智能化变电站氧化锌避雷器泄漏电流数字分析仪

申葳 房立腾 黄华 詹龙成

摘 要：该项目基于“智能化变电站氧化锌避雷器泄漏电流数字分析仪”研制的新型智能变电站电子式互感器数字转换技术。研制全新的同步电压采集装置，具备光纤接口、光信号解码模块，用来接收合并单元发出的光纤信号；增加同步对时装置，由于一次电压经电子式电压互感器采集，再转换到合并单元发出这一流程存在延时问题，为保证电压与电流信号同步，需增加同步对时装置，以保证电压电流信号的同步，从而对智能变电站开展氧化锌避雷器带电测试试验。

关键词：变电站；避雷器泄漏电流数字分析仪；互感器

中图分类号：TN06 文献标志码：A

0 引言

随着着现代社会发展的需要，我国的电压等级和电网的容量也在不断提高，随之而来的就是对电力的需求也越来越多，为满足日益增长的供电需求，再现有供电容量的前提下，必须保证设备的可靠运行；同时减少停电的次数和时间，因此带电检测和在线监测技术得到了越来越多的重视。

当今的维修体系主要是以状态检修为主的维修体制，然而维护系统的前提是实现高电压设备的在线检测。因此就要求在线检测系统的运行能准确及时地反应设备的状态；从而判断设备有没有故障，保证电网能高效、稳定地运行。

随着智能变电站的不断建设和普及，传统的互感器已由原来的模拟量输出改为光纤信号输出，这就导致传统的氧化锌避雷器泄漏电流分析仪，无法采集采用光纤信号的互感器上的信号，进而导致其无法在智能变电站开展避雷器带电测试工作，因此该课题提出并研发了符合智能变电站数字信号互感器的产品。

1 氧化锌避雷器泄漏电流数字分析仪系统任务与功能需求

1.1 避雷器泄漏电流数字分析仪系统任务

避雷器检测测量过程中需要测量母线电压，从而计算避雷器的阻性电流，以此来反映避雷器运行的情况。目前智能化GIS变电站多采用电子式互感器，电子式互感器是利用光纤传输数字信号至合并单元，因此用传统的方法无法从二次回路上测得相应的电压值，也就无法对避雷器的运行状态进行监控，因此必须要采用A/D转换技术，把光信号转换成模拟信号提供给测量装置。

该仪器对所采集到电压电流信号进行分析，程序能够实现对智能站数字信息通信协议IEC61850 9-2协议的解码及传输，同时能够获取同一时间下的电压电流信号，利用电压与电流的角度关系计算避雷器阻性电流，进而分析避雷器运行状况。

将核心的光数字信号转换模块及信号同步模块安装到避雷器泄漏电流分析仪上，同时利用最小二乘拟合的算法，设计完成智避雷器泄漏电流分析仪；并将其应用于现场测试实验中。

1.2 功能及需求

该设备的信号采用光纤采集。采集数据可靠、抗干扰。光纤传输方式可消除电气信号在传输过程中的衰耗和受扰，同时免受暂态高压的威胁，且采用自补偿式高精度电流传感器和先进的数字滤波技术，较好地解决了介损测试精度及其稳定性问题，结合完善的电磁屏蔽措施和先进的数字滤波处理技术，可确保介质损耗测试结果不受谐波干扰及脉冲干扰的影响，保证了数据的真实性和稳定性，同时检测主机可以对设备状况连续或定时进行监测，当怀疑设备有缺陷时或跟踪设备有变化时，可以对设备实现连续在线监测和带电测试时，设备不需要退出运行，人员的劳动强度也大为降低，由于多设备同时在同样环境下进行测试，更能真实反映设备状态的参量，从而实现对设备运行状态的综合诊断，随时掌握设备的劣化趋势，及时有效地发现设备缺陷。大大减少了生产成本，增加企业竞争力并获得更大的经济效益；便于大面积推广和安装，提高在线监测数据的稳定性和真实性，及时发现运行中电气设备的绝缘缺陷，防止重大事故的发生，提高电力系统的供电可靠性。

信号通过光纤传输，传输的信号不受电磁场的影响，因此光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力，解决了通信距离和速率的矛盾，同时光纤具有频带宽度大、损耗小、重量轻、保真度高、工作性能高等优点，解决了信号受到电磁场干扰数据不稳、跳动大、地电位抬高、雷电破坏、设备容易打坏的难题。

