CT型避雷器智能在线监测器装置的研究-修订稿

CT 型避雷器智能在线监测装置的研究型避雷器智能在线监测装置的研究 毛慧明 弥 潇 西安西润电器技术有限责任公司 摘要 目前国内许多避雷器智能监测系统都要求采用非接触监测方式 CT 型 这种监测方式可实 现监测装置与避雷器非电气连接 杜绝了地电位升高对监测装置的影响 当避雷器通过高幅值冲击电流 时 在 CT 二次侧会产生过电压 对监测系统造成损坏 本文论述了能耐受高幅值冲击电流的 CT 结构和 放大器保护系统 以及避雷器阻性电流的测量方法 关键词 智能变电站 金属氧化物避雷器 避雷器智能监测 电流互感器 CT RS485 通信 阻 性电流 Research on Type CT on line Intelligent Monitoring Device of Surge Arrester Mi Xiao Electric Metal oxide surge arrester Intelligent monitor of surge arrester Current transformers CT RS485 communication Resistive current 0 引言 智能变电站在我国已进入发展推广阶段 目前已有不少的智能变电站投入了运行 金属氧化物避雷 器 以下简称避雷器 的智能监测是智能变电站的重要组成部分 避雷器由于不带任何间隙 在持续运 行电压下有泄露电流通过 泄露电流会使避雷器不断老化 另外由于受潮 电位分布不均匀 表面污秽 电流 过电压使避雷器过热等原因都会引起避雷器劣化 1 3 为了监测避雷器的运行状态 避雷器都安 装有在线监测器 一般智能在线监测器安装在变电站内避雷器下方 接地端直接和地网连接 高压端直 接接避雷器接地端 智能监测器通信线一般经过光电隔离将信号传送到 IED 智能监测单元 或计算机 中 2 3 为了防止避雷器在受到雷击时 地电位的升高对通讯系统造成影响 目前许多项目都要求采用电流 互感器 CT 取样方式取样 防止地电位升高对监测系统的影响 1 避雷器监测用电流互感器 电流互感器是非接触测量的主要元件 由于避雷器在持续运行电压下的泄漏电流一般为几百微安到 数毫安 1 而正常情况下 阻性电流一般为全电流的五分之一左右 其值一般为几十微安到几百微安 所以电流互感器的测量范围应该为 10 A 10mA 6 9 对于 1000kV 的避雷器测量范围应该到 30mA 系统对 CT 的灵敏度要求非常高 同时由于变电站电磁干扰很大 CT 必须有极强的抗干扰能力 电流互感器的结构 电流互感器的铁磁测量选用坡莫合金材料 它应有极高的导磁率 在小电流信 号下的线性度也应该很好 3 电流互感器的结构 见图 1 图 1 高灵敏电流互感器 CT 结构截面图 Fig 1 High sensory CT structure 结构特点 二次绕组密绕在坡莫合金塑料保护外壳上 绕组外是第一层电屏蔽层 屏蔽层内用环氧 灌封 固定绕组 增加绝缘强度 电屏蔽层外 是第二层电磁屏蔽层 采用双层屏蔽能有效防止外界电 磁干扰对 CT 测量系统的影响 两个屏蔽层之间用密封绝缘材料填充 增加 CT 结构的强度 2 精密前置放大器与保护电路 精密前置放大器采用美国 AD 公司高精度仪器用运算放大器 超低漂移 超低温度系数 尽管采用高 精度放大器 由于放大器的放大倍数极大 所以放大器的零点漂移仍然较严重 由于避雷器的泄漏电流 不包含直流分量 所以如图 2 所示 在电路中采用 RC 隔直回路消除放大器的零点漂移 消除取样回路中 的直流分量 但是经隔直电路以后电流信号的相位会发生偏移 电流信号相位的漂移严重影响避雷器阻 性电流的测量 所以还必须经过移相电路 是电流的相位回到初始相位 才能保证阻性电流的测量精度 当 CT 工作时 通过避雷器的冲击电流会在 CT 二次侧感应出极高的过电压 如图 2 所示在放大器前 端和末端必须增加过电压抑制电路 将二次侧感应的过电压信号限值在一定的范围内 保护放大器不损 坏 在试验室按标准规定 9 进行 4 10 s 100kA 