电容型高压电气设备绝缘在线监测的关键技术.pdf

4 电气开关 ( 2 0 1 2 N o 5 ) 文章编号 ： 1 0 0 4 2 8 9 X( 2 O L Z ) O 5 0 0 0 4 0 4 电容型高压电气设备绝缘在线监测的关键技术 李波 ， 文婷 ， 卢剑 ， 周利军。 ( 1 广东电网电力调度控制中心， 广州 5 1 0 6 0 0 ； 2 广东电网公 司管理科学研究院， 广州 5 1 0 6 0 0 ； 3 西南交通大学电气工程学院， 成都6 1 0 0 3 1 ) 、 摘要： 为保障高压 电力设备安全运行 。 设计 了容性 高压电气设备 ( 高压套 管、 电容式电压互感器、 电流互感 器、 避雷器) 的在线监测 系统 ， 详细阐述 了其监测电路 的设计， 包括 ： 零磁通电流传感器、 采集控制单元。设计的双级 零磁通电流传感器有效提高了 监测精度， 采用2 2 0 V电源信号作为同步的技术大幅度增加 了固定时间内允许测 量的次数， 提高了测试效率， 该在线监测系统已经在投入使用， 运行结果表明具有很好的效果。 关键词： 高压电气设备； 在线监测； 零磁通电流传感器 中图分类号： T M 5 1 文献标识码 ： B Ke y Te c h no l o g y o f I ns ul a t o r o n- l in e M o n it o r ing o f Ca pa c it iv e Hig h Vo l t a g e Po we r Eq uip me nt B e ， W E N T i n g ， L U J i a n ， Z HO U L i-j u n ( 1 G u a n g d o n g E l e c t ri c P o w e r D is p a t c h i n g c o n t r o l C e n t r e o f G rid ， G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 0 ， C h i n a； 2 G u a n g d o n g Ma n a g e me n t S c ie n c e Ac a d e my o f Gri d C o mp a n y， Gu a n g z h o u 5 1 0 0 0 0，C h in a ； 3 S o u t h we s t El e c t r ic a l E n g i n e e rin g I n s t i t u t e o f J i a o t o n g U n i v e r s it y ，C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t： I n o r d e r t o e n s u r e h ig h V o l t a g e e l e c t ric e q u i p me n t in s a f e o p e r a t io n， a n o n l i n e mo n i t o rin g s y s t e m o f c a p a c i t i v e hi g h v o l t a g e e l e c t r ic e q ui pme n t c o n t a in in g h ig h v o l t a g e s l e e v e， c a p a c it a n c e v o l t a g e t r a n s f o r me r ， c u r r e n t t r a n s f o r me r a n d l ig h t ni ng a r e s t e r h a s b e e n d e s i g n e d I t e x p l a in s t h e d e s i g h o f it s mo n it o ri n g c ir c u it ， i nc l u d in g z e r o flu x c urre n t s e n s o r a n d d a t a a c q u is it i o n u n it T h e d e s ig n e d d o u b l e l e v e l z e r o fl u x c u r r e n t s e n s o r h a s imp r o v e d mo n it o ri n g a c c u r a c y e f f e c t iv e l y p o we r s o u r c e