一种采用纳米微晶材料的电流互感器在容性设备绝缘在线监测中的应用

2016-11-03李海峰葛猛孙世广

中国新通信 2016年19期

李海峰葛猛孙世广

【摘要】变电站容性设备的绝缘状态关系到电网的安全运行，绝缘在线监测是一种保障一次设备运行安全的技术手段，同时可以为状态检修提供辅助决策。本文作者长期从事在线监测技术研究，对目前国内绝缘在线监测技术发展的现状以及存在的问题作了系统分析，提出了改进传感器以提高在线监测系统检测精度和数据一致性的设计思路。容性设备泄漏电流信号微弱，变电站电磁环境复杂，加之电网中高次谐波的作用，导致电流传感器的输出信号在耦合及传输过程中畸变过大，难以准确反映设备的绝缘状态，因此普通电流互感器的性能难以满足绝缘监测的要求。作者提出了一种采用新型纳米微晶材料的电流互感器以改善传感器性能的设计方法，从提高信号源质量的角度改善目前绝缘在线监测系统普遍存在的检测精度差、数据分散性大的缺陷。

【关键词】容性设备绝缘在线监测介质损耗因数泄漏电流电流互感器纳米微晶材料

一、容性设备绝缘在线监测的现状

变电站容性设备的绝缘状态关系到电网的安全运行，绝缘在线监测是一种保障一次设备运行安全的技术手段，同时可以为状态检修提供辅助决策。容性设备的泄漏电流中包含了阻抗角、容性电流、阻性电流、等值电容量等表征设备绝缘状态的特征参数，因此对泄漏电流实施在线监测可以获取设备的绝缘状态参数，据此判断设备的健康状态[1]。

容性设备的泄漏电流信号微弱，变电站电磁环境复杂，加之电网中高次谐波的作用，这些因素对测量结果的影响很大，因而对电流传感器的性能提出了很高的要求。普通电流互感器的输出信号在变电站复杂电磁环境下的耦合及传输过程中畸变过大，难以准确反映设备的绝缘状态。虽然目前数字信号处理技术及相关硬件平台已比较成熟，但由于普通电流传感器的性能难以满足以上要求，导致很多已投运的绝缘在线监测系统普遍存在测量精度差、数据分散性大的缺陷，系统难以发挥作用[2]。归纳起来，在线监测系统目前还存在以下几方面问题函待解决：

1）电流互感器一致性差，导致监测数据重复性差、分散性大，难以准确反映设备健康状态；

2）长期运行稳定性差，外部的强电磁干扰和环境影响如温湿度的变化等导致监测数据波动较大，某些情况下引发系统误报警；

3）抗干扰能力差，弱信号在复杂电磁环境下的耦合及传输容易造成信号畸变，导致测量结果不够稳定[3]；

综上分析，传感器的性能很大程度上影响了在线监测系统效能的发挥，因此提高传感器性能、改善信号源质量对于提升在线监测系统的效能成为比较可行的途径。

二、容性设备绝缘在线监测的检测原理

以电容型电压互感器（CVT）为例，依据其内部构造及电气原理进行分析[1]，可建立其等效电气模型如图1所示。

图1中：C1——高压电容；C2——中压电容；L1——中压变压器一次绕组；L2——补偿电抗器；I1——容性电流；I2——中压变压器空载电流；Ir——阻性电流；R——等效介质电阻；Ix——全电流；U1——高压电容分压；U2——中压电容分压；Ux——运行电压

据设备等效电气模型分析，设备的介质损耗因数tgδ可采用采用正弦参数分析法进行计算，正弦参数分析法应用了三角函数的正交性，信号的采样频率fs为信号频率f的整数倍时满足三角函数正交性须具备的条件。由图1可知，设备泄漏电流信号Ix、中压电容C2分压抽头输出信号U2（参考电压）的采样须采用同步信号采样技术，该部分由高速同步采样硬件实现。

三、纳米微晶电流互感器

电流互感器工作在变电站复杂的电磁环境中，容性设备的泄漏电流正常情况下比较小，根据其等值电容量大小泄漏电流一般为5～500mA，介质损耗角δ一般不大于0.1度，设备末屏接地扁铁的宽度通常为20mm左右（如图2所示），因此要求互感器具有较高的精度和一致性，同时要求互感器的角差尽可能小。综上分析，在互感器磁芯的选取上应注意以下几点：

1、用于互感器的磁芯必须在极弱的磁场下具有极高的磁导率，对于5mA左右的泄漏电流（电容型套管的典型泄漏电流值），作用于磁芯上的磁场强度只有万分之几奥斯特（Oe），比通常的0.1级精度的互感器磁芯工作磁场小一个数量级，因而对互感器磁芯材料的选取提出了很高要求；

2、采用较粗的漆包线绕制次级线圈，以降低线圈的直流电阻，有利于提高精度；

3、合理确定磁芯尺寸，磁芯尺寸过大，降低了工作磁场，增大了线圈直流电阻，影响互感器精度；而磁芯尺寸过小，造成线圈的阻抗过小，不利于互感器精度的提高；

4、对互感器采取有效的屏蔽保护措施。

目前常用的电流互感器磁芯材料主要有软磁合金1J50、1J79（坡莫合金）、1J85（铁镍合金）系列等，新型纳米微晶材料因其良好的导磁性能近年来也得到了广泛应用[5]，为了验证弱磁场下的导磁性能，研制单位采用1J85和纳米微晶分别试制两组各100只外形尺寸相同的磁芯：内径32mm，外径50mm，宽20mm，对两种磁芯在弱磁场下的磁化特性进行了比对测试，其磁化特性曲线可知，在弱磁场下，纳米微晶磁芯的导磁性能明显高于常规软磁合金磁芯[6]。在完成上述测试的基础上，将两种磁芯采用直径0.28mm漆包线在全自动环形绕线机上均绕制500匝，并将线圈浸漆绝缘处理，采用日本产27ZH100硅钢片对线圈进行屏蔽，装入外壳，环氧灌封处理。在初级一匝、次级空载时测试其弱信号传输性能（测试点取电容型套管的典型泄漏电流值：1～5mA），测试数据可看出，纳米微晶互感器的线性度明显优于普通软磁合金互感器。

四、现场运行情况

2014年10月纳米微晶传感器应用于福建福清供电公司某110kV变电站2#主变套管绝缘在线监测项目，并实时监测套管绝缘数据。经调取运检部门于2013年底对该主变110kV侧套管实施的停电预试数据，现场实测数据和停电试验数据基本吻合，系统运行效果达到了预期目标。

五、结论

纳米微晶电流互感器对系统性能的改善主要表现在以下两个方面：

1）突破普通电流互感器应用于绝缘在线监测场合的局限性，提高绝缘在线监测系统的检测精度和数据一致性；

2）改善绝缘在线监测传感器在变电站强电磁干扰环境下长期工作的稳定性，减少信号畸变。

目前纳米微晶电流互感器已经在国内多座变电站的绝缘在线监测系统中得到推广应用，运行情况良好，取得了非常好的经济效益和社会效益。