大电流冲击试验 电路完好 试验时 CT 施加 1mA 工 频电流 前置放大器带电正常工作 当大电流冲击过后数个周波 泄漏电流波形恢复到正常波形 图 2 前置放大器 保护电路和放电次数检测示意图 Fig 2 Amplifier guard protection circuit and discharge test diagram 3 动作 放电 次数测量 当电流互感器流过冲击电流信号时 会在 CT 二次侧感应出过电压信号 如如图 2 所示 将泄漏电流 的电压信号输入比较器 比较器的另一端接参考直流电平 Vs 当过电压信号超过 Vs 值后 比较器输出放 电次数信号 判断为避雷器放电一次 再将此放电信号输入单片机 记录避雷器的放电次数 同时记录 单片机系统的输入时间作为避雷器放电时间 4 全电流 Ix 测量电路 当高精度前置运算放大器得到避雷器泄漏电流信号波形以后 在经过一级信号放大 修正电流互感 器和前置放大器产生的幅值误差 再采用 平均值 有效值 测量电路 测量避雷器的全泄漏电流 Ix 其测量精度可达到较高的精度要求 如采用峰值电路测量泄漏电流值 受到的干扰太大 测量的稳定性 很差 如采用真有效值电路测量 回路结构复杂 成本太高 不适用于普通避雷器监测 5 阻性电流 Ir 的测量方法 避雷器阻性电流的检测方法很多 常用的有补偿法 谐波法 功耗测试法 相位测试法等 在智能 变电站中 如不能获得避雷器运行电压信号 可能无法采用补偿法 功耗测试法和相位测试法等需要避 雷器运行电压信号的测试方法 2 5 8 由于金属氧化物避雷器阻性电流分量具有优越的非线性 阻性电 流的谐波分量很大 其中三次谐波分量成分最大 4 而其容性电流分量是线性的 所以通过测量避雷 器泄露电流中三次谐波分量 并通过校准电路能够反映阻性电流的大小 三次谐波分量通过模拟电路 经过多级有源滤波 线性放大 峰值检测 校准电路等获得阻性电流信号 如电站内可以从电压互感器二次侧获得避雷器的运行电压信号 即可采用避雷器运行电压取样装置 从电压互感器二次侧获取避雷器运行电压信号 将运行电压信号经过 RC 组成的一级微分电路 加到差动 放大器一个输入端 再将从前置放大器得到的全泄漏电流信号加到差动放大器的另一端 调整微分电路 的输出幅值 即可得到阻性电流信号 阻性电流信号输入到峰值检测电路 即可得到阻性电流的峰值 采用外取电压法进行阻性电流的在线监测 能提高阻性电流的监测精度 在试验室通过 MD 1 型避雷器阻性电流测试仪与监测装置进行阻性电流测试结果比较 两者相差很 小 图 3 阻性电流测试电路原理图 Fig 3 The schematic diagram of resistive current measure for arrester 6 补偿法和谐波法测量阻性电流的优缺点 不同的测量方法的测量精度不同 各有利弊 利用电压信号测量功耗时 直接反应避雷器的发热性 能 但是人们往往较关心阻性电流峰值的大小 而此方法测不到电流峰值 由于金属氧化物电阻片等值 电路不是简单的电容和非线性电阻的并联回路 而是较复杂的链式回路 阻性电流的峰值和电压的峰值 并不相同 参看图 4 IEC60099 5 10 给出的运行电压 全电流 阻性电流图 从图 5 中可以看出 阻 性电流的峰值和电压峰值相位时是不同的 实际上此相位差是随着阻性电流的大小而变化的 所以采用 相位法测量也会产生误差 由于不同避雷器的容性电流 持续运行电压下略小于全电流 不同 补偿法 要自动调整补偿度的大小 电路复杂 也会产生误差 特别是电站中运行的避雷器存在相间干扰问题 即 B 相电压经过空间电容在 A 相和 C 相产生容性电流 由于相位差 会使 A 相阻性电流增大 C 相阻性 电流减小 对于 500kV 及以上的避雷器 测出的阻性电流会为负数 功耗小于零 说明已无法测试 有 些仪器采用人为移相的方式测量 增加了人为因素 7 图 4 IEC60099 5 给出的运行电压 全电流 阻性电流图 Fig 4 The waveform of Uc Ix Ir of arrester by IEC60099 