s ig n al o f 2 2 0k V a s s y n c h r o n o u s t e c h n o l o g y， in c r e a s i n g a l l o wa b l e me a s u r e me n t t ime s wit h in fi x e d t ime b y a w id e ma r g in， r a is in g t h e t e s t e f fi c ie n c y T h e o n l ime mo n it o ri n g s y s t e m h a s b e e n p u t in t o s e r v ic e T h e r e s u l t s h o w s t h a t it h a s fi n e e f f e c t Ke y wo r ds： h ig h v o l t a g e e l e c t r ic r c e q u ip me n t ，o n l in e mo n it o ri n g s y s t e m，z e r o fl u x c u r r e n t s e n s o r 1 引言 智能电网以其、 自愈、 兼容、 经济、 集成等特点， 被 世界各国所重视。我国资源分布不均、 煤电比重抬高、 电能效益不足等问题， 已使我国成为世界上智能电网 的最大需求国之一 高压电气设备在电网中分布密度大、 数量多， 在电 网中具有重要的地位， 其运行状况是否良好， 直接关系 到电力系统是否安全可靠。设备绝缘在线监测可实现 高压电气设备绝缘在线、 动态、 实时的监测， 将成为现 代电力系统设备绝缘监测 的重要手段 J 。 本文主要针对电网中供电系统常用的电力变压器 高压套管、 电容式电压互感器、 电流互感器和氧化锌避 雷器 ， 设计 了在线监测 系统。主要设计 了双级零磁通 电流传感器， 有效提高了监测精度； 采用 2 2 0 V电源信 号作为同步的技术大幅度增加了固定时间内允许测量 的次数， 提高了监测效率。 2 系统总体方案 变电站 I E C 6 1 8 5 0综合 自动化采用分层分布式系 电气开关 ( 2 0 1 2 N o 5 ) 5 统， 由站控层、 网络层、 现场监控保护设备层( 间隔层) 三大部分组成。其中间隔层包括： 高压套管在线监测 模块、 电压互感器在线监测模块、 电流互感器在线监测 模块、 氧化锌避雷器在线监测模块、 变压器铁芯在线监 测模块、 变 电站温湿度监测模块 。各现场监控保护设 备直接以以太网星形组网， 可靠性高， 便于扩展。现场 的监测模块将采集的过程数据通过各 自的私有通信协 议传输到网关软件模块系统中， 服务器将信息转换成 符合 I E C 6 1 8 5 0标准的信息格式和通信服务， 从而实 现非 I E C 6 1 8 5 0标 准设 备 与 后 台 主 站 之 间 的 I E C 6 1 8 5 0 标准通信功能。此外， I E C 6 1 8 5 0通讯软件模块 可汇集 I E C 6 1 8 5 0通信网所有信息， 与远方调控中心 进行通讯连接 。其结构如图 1 所示。 至远方调控中心 f 图1 系统结构图 3 监测电路设计 所需监测量包括介质损耗角角正切 ( t a n 6 ) 、 避雷 器的阻性电流( ， ) 、 电容量 ( C) ， 所设计的监测 电路如 图 2所示 。 为得到电容性设备的介质损 耗角角正切 ( t a n 8 ) 、 电容量( C ) 和氧化锌避 雷器 的阻性 电流 ( ) ， 必须无 相移地精确监测绝缘泄露 电流以及所施加的高电 压L4 J ， 具体计算如式( 1 ) 所示。 I ra 8 - ta n ( f詈 棚 ， 1) c = ， ( 2 1T )=(厂 ) t 6=J C O S ( 0 u一 0 ， ) 式中， 、 ， 分别为电压和电流的有效信号 为电流频 率， 0 为电压与参考信号的相位差， 0 ， 为电流与参考 信号的相位差。 普通电流传感器无法精确得到所需电压和电流信 号， 尤其是相位差， 笔者将采用零磁通电流传感器技 术， 并设计了相应的采集控制电路。 高压母线 A 图 2 在线监测 系统 电路 图 3 1 零磁通电流传感器 普通单匝电流传感器二次匝数一般在两千匝以上 时精度才能达到测量用要求， 但高压电气设备的绝缘 泄漏电流只有几微安到几百毫安， 匝数太大将使得输 出信号很小， 导致较大误差。且由于铁心中磁通的存 在， 致使所测信号具有较大相位差， 不能满足在线监测 要求， 为此本系统设计了双级零磁通电流传感器 5 。 