（电机与电器专业论文）高压容性设备绝缘性能在线监测系统的设计.pdf

a b s t r a c t t h e r ei sm u c ho fc a p a c i t i v e - t y p ee q u i p m e n ti np o w e rs y s t e m ，l i k ec t p lt h e i r i n s u l a t i o np e r f o r m a n c ep l a y sg r e a tr o l lo ns a f e t yo ft h es y s t e m t h eo n 1 i n ei n s u l a t i o n m o n i t o r i n gt e c h n i q u eo fp o w e ra p p a r a t u si sv e r yi m p o r t a n tt of i n di n s u l a t i o nf a u l t si n t i m ea n di n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y w “ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g , c o m p u t e r s ，s e n s e r s ，a n dt h ef u r t h e rd e m a n do nt h es e r v i c er e l i a b i l i t yo f p o w e rs y s t e m s 。t h eo n - l i n ei n s u l a t i o nm o n i t o r i n gt e c h n i q u eh a sb e e np u tm o l ev a l u eo n t h e r e f o r e 。t h es t u d yo nt h eo n - l i n et a n 艿m o n i t o r i n gm e t h o d o l o g yi so fp r a c t i c a lv a l u e s c o n s i d e r i n gt h ed 锄c a l t i 黜d u r i n gd e v e l o p i n gt h i st e c h n i q u ei n t e r i o r l ya n do v e r s e a s t h e w a yo fh o w t op u td i 季t a lm e a s u r i n ga n df a u l td i a g n o s i n gm e t h o di n t ob e t t e ru s ei nt h e o n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ep r i n c i p a lp r o b l e mi sh o wt oe x t r a c ts i g n a lm e a s u r e d b e c a u s et h ec u r r e n ts i g n a l m e a s u r e di n c a p a c i t i v e - t y p ea p p a r a t u si sv e r yw e a kw h i c hc a nb eo n l yaf e w m i c r o a m p e r e s t h ec u r r e n ts i g n a le x t r a c t i o nm e t h o dc o m p o s e do fa na m p l i f i e ra n da c u r r e n tt r a n s d u c e rw i t hs i n g l ec o i la n dt o r o i d a lc o r ei sd e s i g n e d f u r t h e r m o r e 。n m u l t i - l a y e rs h i e l d i n gs t r u e t u r es h o w i n gg o o dp e r f o r m a n c ei s c o n t r i v e ds ot h a tt h e c u r r e n ts e n s o rs y s t e mc o u l de x t r a c tt h ec u r r e n ts i g n a lm e a s u r e df r o m s t r o n g e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eb a c k g r o u n ds u c c e s s f u 甄 i nt h e d i g i t a l s u b t e r r a n e a n e q u i p m e n ts y s t e m ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e m e a s u r e m e n ta e e u r a c ya n dp a r a m e t e r so ft h ew a v es a m p l i n gs y s t e mi n c l u d i n gt h eb i t s o f 加c o n v e r t e ra n dt h es a m p l i n gr a t e c a nb eo b t a i n e db ya n a l y z i n gt h eq u a n t i t a t i v e e r r o ro ft h ew a v es a m p l i n gs y s t e m m o r e o v e r , t h ep r i n c i p l eo fh o wt of i n dt h eo p t i m a l w o r k i n gp o i n to ft h ed i g i t a im e a s u r i n gs y s t e mi np r a c t i c a la p p l i c a t i o n si sp r e s e n t e d i t e s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o nf o rn e s tp r o c e d u r e b a s e do nt h ed i f f i c u l t yo fs u c c e s s f u lo h - l i n e t a n 艿m o n i t o r i n go fc a p a c i t i v e - t y p e e q u i p m e n ti s h o wt o s u p p r e s si n t e r f e r e n c e i n t h i st h e s i sf 盯a l g o r i t h ma n da c o m p r e h e n s i v ec o m p a r a t i v em e a s u r i n gm e t h o di sp r e s e n t e d f f ta l g o r i t h mc a nb e u s e d t op r o c e s st h eo n - l i n em o n i t o r i n gd a t af o ri tc a na b s t r a c tt h em e a s u r e dp o w e rf r e q u e n c y s i g n a l se f f e c t i v e l yf r o mt h ep o w e rs 3 7 s t e mh a r m o n i c s f u r t h e r m o r e 。t oa v o i dt h e s p e c t r u ml e a k a g ea n da s s u r et h ea c c u r a c yi n t a n jm e a s u r e m e n t , t h em i x e dr a d i xf f t a l g o r i t h mi sa d o p t e df o rt h ef i r s tt i m ei n t e r i o r l y b a s e do nt h er e s e a r c hw o r km e n t i o n e da b o v e ，a no n - l i n ei n s u l a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m f o r c a p a c i t i v e - t y p ee q u i p m e n th a sb e e nd e v e l o p e ds u c c e s s f u n ya n dp u ti n t ou s e k e yw o r d s ：c a p a c i t i v e - t y p ee q u i p m e n t d i e l e c t r i cl o s st a n g e n t ( t a n 8 ) ， o n - l i n em o n i t o r i n gs u b t e r r a n e a ne q u i p m e n t - s y s t e m d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g c u r r e n ts e n s o r 东南大学学位论文独创性声明 本人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取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 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了谢意。 