5 谐波法测量的优缺点 随着阻性电流值的增大 非线性急剧增加 所以测量阻性电流中的谐波分量 也可以测量出阻性电流 谐波法准确度受运行电压中谐波分量的影响 且谐波分量只是阻性电流的一部 分 需要经过拟合电路才能反映真实的阻性电流 但好处是不受相间干扰的影响 在高电压系统中使用 较好 有些研究人员采用电容器与电阻并联的方式来校对阻性电流测试仪或智能监测器的阻性电流测试精 度 由于使用的是线性回路 无法校对采用谐波法测量阻性电流的仪器或智能监测器进行校验 5 这 是由于阻性电流的相位和运行电压的相位不完全一致 这种校准方法本身误差就很大 也不科学 有效 的方法是向避雷器施加一定的工频电压 用高精度的阻性电流仪校准 7 CT 型避雷器智能在线监测器装置的结构与通信系统 图 5 是一款外取电压法监测装置原理框图 避雷器的泄漏电流和放电次数信号由高灵敏度电流互感 器获得 经高精度前置放大器分别传输到全电流监测电路 放电次数监测电路和阻性电流监测电路 阻 性电流监测电路还须由运行电压取样器输入避雷器运行电压信号 全电流 阻性电流和放电次数信号输 入单片机系统进行测量 再通过光电隔离型 RS485 通信方式进行数据远传 3 B 相和 C 相回路与 A 相 相同 三相监测单元安装在同一个外壳内 采用同一个电源供电 三相 RS485 信号并联后一起远传 图 5 一款 CT 型避雷器在线监测装置原理图 Fig 5 The schematic diagram of type CT on line monitoring device of arrester 8 CT 型避雷器智能监测装置的相关特性试验 8 1 工频电流测量特性 工频电流测量特性试验回路如图 5 所示 工频电压通过电阻和数字毫安表施加在电流互感器上 通 过数字毫安表和 CT 测量系统输出的电流值相比较 确定 CT 测量系统的测量精度 试验结果如表 1 所示 测量误差曲线如图 6 所示 图 5 工频电流测量特性试验回路 Fig 5 Circuit of A C current measure characteristic test 表 1 工频电流测量特性试验结果 Tab 1 A C current measure characteristic test result 数字表指示值 A 61129208508757900150224403120 CT 系统测量值 A 56125207506758988146623803100 偏差 A 5412112366020 误差要求范围 A 8111530435080127160 满量程误差 0 20 100 100 41 22 00 6 注 CT 系统测量值是通过 485 远传系统从计算机得到的电流值 下同 XRB3 485CT 是一款避雷器智能在线监测装 置 根据国家电网公司相关规范的规定 11 12 避雷器在线监测的测量值误差应在 标准读数 5 5 A 范围内 从表1可以看出 测量值的偏差都在误差要求范围内 根据通用仪表的测量误差计算 使用仪器的测量范围为3mA 按满量程计算的测量误差在2 以内 符 合规范要求 8 2 高次谐波电流测量精度试验 高次谐波电流测量试验电路如图 6 所示 在低频信号源输出回路中串接限流电阻和数字毫安表 使 高次谐波电流通过 CT 改变低频信号源的输出频率 通过数字表的测量值和 CT 系统测量值比较 确定 CT 的测量精度 测量结果如表 2 所示 图 6 谐波电流测量试验电路 Fig 6 Circuit of harmonic current measure test 表 2 谐波电流测量试验结果 Tab 2 Harmonic current measure test result 试验频率 Hz 50150250350 数字表指示值 A 1018101510101014 XRB 3 测量值 A 1022102110051008 偏差 A 4656 测量误差 0 40 60 050 06 从测量结果看 从基波到 7 次谐波范围内 取样 CT 的测量精度与频率无关 8 3 动作性能与冲击电流耐受试验 