高压电容型电气设备介质损耗在线监测系统研究

訾士才，田　鹏，李　旭，曲祯煜，王文超

(1.国网新源敦化抽水蓄能有限公司，吉林　敦化　133700；2.嫩江县电业局，黑龙江　嫩江　161400；

3.国网丹东供电公司振安分公司，辽宁　振安　118000；4.东北电力大学，吉林　吉林　132012)

随着先进的传感器技术、计算机技术以及光纤通信技术等的进步，使现代电力工业发展摆脱了以往的技术条件限制，依靠对高压设备绝缘的不停电在线监测替代了传统脱离实际运行环境的离线监测方式，大力推动了同步在线监测与诊断的应用与普及[1-3]。电压作用下的各种电介质即绝缘材料均存在能量损耗，介质损耗会导致绝缘温度上升，加速绝缘材料老化，因此，介质损耗的大小是衡量电容型电气设备绝缘水平的一项重要指标。

介质损耗因数(tanδ)是反映绝缘介质损耗大小的特征量，由绝缘材料的介电特性决定，与介质的大小、形态等无关，其准确测量对判断电容型电气设备的绝缘水平具有重要作用。以下设计了监测终端的硬件电路结构，提出了一种基于过零比较和绝对测量相结合的测量新技术，并综合采用趋势分析法和相对比较法，提出一种以电气设备tanδ相对值变化为依据的绝缘诊断策略，提高了绝缘诊断的灵敏度，保证了较高的设备运行稳定性。

1　介质损耗因数测量原理

1.1　过零比较测量原理

(1)

式中：

图1　过零比较法测量原理框图

过零比较法原理见图2。首先利用采样电路中的传感器捕捉电流、电压信号的过零点，然后通过一定的逻辑将采集的信号转换为方波脉冲信号，电压、电流信号的相位差则可由脉冲的宽度表征，最后测量方波的宽度并换算得到被试样品的介损。过零比较法的关键在于如何通过精确捕捉电压、电流信号的过零点，进而实现交流信号到方波信号的高精确转换。

图2　过零比较原理

1.2　绝对测量原理

当高压套管发生绝缘劣化时，其故障特征一方面表现为增大；另一方面表现为一个或多个分层电容击穿短路，导致C增加。绝对测量原理及其向量图见图3。

图3　绝对测量原理及其向量图

图中，C1为工频电压下的设备末屏传感器等值电容。该方法通过提取高压母线的电压向量U和套管末屏分压电容电压向量U1，计算得到二者夹角的tanθ。由于C1≫C，近似取tanδ≫tanθ，因此通过测量tanθ就可间接计算得到介质损耗因数tanδ的值，即：

(2)

式中δ=90°-φx。

2　绝缘诊断方法

2.1　趋势分析法

高压电气设备绝缘故障可分为：

a.突发性的放电或击穿，表现为绝缘参数的阶跃变化；

b.缓慢发展的绝缘故障，表现为缓慢而持续增长的变化趋势，且不可逆转。潜在的各类不同因素使在线监测数据呈现出高分散性的特点，少量数据难以保证故障状态判断的准确程度，但通过一段时间内的测量数据可在一定程度上反映设备的绝缘状况。如在某段时间内监测数据呈现缓慢而持续增长的趋势，则设备可能存在潜伏性故障，此时就可通过趋势分析法对设备的绝缘状态作出分析、预测。

2.2　相对比较法

在线监测数据的预处理过程仅能够消除随机因素对数据测量的影响，但运行电压、频率波动、电压互感器(TV)电压基准、相间耦合以及环境、温度等因素对测量结果的影响依然存在,仅通过经预处理后数据的静态绝对值进行绝缘诊断，会对结果造成较大偏差。考虑同一母线、同一相、采用同一TV电压基准测量的多台同类设备，其绝缘结构相似，处于相同运行条件和环境条件下，测量结果受到的影响相似，测量数据呈现出同步变化的迹象。绝缘状况良好的设备，其测试结果应基本相同，若数据存在明显差异，则能够判断该设备的绝缘异常。因此依据电气设备的相对值变化作为故障诊断的依据，能够大大提高故障诊断的灵敏度，保证较好的稳定性。