、 研究生躲舡日期：雄夕 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：j 赴导师签名：乡l 日期矿乡，口夕 第一章绪论 1 1高压设备绝缘性能在线监测的意义 电气设备绝缘监测技术。是通过对电气绝缘的试验和各种特性的测量，了解及评估设备在运行 过程中的状态，从而能旱期发现故障的技术。而监测就是特征量的收集过程。 电气设备由绝缘材料和导电、导磁材料及结构材料构成。绝缘材料大多为有机材料，如矿物油、 绝缘纸、各种有机合成材料等。在运行中，由于受到电、热、机械、环境等各种因素的好坏。往往 成为决定整个电气设备寿命的关键所在。例如，据统计。在对1 1 0 k v 及以上的电力变压器的9 3 次事 故原因进行分析时发现，其中由于匝间绝缘、引线及对地绝缘、套管绝缘所引起的各种事故分别占 事故总数的4 3 、2 3 、1 5 ；而因铁芯、分接开关等造成的非绝缘事故仅占2 0 以下【“。 电力设备特别是大型高压设备发生突发性停电事故，会造成巨大的经济损失和不良的社会影响 要提高电力设备绝缘的可靠性，一种方法是提高设备的质量，选用优质材料及先进工艺，优化设计， 合理选择设计裕度，力求设备在工作寿命内，不发生事故。但这种方法将会导致制造成本的增加。 此外，设备在运行中。总会逐渐老化，而大型设备不可能像一次性工具那样，“用过即丢”因此另 一方面，必须对设备进行必要的检查和维修，这构成了电力运行部门的重要工作内容。 早期电力设备采取事后维修订方式，即使用设备直到它发生故障后进行维修，因此，对于大型 设备，发生突发性事故将造成巨大损失。其后，发展为对电力设备进行定期试验和维修，即预防性 维修。现在，定期预防性试验和维修已在电力部门形成制度，对减少和防止事故的发生起到了很好 的作用。但预防性试验是离线进行的，有很多不足之处1 2 - 7 ： ( 1 ) 需停电进行试验，而不少重要电力设备，轻易不能停止运行； ( 2 ) 传统试验都是在停电后进行的，其试验电压远低于运行电压。按现行绝缘预防性试验规程 规定。停电预防性试验所加的交流试验电压一般不超过l o k v ，而大部分变电设备的运行电 压为11 0 3 5 0 0 3k v ，因此不易发现缺陷，以至于曾多次发生预试合格的电气设备在 运行中烧坏和爆炸的事故。 ( 3 ) 由于是周期性定期检查，而不是连续地随时监测，绝缘仍可能在试验间隔期内发生故障。 ( 4 )由于是定期检查和维修，设备状态即使良好时，按计划也需进行试验和维修，造成人力物力 浪费，甚至可能因拆卸组装过多而造成对设备的损坏，即过度维修。 随着电子技术、计算机技术、光电技术、信号处理技术和各种传感技术的发展，可以对电力设 备进行在线的状态监测，及时取得各种即使是很微弱的信号。对这些信号进行处理和综合分析后， 根据其数值的大小和变化趋势，可对绝缘的可靠性随时作出判断和对绝缘的剩余寿命作出预测，从 而能及早发现潜伏的故障，必要时可提供预警或规定的操作。状态监测( 在线监测) 与故障诊断技 术的特点是可以对电力设备在运行状态下进行连续或随时监测与判断，因此可避免上述预防性试验 的缺点。 在线试验和离线试验并非对立，而是相辅相成的。如在线监测中发现事故隐患后，必要时可在 离线状态下进行更为彻底的全面检查，电气设备诊断过程流程示意图如图1 1 所示 图1 1电气设备诊断过程流程示意图 l 东南大学硕士学位论文 采用在线监测与故障诊断技术后，可以使预防性维修向预知性维修及状态维修过渡，从“到期 必修”过渡到“该修则修”。 1 2容性设备的绝缘特性及其特征参量t a n6 电力系统中，高压电容型电气设备是指绝缘结构可视为一组串联电容的设备，包括高压电容式 套管、电流互感器( c t ) 、电容式电压互感器( c v t ) 及耦合电容器( o y ) 等，数量约占变电站设 备总台数的4 0 5 0 。电容型设备在变电站中具有重要的地位，它们的绝缘状态是否良好直接关 系到整个变电站能否安全运行，因而对其绝缘状况进行监测具有重大的意义”】。 各种电介质( 绝缘材料) 在电压作用下都有能量损耗。介质损耗会使绝缘温度上升，促使材料 老化。如果介质温度高得能够使绝缘体熔化、烧焦，则会使之失去绝缘性能而导致击穿。电容型设 备在运行中发生爆炸事故主要就是由于绝缘受潮或放电等，聚积大量能量形成热击穿，从而使设备 内部压力不断增加、超过外磁套的强度造成的。由此可见，介质损耗的大小是衡量电容型设备绝缘 水平的一项重要指标。 绝缘材料的介质损耗按物理性质大致分为漏导损耗、极化损耗和局部放电损耗三种基本形式 3 1 。 介质损耗角正切( 又称介质损耗因素) t 跹万是反映绝缘介质损耗大小的特征参量，它仅取决于绝缘 材料的介电特征，与介质的尺寸无关。以往的经验证明，对于体积较小的电容型设备，测量其整体 绝缘介质损耗因素t a n 8 可较灵敏地发现设备中发展性局部缺陷及设备绝缘整体受潮和劣化变质等 缺陷，因而测量t a n 8 对于判断电容型设备的绝缘状况十分重要。 在交流电压作用下电容型设备的绝缘特性如 图1 2 所示。流过介质的电流可看成由电容电流分 量厶和有功电流分量，。两部分组成。