容性电气设备在线监测关键技术研究

王玉巧，李文方

（黄河科技学院，450006）

0 前言

在电力系统比如变压站中有很多的容性设备在运行，这些电气设备绝缘的好坏直接影响着系统的安全。为了对电气设备的绝缘状况进行监测，国家电力及其它相关部门制订了很多相关的试验措施及标准，比如电气设备交接试验标准、电气设备预防性试验规程等。通过定期的预防性试验和交接试验，来监测容性电气设备的绝缘状况。由于电气设备预防性试验存在一定的弊端，在电力科学发展的大趋势下，电气设备在线监测系统就起到了关键性的作用，而容性设备绝缘在线监测系统便是其重要的一个分支团。

1 国内外技术发展水平及趋势

国外对容性电气设备绝缘在线监测技术的研究大概有70多年的历史，并且已有产品投入商业运行。前苏联、澳大利亚、美国、加拿大等国家都开发出了同类装置，并且投入运行。在我国，此类技术的研究和应用大概有20年。目前国内对提供有效的故障诊断方法及介质损耗角的数字化测量方法及其重视。国内很多科研机构及高校都投入了大量的人力及物力进行研究与开发，并已经有稳定的产品投入运行，但是由于技术上存在一定的缺陷，实际投运的效果并不理想，没有得到预期的经济效益和社会效益。

国内外经验表明，通过测量介质损耗tgδ及电容量Cx，可较为灵敏的发现容性设备的绝缘缺陷，目前所有的在线监测系统均把该项目作为重点测量的对象。

1.1 主要研究内容

（1）容性设备介损的谐波分析法研究。

（2）设计基于DSP和CPLD的在线监测单元。

（3）基于DSP和CPLD逻辑设计。

（4）基于DSP的快速傅里叶变换（FFT）的研究与优化。

1.2 实施方案

本项目通过对容性设备介损在线监测关键技术的研究，设计开发了一种基于DSP和CPLD的在线监测系统，以谐波分析算法为基础，采用锁相倍频技术，实时跟踪电网频率，实现整周期采样，消除频谱泄露的影响，采用优化的快速傅里叶变换（FFT），求出电压、电流的基波系数，进而求得介质损耗等电气参数，同时把介损参数通过RS485总线上传到主控室。

1.2.1 容性设备在线测试方法

容性设备带电测试中的绝对值测量法，其原理接线图如图1所示：从PT二次端子取电压信号，从设备末屏或连接地线上的电流传感器提取电流信号，再经过仪器内部处理后得到被测介损和电量。

图1 绝对测量法 原理图

1.2.2 容性设备现场故障模拟及可行性分析

在电压作用下各种电介质都有介质损耗。介质损耗会使温度上升，促使绝缘材料老化。如果介质温度高到让绝缘体熔化、烧焦，就会使材料失去绝缘性能进而导致热击穿。由此可见，介质损耗的大小直接关系着容性设备绝缘水平的高低。容性设备的绝缘特性如图2所示。分布介质的电压可看成由电容电压分量Uc和电阻电压分量Ur两部分组成。通常绝缘良好的介质，Uc>>Ur。

图2 容性设备的绝缘等值电路和相量图

1.2.3 容性设备带电测试的实施和试验数据分析

我们以110kV高浦变102 CT，104 CT为试验对象，进行了容性设备带电测试故障诊断试验，试验内容如下：根据高浦变102CT之前的在线数据，利用tanδ=ωCx.'Xr计算，值见表1，介损变化率在50%一100%之间最合适，因为变化率太小，故障不明显，判断不出故障，变化率太大，远超过无缺陷时的介质损耗，同样不利于校验。

以高浦变102CT带电测试数据为例来分析，表2为其停电试验数据，tan δ p是计算出来的。停电数据和带电测试的数据相差不大，说明带电测试系统能真实反映设备真正状态。

1.3 技术关键及路线

整周期采样：在周期性电参量的测量中，进行同步采样是准确测量实时信号的关键。解决傅里叶变换中出现的频谱泄露现象，实现整周期采样，设计了基于CPLD的锁相倍频电路，实时跟踪电网频率，保证同步电网频率，实现精确测量。

谐波分析法：利用离散傅里叶变换对监测设备的电压电流信号进行谐波分析，求出相应的基波，进而求得相位差、介损因数。该方法利用了三角函数的正交性，使得傅里叶变换求解时可以很好的克服干扰，尤其是谐波的零漂、温漂干扰等，因此能有较强的稳定性和较高的测量精度。

整个监测系统可归纳为3个子系统：

1、现场中被监测的电气设备和相关的传感器；

2、信号预处理系统和数据采集单元；

3、信号处理和诊断系统。

表1 根据高浦变102CT在线的数据计算出r值

表2 110kV高浦变102 CT停电试验数据

2 结语

随着国家电网工程的开发，电力部门的科学建设正在分步骤有计划的实施，这对农电发展都有很好的促进作用，对农电信息化建设也具有很高的战略意义。容性设备在线监测与诊断系统已经投入运行，但效果并不十分理想，针对其存在的问题，本研究对介质损耗角在线测量、信号提取和监测数据处理方法等进行了深入的研究与改进，以求取得预期的经济效益和社会效益。

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