t ) ( 2 3 ) 缁 式中， 甜= 2 ；r t ，1 为，( f ) 的周期 = 搦几k ， = 鹃几) c o s ( n e o t ) d t n 。= 2 z 仆t ) s m 叫协 利用三角函数的性质，可将式( 2 3 ) 变形为 厂( f ) 2 。+ a “s i n ( n a g + q ，n ) ( 2 _ 4 ) 式中， ：“丽 表示各次谐波的幅值 驴a r c t a n 表示各次谐波的相角 因此，m o a 的运行电压u 和电流i ( 均满足狄里赫利条件) 可分解为傅里叶级 u = u i | + y u h s i t i ( k m t + 吼) ( 2 - 5 ) 饲 荟k 跏( 。耐懈) 6 其中： u “ r 乜压u 的龃流分量 ，。：l 乜流in 0 “流分量 u 。：电门三的k 次谐波幅值，。：屯流i 的k 次谐波幅值 a 。： 电压的k 次谐波柏角 尻： 乜流i 的k 次谐波相角 u = 2 fu ( f n 为：频：5 0 t t z ) ，k = 1 、2 、一 设阻性电流为，。，可知，。与电压同相，所以，。表示如下： 7 一叫0 + 善7 “胁 叭 ( 2 - 7 ) 式中：，。为阻性电流，。的k 次谐波幅值 设容性电流为，则可山u 得： ，c d u d c = ，“c o s ( 女驯地) ( 2 - 8 ) 式中：，。= k u cu h 足，。的k 次谐波幅值，c 为等值电容值。 。，= ，。+ ，。，将( 2 - 7 ) 式与( 2 - 8 ) 式代入此式，得： 凡+ 荟。“新n ( 。叫+ 段) 。，+ 荟7 一“s “i ( k c o f + a t ) + 荟7 c x c o s ( k o x + a 。) 将上式两边同乘以s i n ( k e o t + “。) ，在同一周期内取积分，并化简，可得： ，月k = ，b 。c o s ( p k a k ) ( 2 - 9 ) 同理，可得 i c k = ，hs i n ( f l k a k ) ( 2 - 1 0 ) 因此，将测得的u 、，分解为傅里叶级数，并按( 2 - 7 ) 式、( 2 - 9 ) 式计算就可求得 阻性电流有效值，按( 2 - 8 ) 式、( 2 1 0 ) 式计算就可求得等值电容值。 此方法可以消除母线电压对测量的影响，监测的准确性较高，是目前使用中比 较的一种方法。 2 3 目前m o a 监测中存在的主要问题 尽管在精确测量氧化锌避雷器阻性电流d s l 方面有些进展，但要最终解决这个 问题仍然存在着一些困难，主要表现如下几个方面： 1 ) 最主要的误差来源是干扰源的影响： 在正常工作条件f ，氧化锌避雷器总泄漏电流只有几百微安几个毫安，而阻 性电流就更小，其峰一峰值的变化范围是几十微安几百微安，只占总泄漏电流的几 十分之一。而现场的干扰是十分强烈的。 2 ) 系统电压谐波成分的影响： 氧化锌避。藩器阻性f 乜流 有非线性特性，易受到系统u 儿l ：q 高次谐波成分的影 响，日阻性泄漏电流自身含有非常丰富的高次谐波。 3 1 相问干扰： 相间猫合电容因素是测量误差的重要来源之。，日随着i 乜廿三等级的升t 衔，测量 误差成倍增加。由于相问耦合电容是以分靠参数形式存在的t 受周田环境温度和 系统电压变化的影响，使得相f i = 1 ) 耦合电容测量比较困难，且其测量梢度对测量绐 果的影响比较大。 4 1 p t 信号的相移： 取自电压互感器p t 的二次侧电压信号存在棉移，它与系统的负荷有很大关系， 也是监测误差的来源之一。 本文主要是针对1 ) 、2 ) 两个问题，分别采取不同的解决方法术进行阐述，而 其它问题我们将在另外的篇幅中予以论述。 第三章m o a 在线监测系统结构 3 1 系统结构体系 本文所蹬计系统利用高精度传感器和最新的计算机信息技术，对高压电力设 备进行在线监测，能准确可靠地反映设备在高电压满负荷等实际情况下的绝缘状 况及其变化趋势。实现了设备不停电状况下检测、监控、数据分析和远程通信一 体化。该系统具有安装方便、操作简单、测量准确，运行安全可靠等特点，完全 能够满足状态检修的要求。 31 1 系统结构体系 本绝缘在线监测系统，采用基于f a f t 谐波法，主控制装置采用m p u 为核心构 成，在装置中以模块方式构成了信号前置放大、信号滤波、通道选择、锁相信频 跟踪，砷元、a d 转换器及信号处理控制器、通讯控制器等，主控制装置原理框图如 罔：卜l 所示。 | ! | 3 1 主控制装置原理框图 图中tx 为电流传感器测得的泄漏电流信号，u x 为从p t 二次侧抽耿的电压信 号。 前置通道： 为了实现强电部分和弱电部分的彻底隔离，并设法抑制共模干扰，每一一路信 号首先通过了一组光电隔离变换器，为保证弱信号( 如m o a 全电流信号) 长距离尽 量不失真地传输，并且适当地加入低噪放大环节，以提高信噪比。为实现信号通 道的无串扰切换，通道上加入一+ 组继i 乜器阵列，控制器控制通道的切换。另外， 通道上还采取了一些过乜爪保护措施，如在光隔输出端加装了放乜管。 