改进的绝缘子闪络快速监测系统

2013-10-19刘志学

电力自动化设备 2013年7期

刘志学

（江苏省电力公司检修分公司苏州检修分部，江苏苏州 215000）

0 引言

绝缘子闪络对电力系统的安全、可靠、稳定运行有较大的负面影响，覆冰、污秽、过电压等多种因素可能造成绝缘子闪络故障[1-4]。闪络故障的切除需要一定时间：微机保护采样数据窗使故障切除时间在断路器开断时间的基础上有所增加[5-10]；对于某些特殊位置（如超高压电网保护死区范围）的绝缘子闪络故障必须通过失灵保护切除，而现有失灵保护具有较长延时[11-13]。切除闪络故障所需的时间越长对系统暂态稳定的影响越大。在闪络故障的事故处理中，由于闪络点不明显等因素的影响，会使得故障位置的查找存在困难。若能实现绝缘子闪络故障的快速监测，并与相关二次设备配合使用，则可成功解决上述2 个问题[14]。

文献[14]提出的绝缘子闪络快速监测系统由于未充分考虑泄漏电流带来的负面影响，使得该系统在绝缘子正常运行时可能会误动作。本文提出了2种改进方案，这2种方案均能消除泄漏电流带来的影响，且如果参数选择适当，2种方案亦可实现绝缘子闪络预警功能。

1 文献[14]所提绝缘子闪络快速监测系统

1.1 主要元件情况

文献[14]设计了一种绝缘子闪络快速监测系统（见图 1），其 Rogowski线圈输出电压[15]见式（1），2个或非门组成的基本RS触发器的功能表[16]见表1。

其中，i1为Rogowski线圈所包络的电流。

1.2 工作原理[14]

图1 文献[14]提出的绝缘子闪络快速监测系统Fig.1 Insulator flashover rapid monitoring system proposed by reference[14]

表1 基本RS触发器的功能表Tab.1 Functions of fundamental RS trigger

a.当绝缘子无闪络故障时，Rogowski线圈包络电流为零，无限大增益运放A的输出电压为0，2个光耦的发光二极管均不发光，光敏三极管截止，触发器S端输出始终为0，触发器不动作。

b.绝缘子闪络瞬间，无限大增益运放A的输入电压差u（t）≠0，其输出电压的绝对值瞬时突变为偏置电压UCC，光耦IC1或IC2内的发光二极管发光，对应光敏三极管导通，触发器S端输出突变为1，触发器动作，Q端瞬时置1并保持。

c.发生故障后Q端可与保护装置配合，先于主保护作用于绝缘子相邻断路器跳闸，快速切除故障，避免由采样数据窗带来的延时。同时，Q端还可与测控装置配合作用于后台报警，告知运行人员闪络绝缘子位置，为事故处理提供参考。故障处理完毕后需手按FA按钮（先合后分），恢复RS触发器初始状态。

d.监测系统的响应时间仅由其内部晶体管传输时间决定，一般可达ns级，总时间对于电力系统而言可忽略不计，即可认为监测系统为瞬时响应。

1.3 存在的问题

虽然从定性层面上来看，由于实际的运算放大器增益仅为一个相对较大的有限值，若此时选择合适的Rogowki线圈互感，则可认为绝缘子正常时泄漏电流的响应电压uA≈0，这个小电压一般不会使光耦内二极管动作。但是文献[14]未能从数学层面上充分考虑到正常运行时绝缘子泄漏电流带来的负面影响，由理论分析可知，若考虑泄漏电流，则图1所示系统在绝缘子正常运行时可能会误动作。

2 2种改进的绝缘子闪络快速监测系统

本文提出了2种改进的绝缘子闪络快速监测系统，这2种监测系统均能成功避免绝缘子泄漏电流带来的负面影响，同时还增加了防信号过冲功能以及自动复归功能。

2.1 第1种改进的绝缘子闪络快速监测系统

2.1.1 基本情况

图2为第1种改进的绝缘子闪络快速监测系统的原理示意图，它和图1系统相比有3点不同。

a.增加了双向击穿二极管VD。双向击穿二极管VD的作用是防止信号过冲，即避免Rogowski线圈输出电压过大而损坏电子元件。

b.将无限大增益运放换成了增益调整电路。增益调整电路的作用是将Rogowski线圈输出的电压u成比例（比例系数为A）地转换为光耦电路的输入电压 uout（即实现 uout=Au），该电路可通过多种方式实现，本文给出了一种简单的实现方式，如图3所示。

图2 改进的绝缘子闪络快速监测系统1Fig.2 Improved insulator flashover rapid monitoring system 1

图3 一种增益调整电路Fig.3 A kind of gain adjustment circuit

c.增加了自动／手动复归选择开关S1和时间继电器J及其辅助触点（延时闭合瞬时断开常开触点）。自动／手动复归选择开关S1、时间继电器J及其辅助触点共同实现了对监测系统复归方式的控制：当S1在位置2时为手动复归方式，时间继电器J退出使用，监测系统动作切除闪络故障后需人工手动复归（使FA触点先合后分），复归后Q端输出为0；当S1在位置1时为自动复归方式，时间继电器J投入使用，监测系统动作（Q端置1）后经过延时J会自动复归，即时间继电器辅助触点J会自动先合，使Q端置0，然后时间继电器J失电，触点J断开，Q端保持为0。时间继电器J的动作时刻应滞后于闪络故障消失时刻并留有一定裕度，即延迟应大于断路器开断时间并留有一定裕度。