通常 厶 l e ，万很小。介质中的有功损耗功率为例 p = u = 弭t a n 6 = u 2 们，t a n 8 ( 1 一1 ) 在设备绝缘良好的情况下其t a n 占的数值一 般均很小，此时。在数值上可以认为t a n 占* 8 。 当电容型设备存在缺陷是，其等值电路如图 1 3 ( a ) 所示i l “j 。图中c 、r 代表部分串联绝缘层 有缺陷，如以c n 代表其它绝缘良好的部分，t a n 艿 代表设备整体的介质损耗角正切值，而t a nj 。代 表有缺陷部分的介质损耗角正切值。为了便于分 析当缺陷性质变化时整个设备各绝缘参数的变化 规律，将无缺陷部分g 近似的看成损耗极小，以 致可以忽略；而用电阻r 来反映有缺陷部分的损 耗大小。 当没有缺陷时，r 1 ( o j c r l ，设备可近似 使 ( 帕等值电路( b 相量图 图1 2 电容型设备的绝缘等值电路和相量图 州帚1 - - 1h i c 望毫要委塑，亳c o 皇c 璺声梦等璺黧二奎苎曼 ( a ) 等值电路( ”相量图 兰的磐= f ，。i ；薏堂电鎏为l ；熙现要警氅堂 图l j 。有绝缘缺陷的电容盏设备 后，r 减小，即出现t a n 6 = 1 ( 吐c r ) ，设备的电 。 一一用 流变为，如图1 3 c o ) 所示。令七= c c 0 ，则设备整体介质损耗角正切值t a n 6 有一个增量a t a n 6 【”】 七 竿+ t a n 2 以 同时，整个设备的电容量也有一个变量a c 【l 习 2 ( 1 3 ) 一q 一 蚀 卜亘七 0 一 愕眦陋瓦 ! 蚕 第一章绪论 幽：t a n s p 1 厶l k ( 1 4 ) 设备没有缺陷时，其介质损耗一般很小，因此当发生局部缺陷后，设备整体介质损耗角正切值 得变化量( 增量) a t a n 8 便可以比较灵敏地反映设备绝缘状况的变化。 此外，设备的电流及其电容量也是反映电容型设备绝缘状况的重要特征参量，在监测设备介质 损耗变化的同时，还应同时注意监测其电流及电容量的变化。 1 3高压容性设备绝缘在线监测的现状 国外对绝缘在线监测技术的研究始于上世纪6 0 年代，但直到7 0 8 0 年代，随着传感、计算机、 光纤等高新技术的发展与引用，绝缘在线诊断技术才真正得到迅速发展。加拿大、日本、前苏联等 国陆续研制了油中溶解气体，变压器、发电机、气体绝缘封闭组合电器等在线监测系统。其中少数 已发展成为正式产品【“。 电容型设备绝缘在线监测方法是由离线测试方法演变而来的，如早期普遍采用的在线测量t a n 8 和电容的西林电桥法i l 便沿用了传统停电预试中测量t a n 8 的q s 1 型高压西林电桥的测量原理。但 由于必须另配更高耐压的高压标准电容器，并对原有电桥进行改造等原因，难以在现场推广。随着 研究的进一步深入，电容型设备绝缘在线监测技术已发展到了一个新的水平。目前，电容型设备t a n 8 的在线监测方法基本上采取图1 4 的原理，所不同的是在如何获取数字化测量信号及采用何种信号 处理方法对这些数字信号及数据进行处理和分析等方面形成了两个分支。一是主要靠“硬件”实现 的检测方法，以过零点的相位比较法( 也称脉冲计数法) 、电压比较器法等为代表i l + “，此外还有一 些其他方法，如改进的西林电桥1 2 4 瑚1 等；二是主要靠“软件”实现的检测方法，其典型代表是谐波 分析法闭 ( a )( b ) 图1 4t a n 8 在线监测的原理图 ( a ) 信号的获取( b ) 检测过程框图 t a n 艿 国外目前对电容型设备t a n 8 在线监测技术的研究主要集中在对硬件检测法的改善上。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监测车的装置 1 4 - 1 6 】，便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，据有关文献介绍，其测量分辨率达到了0 1 o r a d ，已得到实际应用；而南非的 研究人员则是研究采用比较的方法，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标准电压信号进行比较，从而对设备的t a n 艿实现在线监测口】。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t a n 万是相对于标准电容 器的“相对”值。但当采用介质损耗角近似为零的高压电气电容器充当标准电容时，则可认为测得 的是设备介质损耗角正切值得“绝对”值。他们研制度这套系统也已被用于测试套管和电流互感器 的t a n 占相对值。 近年来，国内研究和应用较多的方法是脉冲计数法，它是“硬件法”的典型代表。其基本原理 是比较反映被试品电流的电压信号波形和作为标准电压的信号“。波形之间的过零点相位；将从传感 器获得的两信号波形通过过零转换变成幅值相同的两个方波，再将玑信号和移相9 0 。后的甜。信号相 与。得到的方波宽度由单片机或计算机内时钟脉冲计数，所得结果便反映了介质损耗角万的大小， 继而可以得到t a n 占。 电容型设备的介质损耗角万很小( 通常不大于1 。) ，因此如何保证其测量精度就十分重要。