暂态过电压在线监测技术研究及实测数据分析

2015-12-15赵桂娟耿东勇

电气自动化 2015年3期

赵桂娟，耿东勇

(晋城煤业集团供电分公司，山西晋城 048006)

0 引言

电力系统中的各种绝缘在运行过程中除了长期受到工作电压的作用外，还会受到各种比工作电压高很多的过电压的短时作用［1］。系统承受的各种过电压大都是各种暂态过电压，目前国内的普通录波装置是在系统发生严重短路事故时才开始工作，系统遭受严重事故前的各种过电压都没有进行有效的监测，非常不利于系统的安全运行，而且普通故障录波装置录取的波形时间都非常短，不利于事故的分析，给彻底解决各种过电压引起的事故带来很大影响，严重威胁着设备及电网的安全运行［2-3］。

电力系统中的变电设备随时都可能会受到雷电过电压或操作过电压的侵袭，当变电站出线较多或处于多雷区时，雷电过电压会随线路入侵造成故障;当系统进行切空载线路和变压器等操作时会产生内部过电压;当系统出现接地故障会产生弧光接地过电压。这些过电压幅值都非常高(可达系统工作电压的2～5倍)。当保护配置不当或保护器有缺陷时，过电压很可能对一次变电设备造成危害。一些绝缘存在缺陷或老化的变电设备，在较高的过电压作用下更容易造成绝缘击穿，在工频电压作用下都有可能出现故障。应用于电网中的故障录波装置主要记录的是工频的故障波形，对暂态过电压的高频信号则难以记录。因此，电网中有必要安装能自动跟踪记录暂态过电压出现的时间、幅值和波形的装置。这些波形的大量采集、分析，将形成过电压诊断的专家系统，进行自动分类识别［4-7］。

该过电压在线监测系统能够实时记录35 kV系统发生各种过电压事故时的数据、在过电压发生时能完整准确记录过电压的实际变化过程、记录保存过电压的波形和各种参数、存储事故发生前后过电压的情况、区分出各种过电压类型，并综合分析给出系统解决方向。

1 系统简介

(1)该系统实现了基于工控机的WINDOWS NT操作系统平台上真正32位的在线故障录波分析软件，具有广泛的先进性。实现了真正的GPS故障录波时标系统，各采集记录单元由GPS时钟同步信号控制数据采集。采集卡线程独立完成数据采集、故障检验、录波启动、故障数据保存。

(2)该系统提供四个通道的高速同步测量，可同时监测系统母线的各相瞬态、暂态过电压波形数据。每通道的采样频率最高为30 MHz/s(一般设为单通道20 MHz/s)，A/D分辨率为12Bit。每通道缓存最高可达8 M字节(4 M采样点)，一次过电压触发能记录7个工频周期的系统正常电压波形、3 000个工频周期(1分钟)时间的暂态过电压波形，记录时间为60秒;能够随时监测各相过电压的发生过程，自动采集记录每次过电压事件，并自动存储至硬盘，每次过电压记录自动依次写入数据库，均含波形、记录时间等数据。具有完善的通信功能，能够通过远端计算机终端控制系统运行，也能远距离(GPRS/GSM)将现场采集数据送至运行管理部门。

(3)该系统原理示意图，如图1所示。

2 硬件设计

该系统由依次连接的高压限流熔断器、宽频电压传感器、控制器、交换机和工控机等几部分组成。系统硬件结构图如图2所示。

图1 暂态过电压监测系统原理示意图

图2 硬件结构图

(1)高压限流熔断器:规格型号为 XRNP1-40.5/0.5-31.5.

(2)宽频电压传感器:带宽0 MHz～100 MHz，高精度，无饱和;能够准确检测系统中各种工频及高频过电压，有效保证采集信号、波形不失真;能够长期在系统最高工作电压下安全运行。

(3)控制器:采用20 M高速采样卡(PCI接口)对采样信号实施50 ns A/D转换，确保采样数据精准;CPU采用 2.0G INTEL＆DSP双处理单元技术实施分析处理，嵌入式美国TI的DSP互为监测，确保产品的可靠性。

3 软件设计

该系统可对三相电压信号进行实时监测和分析。根据分析结果判断电路故障，对故障电压进行故障录波。可判断的故障类型电压闪变、电压变动、雷击过电压、操作过电压、三相不平衡度、电压的暂升暂降和零序电压过高等。软件结构图如图3所示。软件流程图如图4所示。

图3 软件结构图

(1)电压数据采集系统:初始化采集卡参数打开数据采集开并完成配置，启动数据采集卡开始采集数据;建立数据采集线程。建立对数据采集卡的监测线程，实时监控采集卡的状态，管理采集卡数据读取线程;建立多个采集卡的数据读取线程，将数据读取到内存中生成数据记录，供其它程序使用;判断是否有过电压(雷击和操作);对于过电压故障保存过电压数据和发出告警;将高频的采集数据进行处理，便于后续的计算和分析。

图4 软件流程图

(2)数据存储系统:对系统内的各种操作和故障、采集数据进行保存和读取的管理系统;对于故障录波数据，由于数据量大写入时间短的原因放在文件数据中直接读取和写入;有自我修复功能，对于由突然停电的故障造成对数据库的损坏能自行修复。

(3)电压故障分析报警系统:对处理后采集数据进行分析做出故障判断;故障类型分别是:弧光、暂升、暂降、中断、不平衡度、谐波畸变和电压波动;发现电压故障时，记录电压故障启动故障录波，并将信息传给数据存储系统和故障报警管理系统。

(4)故障报警管理系统:接收到故障信息，可在主界面弹出故障警报和故障录波，并将故障记录传给短信报警系统;对于并发性的故障根据故障的优先级，选取优先级高的故障进行报警。

(5)短信报警系统:录入短信接收人员的信息;读取短信人员的数据;接收到故障记录后;生成短信内容，发送的手机号码;发送短信。

(6)DSP串口通讯系统:通过串口访问消谐装置，读取消谐控制器监测的数据和报告;修改消谐控制器的参数和发出动作。

(7)GPS串口通讯系统:读取GPS信息，同步控制器的时钟。

(8)103规约录波上传系统:按照电力103规约通过以太网上传故障录波信息。

4 现场实测数据分析

(1)在实验室对标准雷电过电压进行了模拟实验，监测图如图5所示。

(2)现场应用

在某站35 kV两回线路上分别安装了一套暂态过电压监测系统。用于监测整个片区35 kV系统的电压情况。2014年4月16日20:28∶27，当地雷雨天气，在打雷后，运行人员发现暂态过电压监测系统发生告警，告警信息为B相雷击过电压。经过对整个片区所属6个35 kV变电站避雷器动作情况摸排。发现片区系统中的有1个变电站35 kV线路B相避雷器动作。由暂态过电压监测系统实测波形可以看出35 kV线路B相有遭受过电压侵袭。实测雷击过电压波形如图6所示。