3　在线监测系统设计及工程应用

3.1　监测系统结构及工作原理

3.1.1系统整体结构

根据工程实际要求，本设计的电容型电气设备介质损耗在线监测系统由上位机监测软件和下位机现场监测装置两部分构成 。前端各监测单元以AT89C51单片机为核心，通过RS-485总线与远程计算机后台完成数据交换，监测单元安装于现场，系统整体结构见图4。

图4　系统整体结构

3.1.2下位机监测系统设计

下位机主要应用数字地址标识，实现数据的采集和上传功能，上位机利用得到的上传数据运算得出。其具体工作流程为：主机给某台从机发出采样指令，数字地址相符的从机接收指令并唯一即时响应，完成同步整周期的信号采样，并运算得出该监测单元的。主机依次指令其他各从机进行数据采样，在一定时间内完成一轮对所有监测单元的测量。

为提高介质损耗因数在线监测结果的准确性和可靠性，选择从与容性设备末屏串联的分压电容提取工频电压信号，采用一种基于绝对测量和过零比较法相结合的测量新方法。系统以站内信息管理系统为中心，以安装在各被监测设备上的前端数据采集装置为节点，通过RS-485总线构成分层分布式系统，其工作原理见图5。

图5　系统工作原理框图

将传感器捕捉的母线TV二次侧电压参考信号和高压容性设备末屏分压信号经幅值调整作适当放大，输入低通滤波器滤掉高次谐波，经过零比较转换为方波由单片机进行计算，最后将计算结果通过RS-485总线传入站内信息管理系统。

3.1.3监测终端硬件设计

前端监测装置主要由CPU、信号提取单元、前向通道单元、温度及湿度传感器等构成，监测终端框图见图6。

图6　监测终端框图

a.装置的数字电路装置的数字电路，主要包括采用Intel AT89C51芯片的CPU，以及与其关联的译码芯片、时钟芯片、EPROM、FLASH存储器、看门狗电路等。

b.信号变换及预处理。信号经TV后得到5 V交流电压信号，然后经低通滤波器滤掉高次谐波，最后经过零比较环节输出反映信号过零时刻的方波。

c.低通滤波电路对输入信号进行滤波减小输入噪声干扰。已知R12、C12、R13、R14为电阻、电容。

(3)

(4)

(5)

由于有源低通滤波器的性能好坏还与所用的运放性能有关，在设计中应该尽量采用低温漂、低失调电压、高精度的运算放大器。

3.2　现场工程应用

依托东北电网公司科技项目，于2016年4月在东北某水电厂220 kV升压站完成了电容型电气设备电容和介质损耗因数在线监测系统的安装和调试，目前系统运行正常，各项功能和指标达到预期设计要求。奇次谐波±1.0读数，监测终端技术指标见表1。

表1　监测终端技术指标

4　结论

基于相对比较法和趋势分析法相结合，设计了介质损耗因数在线监测系统信号采集装置的软硬件结构，提出了一种基于绝对测量和过零比较法相结合的介损因数测量新方法。研究成果在东北电网公司某水电厂220 kV升压站投入应用，设备运行可靠，监测数据真实准确，运行性能良好。

参考文献：

[1]王子军.变电站电容设备介质损耗在线监测技术的研究[D].长春:吉林大学,2010.

[2]王红亮,黄新波,王宏,等.智能变电站电容型设备介质损耗在线监测IED设计[J].高压电器,2012,48(1):1-6.

[3]刘伟,黄新波,章云.电容型高压设备介损在线监测系统的现场采集单元设计[J].计算机测量与控制,2010,18(1): 233-236.