如 果虬或“，信号波形过零的瞬间稍有干扰，将直接影响到过零转换后方波的起始位置，妨碍了对万及 3 东南大学硕士学位论文 t a n8 的准确测量i l 。而硬件线路对于外界引入的电磁干扰、谐波干扰等十分敏感，因此脉冲计数法 易受零点漂移和信号波形畸变的影响，往往造成较大的误差和分散性。尽管其中的脉冲计数电路经 历了由单板机到单片机、再到计算机的发展过程，使t a n 8 得测量精度逐步提高，但现场干扰对测量 精度的影响及测量稳定性问题始终是一个待解决的难题。国内不少单位也对此进行了研究，提出 了一些相应的改进方法，如采用测试前自校的方法”、采用无相移滤波器 3 0 - 3 2 】、采用双向过零比较 后取平均值的方法及设法增强二次侧信号f 3 3 】等，此外还出现了过零点电压比较法【1 8 】和自由矢量法【蚓 等。 用硬件法对电容型设备绝缘的 j 及t a n 8 进行在线监测时。易受外 界干扰的影响，从而降低了整个钡l 试 系统的稳定性和测量精度；而要使测 量的性能有所提高，又将增加硬件线 路设计的难度和复杂性。鉴于这些难 以避免得缺点。促使t a n 8 在线监测 方法的研究逐渐向软件化方向发展。 所示。 图1 5 谐波分析法测量原理图 软件法的研究主要集中在谐波分析法上，其基本原理如图1 5 谐波分析法的主要特点是基于傅立叶变换( f t ) 对被测电压及电流进行分析，由于三角函数的 正交性，傅立叶变换求解电压、电流信号基波时不受高次谐波和仪器电子线路所产生的零漂的影响。 同时该方法还充分应用数字化测量方法 3 5 - 3 6 】，克服了传统的模拟测量方法抗干扰能力差的缺点，提 高了测量精度的测量结果的稳定性。 在线监测技术发展到今天，已经在很多方面弥补了定期停电预试的不足，但同时也还存在一些 尚未解决的问题。对设备绝缘进行在线监测的最终目的是为了及时、准确地掌握运行中设备的绝缘 状况，因此仅仅通过在线监测获得设备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。但是目前的在线监测方法仍局限于将得到设备的绝缘参数与单一、静态标准进行比 较，没有使在线监测的优势得到充分发挥。因此。如何有效结合“在线”的特点对测试结果进行综 合性和动态分析甚至故障预测，将成为在线监测今后主要的研究方向之一。 1 4 影响t a n8 在线监测结果的主要因素 绝缘在线诊断技术有很大的难度。绝缘潜伏性故障前期征兆的信号通常极为微弱，而运行条件 下现场有存在强烈的电磁干扰。因此，抑制各种干扰，提高信噪比试在线监测中首先需要解决的难 题。此外，监测的各种特征量和绝缘通常也不是一一对立的，他们决有错综复杂的关系。如果说对 离线的预防性试验结果的分析，已经积累了大量经验，据此可以制定出相应的规程推广施行，那么 对于在线诊断，现在仍还处于研究、试运行、积累经验的阶段。发展绝缘在线诊断技术。既需要对 绝缘结构及其老化机理有深入的了解，也需要应用传感、微电子等高新技术。它是具有交叉学科性 质的- - i - j 新兴技术，有重大的学术意义，也有显著的经济价值l l i 。 影响设备绝缘t a n 8 测量结果的因素很多，也比较复杂，其中几个主要因素为： 1 传感器自身的角差 无论采用什么检测方法，最首要的问题是如何真实、可靠地获取被测设备的信号。如图1 4 ，电 容型设备在线监测中测量信号的获取包括两个方面。一是被测电流信号的获取：二是基准电压信号 的获取。电流传感器将电容型设备的被测电流信号转换成电压信号，而电流传感器一般来说都是有 角差，这将给整个系统t a n 8 值的测量的准确度带来一定影响，它是t a n 占在线监测的基本误差因素 之一嗍。 2 运行中电压互感器( p t ) 的角差 在对电容型设备进行在线监测时，无论采用“硬件法”还是“软件法”，都需要获得一个基准电 压，其获取有多种方式。如从高压标准电容器获取叫j 、从变电站中电磁式电压互感器( p t ) 的二次 侧获取等，甚至有些单位开始尝试从电容式电压互感器( c v t ) 的二次侧获取基准电压信号。由于 测试现场实际环境的限制，如高压标准电容器的体积通常较大，用于现场测试有一定的困难等，因 4 第一章绪论 此目前各类电容型设备在线监测系统大都从p t 的二次侧获取基准电压信号。 在用p t 提取标准电压信号的检测方法中，p t 低压侧和高压侧之间的相角差是影响t a n 8 在线 监测精度的另一个主要因素p 7 j 。由于p t 低压侧和高压侧之间本身存在一个相角差( 变电站中常用 的等级为0 5 级的p t ，其角差允许变化范围为- 2 0 ，约为5 8 o r a d ) ，而f r r 低压侧通常接有二次仪 表，相当于p t 的负载，它将在p t 的高压侧和低压侧之间再增加一个相角差。并且p t 的这些角差随 外施电压的幅值、谐波及二次负载的变化而变化，其波动范围可能会超过介质损耗角本身的大小”。 因此，从p t 低压侧获取得电压信号并不能完全真实地反映高压侧电压的相位。 3 现场各种干扰的影响 在线监测过程中，干扰信号有多种，来源和途径亦各不相同。