甲 甲 铁心 【 几 J铁 心 图 3 双级零 磁通 电流传感器原理 图 采用的双级零磁通 电流互感器原理如 图 3所示 。 I 为主铁心 ， I I 为辅助铁心 ， 主铁心和辅助铁心均采用 钹镆合金， 具相同的体积和磁特性， 】 和 2 为一次和 二次绕组 ， 分 别绕在两 个铁心 、 ，和 上 ， 、 r 检测 绕 组 ， P为补偿绕组 ， z ： 为二次负荷阻抗 。 , F J J n S b 偿模 块和磁通检测模块均 由单片机系统实现 。当检测模块 测到磁通时 ， 补偿线 圈产生补偿 电流， 铁心 I I 磁势 重 新平衡 ， 所需能量由铁心 I 和 励磁电流联合提供， 使铁 心中磁工作点发生变化。从而实现零磁通身度负反馈。 为了得到动态线性的补偿电动势， 实现零磁通电 流传感器 ， 利用外部电路从主铁心或二次线圈上提取 误差信号， 然后通过放大、 移相、 电流电压转换等处理， 得到随误差动态变化的反电动势加在互感器上， 使主 铁心达到零磁通状态。根据磁感应定律及磁路定律， 6 电气开关 ( 2 0 1 2 N o 5 ) 如图4所示的磁通分布可知， 补偿线圈的主要作用是： 使副边线圈产生与励磁磁通( 、 。 ) 大小相等， 方向 相反的补偿磁通( 、 ) ， 从而使传感器工作在零磁 通状态。 图4 零磁通传感器结构图 对零磁通电流传感器测试( 负载为O Q) ， 结果如 表 1 所示， 可见其角差变化小于0 4分， 能满足在线监 测要求 。 表 1 零磁通电流传感器检测结果 3 2 采集控制电路 系统的特点之一是用 2 2 0 V供电信号作为同步信 号 ， 电流监测单元负责获取绝缘泄露电流及其与同步 信号的相位差， 电压监测单元负责获取电压及其与同 步信号的相位差， 这样通过总线上传的数据只有相位 差和幅值， 提高了固定时间内测量的次数， 为剔出无效 数据、 提高监测精度提供了保障。 数据采集和控制系统采用数字信号处理和超大规 模集成电路技术。结构框架图如图 5所示 。该系统 以 D S P ( T M S 3 2 0 F 2 0 6 ) 和 C P L D( X C 9 5 1 0 8 P Q l O 0 ) 为核心， 辅以外围电路模块， 快速、 有效、 可靠的采集和处理数 据， 并实时控制系统， 保证了整个系统的高质量运行。 系统采用 D S P和 M C S - 5 1单片机双 C P U结构， D S P 主要用于数值计算， 而 M C S - 5 1 则主要用于通信 接口等辅助功能。选用的 D S P芯片T M S 3 2 0 F 2 0 6 拥有 强大数据处理能力， 符合本系统的计算量大的要求。 T M S 3 2 0 F 2 0 6 具有片内F L A S H存储器的器件， 也是是 T M S 3 2 0 C 2 x x 系列中具有较多资源的器件之一， 片上 有高速 S R A M、 高速 F l a s h 、 l 6位定时器、 异步串口、 同 步串口和三个外部中断， 是电力系统产品开发时使用 最为普遍的数字信号处理器之一。 看 门 狗 时钟 I l RS 4 8 5l l R S 2 3 2l l U S B 图 5 采集控制电路 采用 X l in k s 公司的 X C 9 5 1 0 8 P Q 1 0 0作为外 围接 口 电路的主芯片 ， 该芯片通过锁相环 电路为 D S P和 A D 转换芯片提供了标准时钟和译码电路， 为外围控制电 路提供了可靠的I O接口； 为单片机和 D S P的通信提 供通道( 主要通过中断信号来实现) 。 系统采用2 2 0 V电源信号作为电压采集和电流采 集的同步信号。即采集模块同步采集2 2 0 V通过互感 器后的信号与微电流信号， 计算得到的相位差作为计 算根据。数据采集 电路是数据采集 和控制 电路 的核 心 ， 选用高性能的模数转换器件能够提高数据采集的 精度 ， 增强系统的抗干扰性能。A D 7 7 1 0是美国 A n a l o g 公司 模数转换器家族的一员， 由于采用了 技 术 、 差分技术和数字滤波技术 ， 有很 强的抗干扰能力， 其分辨率可达到2 4 b i t 。 通信模块采用 R S 4 8 5 、 R S 2 3 2和 U S B方式， R S 4 8 5 用于正常工作时的通信， R S 2 3 2主要用于现在调试， 而 U S B接 口用于微机实时采集所采集 得到的数据 ， 便于 对现场干扰信号的分析和相位差算法的改进等。U S B 设 备 控 制 芯 片 采 用 了 美 国 C y p r e s s 公 司 的 C Y 7 C 6 8 0 1 3 -1 2 8作为 U S B接 口主控芯 片， 它封装 了 U S B规范的大部 分功 能， 用户 不必从 底层 了解 复杂 U S B总线规范， 简化并规范了设备的开发工作。