测量过程： 每次测量时，先控制继电器，使p t 二次侧电压信号u x 同时加在四个通道上， 通过谐波分析法可计算出通道2 、通道3 、通道4 之l 训的固定相差、：、，。 然后控制继电器，使u x 信号加到通道l ，m o a 各相总泄漏电流信号i x 、ix ：、i x = 分别加到通道2 、通道3 、通道4 上，分别对ix 。、ix ! 、i x ：与l 、的进行频谱分析 求的各自的阻性电流、等值电容等参量。 3 1 2 系统技术性能 该系统具有以下的技术性能： 硬件系统上使用上、下位机结构，下位机采用现场总线结构，系统可扩充性好， 町满足1 0 k v 及以上各种规模变电站监测设备数量上的不同要求。 模块化设计，可在线更换插件，可灵活配置系统组成、增加监测项目，变更监 测功能。 多通道司步采集技术：可以保证同类设备的同l _ 刻采样，真j 下实现同类设备数 据的横向比较，有效消除系统的随机干扰，从而保证参数测量的准确性和稳定 性。满足用趋势比较法和相对比较法相结合分析设备状态的要求。 频率锁相快速自动跟踪技术，硬件倍频锁相能自动跟踪频率变化，保证电网频 率波动后仍能准确采样，防i i j 频谱泄漏。 为消除电磁干扰，在硬件设计上采用金属屏蔽，增加去耦电容，加强各级滤波、 消除高频干扰。印制板设计上，采取模拟电路尽可能地远离数字电路，尽可能 减少接地电阻。在软件设计上，采用基于小波变换的除噪滤波技术，剔除干扰 信号。 3 2 系统软件设计 系统集成软件采用c + + b u i l c l e v 5 0 写成运行于w i n d o w s2 0 0 0 环境下，界 面友好，操作简单。 3 2 1应用系统软件的主要模块构成 ( 1 ) 系统集成主界面：将容性设备在线监测、m o a 在线监测、变压器油在线 监测及断路器在线监控装置集成在统一的管理界面下，并提供权限登录、网络监 一18 控的程序入口，如图32 所示。 ( 2 ) 绝缘在线监测装置界面：实时显示m o a 的监测数据，并提供m o a 各项： 测信息的数据打印、越限报警、数据曲线或棒图形式表述，如罔3 - 3 所示。 ( 3 ) b s 结构远程设备监测界面：通过b s 结构，采川d c o v l 、a c t l v e x 技术 将远端变电站数据库服务器的实时和历史监测数据形象提供给授权的网络浏览用 户，并提供打印、分析等功能。 3 2 2 系统软件功能 ( 1 ) 对变电站各被监测设备特征物理量、动态信息参数进行集成，建立变咆 站设备状态的综合数据库。实现电力广域网范围内变电站设备状态信息的共享。 ( 2 ) 对设备状态的历史参数进行“纵比”，对同类设备参数进行“横比”利 用趋势分析方法，实现设备状态的初步诊断，为管理人员提供决策支持。 ( 3 ) 自动完成变电站设备状态信息统计表、数据曲线制图、数据打印和超限 报警。 ( 4 ) 为诊断软件提供丌放性平台，在趋势分析和辅助决策模型的基础上，积 累归纳专家经验和知识建立智能专家系统和故障诊断系统，最终实现对监测设 备的数据自动分析、综合评估和故障诊断。 图3 - 2 在线监测系统主界面 图3 - 3m o a 监测数据显示 第四章氧化锌避雷器监测信号的采集 一个典型的信号采集系统往往包含传感器、滤波电路及a d 采样电路等，它 的功能就是准确获取真实的被测信号，其中传感器、 d 转换器的精度大小将直接 影响着后续信号处理的精度和准确性。于是作为故障监测及诊断装置的“排头兵” 一一数据采集系统的性能直接影响着该装置的整体性能，同时也在一定程度上影 响着整个电力系统运行的“稳定性、安全性”。因此，为能对高压设备进行有效、 准确和迅速的故障监测及诊断，就必须有一套精度高、灵敏性好的数据采集系统。 m o a 电流信号采样的正确与否 对于监测其运行工况是极其重要 的。在采用谐波分析法进行阻性电 流测量时，我们应对两个信号进行 采集。一个来自被测相p t 的二次侧， 一个来自m o a 的下端，如图4 - 1 所 示。在m o a 的下端取样时，用一类 似c t ( 电流互感器) 的传感器获得电 流信号。 图4 1m o a 电流信号取样示意图 4 1传感器 4 1 1 传感器设计 传感器特性的优劣关系到测量信号的真实性，测量误差直接接影响到信息量 获取的精度和可靠性，所以要求传感器灵敏、可靠、线性度好，能够不失真地转换 被测信号。 理想的传感器应遵循如下两个原则： 测量范围内线性度好、性能稳定，其一次额定工作电流应确定在被测高压 设备绝缘对地泄漏电流值的附近 选用高导磁率的材料制作传感器的铁芯， ； 其相对测量误差为= 卫1 0 0 ( 4 - 1 ) 其中：f 。为铁芯激磁电流：f ，为流经被测设备进入传感器一次线圈的电流。 2 l 一 山式( 41 ) 可见，铁芯激磁l 乜流i 的存在是引起传感器测艟误差的- t 要原因，应使 其尽可能小为此，应选j j 高导磁率铁磁材料作铁芯，适、刍增大铁，出截丽，并彳，i ：设 计铁芯时，在保证所需环形窗几尺寸条件下使磁路k 度尽最小闪此，本系统。p 根 据零磁通原理，采用最新的超微品材料作磁芯使得传感器i 作区线性