如通过线路直接注入电力设各的 电晕信号，相邻设备、母线等电场干扰，其他电力设备内部的局部放电信号，硅整流信号，电力系 统内部的高频保护和载波通讯信号，以及系统外的广播通讯信号灯。各种干扰信号按波形特征又分 为：连续的周期干扰信号，主要是包括电力系统内的高频保护和载波通讯信号，系统外的广播通 讯信号及电网电压的高次谐波分量【3 s j ；脉冲型干扰信号，主要是通过线路直接注入电力设备的电 晕信号、其他电力设备内的局部放电信号、硅整流信号 3 9 1 。其中影响电容型设备t a n 8 在线监测的 干扰主要是周期性干扰信号，特别是电网运行电压中的高频谐波分量，其次是随机出现的一些脉冲 干扰信号。 4 环境因素的影响 不同温度、湿度等外界环境因素的变化将对t a n 8 在线监测的结果有很大影响。实测结果证明， 一台绝缘良好的设备，其t a n8 在线监测结果往往呈现周期性的变化趋势，因此很难简单的根据单次 测量的结果判定设备的绝缘状况是否良好。 由于各种不利因素的影响，使测试结果的稳定性成为当前t a n 8 在线监测中一个突出的问题，这 表现在测量结果有较大的分散性、数据重复性差等方面，这个问题在各种检测方法中都不同程度的 存在着。 1 5 本文的主要研究内容 近年来，传感器技术、计算机技术及数字信号处理等技术的迅猛发展使电气设备绝缘在线监测 与诊断技术有了更为广阔的应用和发展前景。就电容型设备绝缘在线监测技术而言，将朝着智能化、 数字化的方向发展。如何将数字化分析方法更好地应用于检测系统以改善t a n 8 检测结果的稳定性及 系统的抗干扰性能是本文的主要研究方向。此外，将整个测试系统的后级处理与变电站设备绝缘在 线监测专家系统结合起来也是电容型设备绝缘在线监测的一个发展方向。本文利用测试系统“在线” 的特点进一步拓展了专家系统的综合诊断方法。 1 针对测试现场电磁干扰强而被测电流信号弱的特点，研究这类电流传感器系统的设计方法及其 现场工作环境中的电磁兼容问题。 2 通过分析数字化就地模块系统的量化误差及其对t a n 8 测量结果的影响，研究如何在实际应用中 寻求数字化测量系统的最佳工作点。 3 根据工频信号的频率特征，研究数字化信号处理方法在在线监测中的应用及自适应滤波方案在 提高监测结果稳定性中的作用。 4 针对电容型设备在线监测的主要技术难点，即如何减小、消除外界噪声干扰及环境因素的影响， 从而提高测量结果的稳定性、降低测量结果的分散性，提出更优化的方法并研究它在高压电容型设 备t a n 8 在线监测中的应用。 5 综合基础研究成果，开发变电站电容型设备绝缘在线监测系统，并投入现场运行。 第二章在线监测系统的传感器系统和调理模块 在电容型设备t a n 8 在线监测过程中，进入测试系统的所有被测信号( 反映设备电流的电压信号 虬、基准电压信号虬) 都是由传感器获取的。只有首先从传感器获得真实的被测信号，才有利于进 一步对信号进行分析、处理，并由此判断设备的绝缘状况。因此，传感器是在线监测技术的一个关 键环节。 传感器是整个在线监测系统的输入端，担负着信号提取的任务。它处于强电磁场环境中，容易 受到电磁干扰；同时又长期工作在户外，易受温度、湿度等大气条件的影响。为了准确地在电力系 统强噪声干扰环境下获取被测信号，用于电容型设备t a n 万在线监测的传感器应能满足以下要求【蛐】： ( 1 ) 电流传感器应能满足测量弱电流信号( m a 级或几百爿级) 的要求，灵敏度高，使输出 量能够灵敏地反映输入量的微小变化，同时二次输出信号电压应尽可能高。 ( 2 ) 在测量范围内线性度好，输出波形不畸变，被测信号与输出信号电压之间的角差变化小。 ( 3 ) 工作稳定性好。当外界条件变化时，输出量应保持不变，或在允许范围内变化。 ( 4 )具有较强的抗干扰能力及良好的电磁兼容性能。 由于电容型设备的被测电流信号较弱，因此对电流传感器的性能在这方面要求比电压传感器更 高。在此，本文着重于对电流信号的提取及电流传感器进行研究，其原则对电压传感器也同样适用。 2 1 电流传感器的结构、工作原理及误差分析 2 1 1 概述 在早期的在线监测方法中曾采用在被试品接地端与大地间直接串入电阻的方法提取被测电流信 号【，j ，但这种电阻取样法易造成设备末屏或接地端开路，危及设备的安全运行及实验人员的人身安 全。因此逐渐被新的信号提取方式及新型电流传感器所取代。近年来，国内外围绕在线监测用电流 传感器开展了广泛的研究，取得了许多有益的经验与成就( 3 3 , 4 0 。 目前，电容型设备的在线监测中采用的电流传感器普遍具有一下共同特点： l 、 以电磁耦合为基本工作原理，即一次和二次绕组之间没有电气联系，只有磁的联系。这样首先 满足了电力系统中尽量不要断开( 或改变) 设备原有接地线的要求，确保高压设备的正常运行 不受二次回路( 即从电流传感器二次绕组得到测量信息的外部回路) 影响，同时还可使二次测 量电路及计算机等不易受一次回路( 即一次绕组与高压回路) 中危险过电压等造成的损坏1 4 l j 。 2 、采用环形铁芯，其优点是结构上没有气隙，磁性能耗，卷制也很方便。如果在铁芯上均匀绕制 线圈，则漏磁很小水j 。 除以上共同点外，它们还有一些各自不同的特点。 取 样 电 路 ( a ) 多匝串入式( a ) 单匝穿芯式 图2 1 电流传感器的两种结构 首先，在结构上主要分为多匝串入式和单匝穿芯式两种。