对采 用 R S 4 8 5串口通信接口， 由于现场干扰信号较强， 再 加上雷电、 静电放电和交流电故障等引起的通信线路 过电压瞬变， R S 4 8 5 通信接口必须具有很好的抗干扰 能力和抗过电压瞬变的能力， 因此， 其 R S 4 8 5驱动电 路 采 用 的 是 具 有 瞬 变 电 压 抑 制 的 收 发 器 S N 7 5 L B C 1 8 4 。S N 7 5 L B C 1 8 4片 内 A、 B引脚有 高能量 瞬变干扰保护装置， 从而显著地提高了器件的抗过电 压瞬变能力， 是一种可靠、 低价和简单的设计方案。 监测所得的电压和电流数据分别如图 6 ( a ) 和 ( b ) 所示。采用加窗 F F T和相关系统算法， 根据图 6 ( a ) 计算得到式中的 ， ， 根据图6 ( b ) 可得 单片机 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 双口R A M 一 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 = 二 二 = P 二 二 = 二 二 = 二 二 = 二 】 二 二 = 二 二 = 模数转换 U同 二 二 = 信号调理 一 H 【 嚣 电气开关 ( 2 0 1 2 N o 5 ) 7 l 0 5 墨。 一5 1 0 时间( m s ) a ) 傲电流监涮单 元单次检测 的数据 时闻( ms ) ( b ) 电压监 测单元单次 检测的数据 图6 单次检测的数据 图7 用于变压器套管监测单元布置图 4 现场 运行 系统已经在我国近百个变电站投运 ， 具有较好 的 效果。 t 由于传感器均采用穿心式传感器， 对高压电气 设备的运行不会产生任何的影响。图7 为系统在某线 牵引变电所变压器套管在线监测系统地电流监测单 元。从表 2可见 ， 监测数据有效。 表 2 主变压器高压套管介质损耗 t a n 8 5 结束语 特高压、 超高压 的投运和智能电网的快速发展设 对高压电气设备的绝缘可靠性提出了更高要求。实施 绝缘状态检测是提高设备可靠性， 保障运营安全的有 效方法之一 。本文所设计 的在线监测系统主要用于监 测电力系统中常用的变压器高压套管、 电容式电压互 感器、 电流互感器 ， 以及氧化锌避雷器 ， 系统采用了双 级零磁通电流传感器和 2 2 0 V电源信号作为同步的技 术， 有效提高了监测精度； 大幅度增加了固定时间内允 许测量的次数。该在线监测系统已经在我国多条高速 客运专线投入使用， 运行结果表明具有很好的效果。 参考文献 1 陈树勇， 宋书芳， 李兰欣， 等 智能电网技术综述 J 电网技术， 2 0 0 9 ， 3 3 ( 8 ) ： 1 7 2 L J Z h o u ，G N Wu， H L Wa n g ， e t a 1 O n - l i n e Mo n i t o rin g T ech n iq u e f o r Mu l t i c o mp o n e n t G a s e s Dis s o l v e d in Oil o f T r a c t io n T r an s f o r me r ， T r ans a c t i o n s o n E l e c t r i c a l and E l e c t r o n i c Ma t e r i a l s ， 2 0 0 6， 7 ( 7 ) ： 3 6 1 3 6 4 3 周利军， 吴广宁， 盛进路， 等 基于 D G A的牵引变压器在线监测系 统铁道学报 J ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 5 ) ： 2 6 2 9 4 吴广宁 电气设备状态监测的理论与实践 M 北京： 清华大学出 版 社 2 0 05 5 J L j u ，G N Wu ，L J Z h o u ，D e v e l o p m e n t o n t h e z e r o - fl e x ty p e c u r r e n t s e n s o r ， P r o c e e d in g s o f 2 0 0 8 I n t e r n a t io n al C o n f e r e n c e o n C o n d it io n Mo n it o ri n g a n d D i a g n o s i s ， B e i j