试验方法 在电流测量回路中施加不同幅值的冲击电流 监测 CT 测量系统的动作性能和冲击电流耐 受性能 试验回路如图 7 所示 试验结果如表 3 所示 试验结果表明系统在几种不同波形和幅值的冲击电流 作用下都能准确记数 CT 与测量系统在大电流冲击后仍能正常工作 图 7 动作性能试验回路 Fig 7 Circuit of operating characteristic test 表 3 动作性能试验结果 Tab 3 Operating characteristic test result 施加的冲击电流波形 8 20 s4 10 s 施加冲击电流幅值50A5kA10kA20kA100kA 动作次数55552 计算机测量的放电次数增加值55552 8 4 阻性电流测量误差简易校验 阻性电流校验回路如图 8 所示 采用 RC 回路模拟避雷器 校验阻性电流的测量精度 由于 RC 回路 是线性的 会与实际避雷器产生偏差 但是此回路中电阻支路的电流值很容易测量 误差检验较容易 其中 M2 值模拟避雷器全泄漏电流 M1 值模拟阻性电流值 检验结果如表 4 所示 图 8 阻性电流检验回路 Fig 8 Circuit of resistive current test 通过 CT 阻性电流检测系统得到的阻性电流值是阻性电流的最大值 所以表 4 中 M1 的度需转换为最 大值 从读数可以看出 阻性电流的测量误差读在两种误差的的要求范围内 但实际中通过避雷器检测 阻性电流值的误差要大一些 原因使阻性电流的非线性很强 其最大值稳定性很差 产生的测量误差很 大 表 4 阻性电流测量试验结果 Tab 4 Resistive current test result M1 读数最大值 A 8618227339671895913902588 CT 系统阻性电流测量值 A 9416928340972295313302543 偏差 A 81310134166045 误差要求范围 A 9141925435375134 满量程误差 0 30 40 30 41 40 22 01 5 9 结论 采用高敏感度电流互感器 CT 完全能满足智能避雷器在线监测的需要 能同时监测避雷器的泄漏 电流 全电流 阻性电流 和放电次数 采用保护电路后 电流互感器及前置放大器能通过 4 10 s100kA 大电流冲击耐受 在系统持续运行电压下对避雷器阻性电流的测量能达到较好的测试精度 满足相关标准要求 9 11 12 采用 RS485 通信方式 能实现避雷器运行参数的数据实时传输 并存入 到主控室的计算机系统 便于对在线运行避雷器的运行状态进行监测 提高系统固定的可靠性 注 注 特别感谢毛慧明老师和李凡老师的直接指导及西安西润电气有限责任公司的支持 参考文献 1 欧阳昌宜 金属氧化锌避雷器的特性与选择 J 电瓷避雷器 1996 1 40 OUYANG Chang yi Metal zinc oxide arrester characteristcs and selection J Insulators And Surge Arresters 1996 1 40 2 邓育平等 延安 750kV 智能变电站中避雷器在线监测的设计 陕西电力 2012 年第 7 期 3 毛慧明等 数据远传型避雷器在线监测器的研制 J 电瓷避雷器 2009 3 18 21 MAO Hui ming ZUO Bin wu LI Hong jian Development of Data Remote Transmitting Online Monitor on MOA J Insulators And Surge Arresters 2009 3 18 21 4 张振洪等 氧化锌避雷器在线监测方法的研究 高压电器 J 2009 45 5 126 129 ZHANG Zhen hong ZANG Dian hong Study on the on line monitoring method of metal oxide surge arrester J High Volta