如图2 1 所示。两种结构各有优、缺 点。被测电容型设备的电流信号通常比较微弱，通过增加串入式电流传感器一次绕组的匝数可以提 高传感器二次侧的输出信号电压，有利于提高信号传输的倍噪比；但这种传感器是将被测设备的末 屏或接地端断开后串入。由此会改变设备末屏接地线的接线方式，且增加了潜在的故障点，不利于 6 第二章在线监测系统的传感器系统和调理模块 设备的安全运行及操作人员的人身安全。单匝穿芯式电流传感器则是直接套装在被测设备的基地县 或末屏回路中，不改变被测设备原有接线方式，在测量上安全性更高，因此现场测试一般更倾向于 采用图( b ) 那样的电流传感器。但是，由于单匝穿芯式电流传感器是以被测设备的末屏接地线作为一 次线圈，即i v , = l ，因此其= 次侧输出电压信号幅值较小。而在线监测现场的干扰信号却很强，甚 至有可能淹没被测信号从而导致测量结果不准确。 其次，根据是否在现场对被测信号进行放大，电流传感器又可分为无源传感器和有源传感器两 种类型。无源电流传感器不需要外加任何辅助电路，具有结构简单、维护方便、传感器本身性能稳 定、价格低廉、使用寿命长等优点p ”。但是，对于电容型设备来说，被测电流信号本身较弱，因此 从单匝穿芯式电流传感器二次侧获得的输出电压信号也比较小，通常只有几十毫伏，在信号传输过 程中极易受到外界大量噪声信号的干扰而失真，从而直接影响到整个测量结果的准确性。为此，本 文从提高在线监测系统整体性能的角度考虑，认为采用有源电流传感器更为合适。此处“有源”是 指在电流传感器的输出端加入有源运算放大器，将传感器二次端的输出电压信号放大后再进行传输。 这样可以有效地增强传感前系统的二次输出电压信号，提高被测信号的信噪比，降低外界干扰信号 对测量结果的影响，使测试系统具有较高的稳定性。与无源电流传感器相比，有源电流传感器在结 构上复杂些，同时需要向放大电路提供电源，因此给设计增加了一定难度。此外。放大电路的性能 及稳定性等也将直接影响传感器系统的性能，因此对于放大电路的设计、元件的选取及传感器系统 的屏蔽等应有较高要求。 基于以上研究，本文提出采用有源电流传感器系统进行电流信号的提取，并研制由单匝穿芯式 电流互感器及放大电路组成的有源传感器系统。 2 1 2 电流传感器的基本原理及结构m 删 单匝穿芯式电流传感器的工作原理如图2 2 所示。其 中，五为被测设备的电流，厶为电流传感器二次线圈的感 应电流，z 为取样阻抗，从z 两端可获得反映被测电流变 化的电压信号。 单匝穿芯式电流传感器的结构如图2 3 所示，它由环形 铁芯和匝数分别为m 和 ，的一次、二次线圈组成。1 为 一匝( 即电容型设备的末屏或接地端的引下线) ， ，通常 有几百到几千匝。由于在电容型设备在线监测系统中，电 流传感器的负载阻抗一般较大，传感器基本上处于空载状 态，因此二次信号适合于电压传输方式【3 3 】，即通过取样阻 抗z 得到输出电压以。采用这种传输方式的优点是电压信 号受电缆长度、连线阻抗等因素的影响小，缺点是易受现 场电磁场的干扰，因此对整个传感器系统进行有效的电磁 屏蔽就变得尤为重要。单匝穿芯式电流传感器的简化等值 电路如图2 4 所示。 图中，厶，为激磁电感，r 为激磁回路的损耗电阻；厶 为传感器二次线圈的电感，马为二次线圈的电阻；厶为激 磁电流。 对传感器系统而言，经被测电容型设备的绝缘而进入 电流传感器一次线圈的电流正可视为恒流源。在环形铁 芯中产生磁通矾，由于电磁感应，二次线圈中将感应有电 流厶，并在铁芯中产生与氟方向相反的去磁磁通以。于是 铁心中的磁通应为两者之差，即激磁磁通氟= 破一办。二 次电流厶通过取样阻抗产生的二次输出电压为 u 2 = 厶z 由图2 4 的等值电路可知 7 = 图2 4 电流传感器等值电路 ( 2 1 ) 东南大学硕士学位论文 i o = i 。+ 毪 或厶= r + u 扣i 厶* _ ，u 厶i ( 。民“鸭) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 而由磁路计算可知1 4 5 厶2 硒舻2 去l i l 詈 ( 2 _ 4 ) 式中：硒为真空磁导率，为铁芯材料的磁导率，h 为铁芯的高度，、，i 分别为环形铁芯的外径 和内径。 另外，如果忽略线圈的电阻和漏抗，电流传感器二次输出的电压信号= 厶z 应当与戎在二次 绕组中产生的感应电势e 在大小上相等，即 u 2 = 岛= 4 4 4 m 唬( 2 - - 5 ) 磊也可以认为由的激磁分量厶产生，根据磁路定律可求得： 磊玉r o = 舢n l l o ) = 志( 2 - - 6 ) 式中、s 及，分别为环形铁芯的磁导率、横截面面积和平均有效磁路长度。 或 厶=纯1(us)(2-7) 其中，矗= 1 厶= 厶为穿芯式传感器的激磁电流在铁芯中产生的磁势，r o = 1 s ) 为环形铁芯的 磁阻。 2 1 3 电流传感器的误差分析 由图2 4 的等值电路可以看出，电流传感器的一次输入电流五反向1 8 0 。后和二次输出电流厶的 相位并不相同，即与电流传感器二次输出电压信号矾的相位不同。而在电容型设备绝缘在线监测中， 电流传感器需借助二次电压信号己- 的相位来反映一次被测电流的相位。