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 510600;2.广东电网公司管理科学研究院，广州 510600;3.西南交通大学电气工程学院，成都 610031)

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［1-3］。

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220V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IEC 61850综合自动化采用分层分布式系统，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IEC 61850标准的信息格式和通信服务，从而实现非IEC 61850标准设备与后台主站之间的IEC 61850标准通信功能。此外，IEC 61850通讯软件模块可汇集IEC 61850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。

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(tanδ)、避雷器的阻性电流(IR)、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(tanδ)、电容量(C)和氧化锌避雷器的阻性电流(IR)，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［4］，具体计算如式(1)所示。

式中，U、I分别为电压和电流的有效信号，f为电流频率，θU为电压与参考信号的相位差，θI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。

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［5-7］。

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，II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，N1和N2为一次和二次绕组，分别绕在两个铁心、I和II上，Nu检测绕组，NP为补偿绕组，Z2为二次负荷阻抗。外加补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II磁势重新平衡，所需能量由铁心I和II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，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(˙φ11、˙φ12)大小相等，方向相反的补偿磁通(˙φ21、˙φ22)，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0Ω)，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220V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DSP(TMS320F206)和CPLD(XC95108PQ100)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DSP和MCS-51单片机双CPU结构，DSP主要用于数值计算，而MCS-51则主要用于通信接口等辅助功能。选用的DSP芯片TMS320F206拥有强大数据处理能力，符合本系统的计算量大的要求。TMS320F206具有片内FLASH存储器的器件，也是是TMS320C2xx系列中具有较多资源的器件之一，片上有高速SRAM、高速Flash、16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。

图5 采集控制电路

采用Xlinks公司的XC95108PQ100作为外围接口电路的主芯片，该芯片通过锁相环电路为DSP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DSP的通信提供通道(主要通过中断信号来实现)。

系统采用220V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220V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。AD7710是美国Analog公司Σ-Δ模数转换器家族的一员，由于采用了Σ-Δ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24bit。

通信模块采用RS485、RS232和USB方式，RS485用于正常工作时的通信，RS232主要用于现在调试，而USB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。USB设备控制芯片采用了美国 Cypress公司的CY7C68013—128作为USB接口主控芯片，它封装了USB规范的大部分功能，用户不必从底层了解复杂USB总线规范，简化并规范了设备的开发工作。对采用RS485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，RS485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RS485驱动电路采用的是具有瞬变电压抑制的收发器SN75LBC184。SN75LBC184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FFT和相关系统算法，根据图6(a)计算得到式中的θI，根据图6(b)可得θU。

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。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tanδ

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220V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。

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