2.1.2 工作原理

绝缘子泄漏电流的有效值一般为mA级，而闪络电流一般可达kA级，即可从电流大小明确区分泄漏电流和闪络电流。若泄漏电流和闪络电流的分界值Iset（有效值）、光耦内发光二极管开启电压Uth均已确定，且近似认为泄漏电流和闪络电流均为正弦波，则通过选择合适的Rogowski线圈互感和增益调整电路的调整系数，即可实现图2系统对绝缘子闪络故障的快速监测。

可以看出，当Rogowski线圈互感M和增益调整系数A满足式（2）、（3）时，图2所示系统就能实现绝缘子闪络的快速监测功能。

当绝缘子没有发生闪络故障时，绝缘子流过的电流为mA级的泄漏电流，此时I1＜Iset，即：

此时光耦IC1及IC2内发光二极管均不发光，光敏三极管截止，触发器不动作，Q端输出始终为0。

若t=0时刻绝缘子发生闪络故障，作如下假设。

a.t=0-时刻绝缘子流过的泄漏电流瞬时值为B。

b.绝缘子上的电压为：

c.闪络时绝缘子等效电阻为Re。

不考虑双向击穿二极管VD对u的限制以及运放实现增益调整时运放偏置电压对uout的限制，则：

即闪络时IC1或IC2内发光二极管亮，相应光敏三极管导通，S端瞬时置1，Q端输出为1并且保持。

不难看出，若考虑双向击穿二极管VD对u的限制以及运放实现增益调整时运放偏置电压对uout的限制，则uout的最大值会减小，但对其最小值没有影响，即在发生闪络故障瞬间uout还是大于Uth，监测系统的动作不变。

发生故障后Q端可与保护装置配合，先于主保护作用于绝缘子相邻断路器跳闸，快速切除故障，避免由采样数据窗带来的延时。同时，Q端还可与测控装置配合作用于后台报警，向运行人员告知闪络绝缘子位置，为事故处理提供参考。

若自动／手动复归选择开关S1在位置2，则在故障处理完毕后需手按FA按钮，恢复基本RS触发器至初始状态，以便下一次闪络时监测系统正常使用。若开关S1在位置1，则监测系统经过一定延时后会自动复归。

若Rogowski线圈互感M可调，则图2系统中的增益调整电路可去除。此时M的整定值为：

2.2 第2种改进的绝缘子闪络快速监测系统

2.2.1 基本情况

图4为第2种改进的监测系统，它和第1种改进的监测系统相比，在增益调整电路的前面增加了积分电路。积分电路的作用是将Rogowki线圈的输出电压进行积分，即：

假设：t=0为监测系统安装时刻，此时绝缘子无闪络故障，其中流过很小的泄漏电流；t=a为闪络发生时刻，此时绝缘子流过很大的闪络电流。则有：

即在绝缘子发生闪络时，积分电路将Rogowki线圈的输出电压通过积分转变成和绝缘子中流过电流成正比的电压量。

2.2.2 工作过程

泄漏电流和闪络电流的瞬时值的大小区别亦非常明显，若泄漏电流和闪络电流的最大值的分界值iset（瞬时值）、光耦的发光二极管开启电压Uth均已确定，则通过选择合适的Rogowski线圈互感M、增益调整电路调整系数A，即可实现图4系统对绝缘子闪络故障的快速监测。

可见，当M、A满足下列关系就能实现上述功能：

当绝缘子没有发生闪络故障时，绝缘子流过的电流为mA级的泄漏电流，此时，即：

此时光耦IC1及IC2内发光二极管均不发光，光敏三极管截止，触发器不动作，Q端输出始终为0。

当绝缘子发生闪络故障时，绝缘子流过的电流为闪络电流，此时，即：

此时光耦IC1或IC2内发光二极管发光，对应光敏三极管导通，触发器立即动作，Q端输出为1并保持。

图4 绝缘子闪络快速监测系统2Fig.4 Improved insulator flashover rapid monitoring system 2

3 改进的闪络监测系统相关电气量波形图

发生故障后图2或图4系统的Q端可与二次装置配合，先于主设备保护作用于绝缘子相邻断路器跳闸，快速切除故障，避免由采样数据窗带来的延时。假设：绝缘子在t=a时发生闪络故障，t=a-时绝缘子泄漏电流过零；绝缘子相邻断路器开断时间为40 ms；ωa+φ=-π／2+2kπ；开关 S1在位置 1；时间继电器延时整定为60 ms。闪络故障发生后，图2及图4所示系统相关电气量的波形分别见图5及图6。

图5 改进的闪络监测系统1相关电气量波形图Fig.5 Waveforms of relevant electrical parameters of improved rapid monitoring system 1

图6 改进的闪络监测系统2相关电气量波形图Fig.6 Waveforms of relevant electrical parameters of improved rapid monitoring system 2

图6中，若绝缘子闪络电流有效值为D、监测系统电流定值iset已确定，则可计算出闪络发生时刻与监测系统响应时刻的时间差Δt：

4 改进闪络监测系统在闪络预警中的应用

绝缘子绝缘异常发展成闪络故障需要一定时间，泄漏电流的异常变大可作为绝缘闪络预警的依据。可以看出图2和图4系统中，若定值Iset或iset选择为闪络预警值（mA级），且输出Q端不作用于跳闸时，这2个系统均可作为闪络预警系统。当泄漏电流超过定值时，监测系统可通过多种方式作用于报警（如“声”、“光”、“光字牌”），为设备状态诊断提供参考。