因此，电流传感器存在相角 误差。图2 5 所示为电流传感器的相量图。图中矗为电流传感器二次电流五折算到一次侧后的相量， 对于单匝式满足关系式i = n 2 l7 2 = 2 ，2 。 瓦分别为铁芯中产生矗及忘的磁通和磁通密度， l 王，即铁芯的损耗角。由相量图上也可以清 楚地看出，正是因为存在激磁电流厶，因而 五一宅 从图2 5 中还可看出，电流传感器的测量 误差因素有两个，即比值差f ( 简称为比差)上 和相角差万( 简称为角差) ，合称为电流传感 器的复数误差营，可用百分数表示为 ， 善= + ，( 艿) = 一丁- t o 1 0 0 ( 2 - 8 ) 息为二次感应电势，相位超前皇一个角口；九、 超前岛9 0 ；而激磁电流厶超前或一个角度 一 y 吃序 。|岛 厶善甲 i 孓n 盐 一i ：f砭最 图2 5 电流传感器相量图 电流传感器的比差f 是指从传感器二次侧电压信号折算到一次电流后与一次电流之间的算术差， 再求其与一次电流的比值，通常用百分比表示 ，= 半枷蝴一鲁s 衄咖- 。( 2 - - 9 ) 如果折算后的二次电流大于一次电流，则比差为正值；反之，比差为负值相角误差占一般定 位为：传感器的一次电流和反向后的二次电流向量间的夹角，用“分”来表示 8 第二章在线监测系统的传感器系统和调理模块 艿= s i n 拈 o0 o s 呷椰l 。蝴 ( 2 一l 。) = 虬。o s c e + 口) x 3 4 3 8 ( ) 当反向后的二次电流向量超前于一次电流向量时，艿为正值，反之为负值。对于没有经过补偿 的电流传感器，其比差均为负值，而角差均为正值m 1 2 1 4 信号放大电路 作为有源电流传感器系统，除了电流传感器本身外，传感器二次端还接有放大器，它对电流传 感器二次输出电压起放大作用。根据被测设备电流值范围的不同，放大器可采用单级放大或多极放 大等不同结构。图2 6 所以为本文设计的单级放大器的一种典型电路，其中如为反馈电阻。该电路 具有输入电阻足极高的优点( 一般达到足 1 0 m q ，理想运算放大器要求冠= o o ) ；缺点是共模输 入电压大，故选用共模输入电压范围【o 和c m r r ( 共模抑制比) 都大的运算放大器作为放大元件， 如o p - 0 7 n j 。多极放大电路的原理与此类似。 作为电流传感器系统的一部分，有源放大电路的性能会直接影响整个传感器系统的测试性能， 因此放大电路也是传感器系统中的一个关键 环节。根据对运算放大电路的基本分析1 4 9 1 ，图 2 6 所示放大电路的闭环增益为 r ，p k 。= 业= 1 + 二卫 ( 2 1 1 ) u是 由此可知，该放大电路的闭环增益足。只 与外部电阻足和如有关，而与放大器本身参 数无关。所以，为了保证放大电路具有较高的 精度及整个电路的工作性能。届和飓应选取 精度高、温度系数小的电阻。 2 2电流传感器的材料选取及误差补偿 2 2 1 电流传感器材料的选取l s l 图2 6 有源放大器原理图 为了保证电流传感器有良好的工作性能，应尽可能降低其激磁电流以减小传感器的误差。由式 ( 2 3 ) 、( 2 - - 4 ) 及( 2 7 ) 可知，当传感器铁芯尺寸、二次线圈匝数一定的情况下，其导磁率z 越 高，则铁芯的激磁电感厶越大而激磁电流厶越小，因此有必要选用高导磁率的铁磁材料制作铁芯。 目前常用的环形铁芯材料有硅钢片、坡奠合金、铁氧体等软磁材料。其中，坡莫合金在弱磁场和中 等强度磁场下具有极高的导磁率和很低的矫顽力，并有较好的防锈性能。其中的d 8 5 类坡莫合金更 有一下特点 5 0 - 5 1 1 ：( 1 ) 在软磁合金中具有最高的初始磁导率“，极低的矫顽力和相当高的最大磁导率。 i j 8 5 合金的成分中主要含镍8 0 、钼5 和少量硅、锰元素，在磁场强度h = o g 0 1 q 条件下可测 得起促使磁导率胁。，* 6 7 x 1 0 4 。( 2 ) 具有较好的温度特性，这反映在其居里温度较高( 4 0 0 ) 因为一般来说，由于磁性材料在不同温度下导磁率相应的温度系数不同，其磁化特征也不一样。 通常是材料的距离温度越高，的温度系数越小，从而磁性材料的温度特性越好。( 3 ) 磁带回线形状 狭窄，磁滞回线面积小，因而磁滞损耗小。( 4 ) 对微弱信号反应灵敏。( 5 ) 具有较好的抗过载能力( 即 经受饱和磁化电流冲击的能力) 。所以说类坡莫合金是制作电流传感器铁芯较理想的材料 坡莫合金也存在一些缺点：( 1 ) 饱和磁通密度较低( 6 0 0 0 7 0 0 0 ( 蠢) ，对外加机械应力十分敏感。 当铁芯经受坠落等外力冲击后，a 将下降，磁性能变差，因此本文在设计电流传感器时采取了加装 外护环等措施：且为使电流传感器二次输出电压波形不发生畸变，应使其工作在磁化曲线的线性区 间。( 2 ) 电阻率较低( u 8 5 类坡莫合金的电阻率p 只有5 6 1 0 - - 4n m ) ，只适合用于1 m h z 以下频率 9 东南大学硕士学位论文 范围内，如工作频率太高会造成很大的能量损耗。对于电容型设备t a l l 占在线监测而言，由于被测的 电流信号频率范围很窄( 以工频为主) ，所以用l 1 8 5 类