2 氧化鋅避雷器泄漏电流数字分析仪结构和工作模式

2.1 避雷器泄漏电流数字分析仪结构

避雷器泄漏电流数字分析仪结构分为内部系统结构和外部硬件结构。

内部系统结构由电源模块、光电信号采集、通信信号协议传输、信号转换、数据信息分析、计算、同步、发送、监测诊断等一系列软硬件系统组成。

外部结构则是金属机箱、控制面板、状态显示按钮、通信接口、电源开关等。

整体小巧易携带，且操作简单实用，效率高，安全稳定。

2.2 避雷器泄漏电流数字分析仪工作模式

对光纤信号进行采集，同时能够利用IEC61850通信协议将光信号转换为模拟信号，并进行实时传输；同步单元将采集到的电压电流信号，同步至某同一时间点，从而计算电压电流之间的角度差。避免由于非同一时间信号带来的误差；初步利用最小二乘拟合算法，实现对避雷器泄漏电流的采集及分析，其计算精度能够满足现场测试需求；基于分布式测量结构，采用光纤以太网，弥补了传统信号传输受距离、工频电磁场干扰、抗电压冲击能力差、故障率高的不足。现场总线结构布线简单，接口统一，且可给测量结果加上时基；基于数字傅里叶变换的工频基波相位角测量，从而计算介损参数。监测系统采用高精度（64 bit）并行采样技术，具备完善的程控增益及相位自校功能，测量基波信号的相位精度高达±0.002°以上，完全满足现场测量的要求。

另外监测系统基于相对值数据诊断功能，可根据绝缘参数特征值的相对变化量，筛选出绝缘异常的电气设备，自动生成包括绝缘参数变化趋势图在内的相关信息报告，供管理人员做出分析和判断。

采用容性电流补偿法测量阻性电流，采用基波分量检测法检测阻性电流基波分量。与其他检测方法（象三次谐波法、电场感应法法）相比，阻性电流基波分量检测法可有效避免电网谐波的影响，测量精度也相对较高。

3 避雷器泄漏电流数字分析仪时间同步与光电转换的实现

3.1 时间同步

变电站时间同步系统是站内系统故障分析和处理的时间依据，也是提高电网运行管理水平的必要技术手段。目前我国智能化变电站均采用的基准时钟源，主要是全球定位系统导航卫星（GPS）发送的无线标准时间信号。

智能站的对时方式应用最广泛的是脉冲对时和B码对时的方式。秒脉冲的方式是有秒脉冲信号硬对时方式。其中，秒脉冲是利用GPS所输出的每秒一个脉冲方式进行时间同步校准，上升沿时刻的误差不大于1 μs。获得与UTC同步的时间精度，上升沿时刻的误差不大于3 μs。由于三相电之间互差120°，及电气设备中的元器件的原因使电流和电压之间存在一个固有的角度，从而不能达到一致的输出，无法满足测量的需要，基于此种情况，需要有时钟的同步从而使电流和电压达到固有的角度，满足设备测量的需求。

通过变电站GPS时间同步系统，可为系统故障的分析和处理提供准确的时间依据。当电力系统发生故障时，既可实现全站各系统在统一时间基准下的运行监控，也可以通过各保护动作、开发分合的先后顺序及准确时间来分析事故的原因及过程。电子式互感器的应用更需要在各个互感器同一间隔之间、不同间隔之间采取时钟同步手段保持采样同步。

由于一次电压经电子式互感器采集再转换到合并单元发出这一流程序存在延时问题，为保证电压与电流信号同步，需增加同步对时装置，以保证电压电流信号的同步，避雷器泄漏电流数字分析仪采用秒脉冲方式与主站时钟同步，以此来保证获取的信号和实际信号一致，从而保证测试数据的实时性和准确性。设备本身利用光纤与主站时钟连接，基于IEC61850通信规约，利用主站时钟发出的秒脉冲来实现和主站的时间同步。通过主站的时间同步后使数字分析仪与互感器保持同步，从而达到测试的目的，保证测量的准确性。

3.2 光电转换（数模转换）

光电转换也可称作数模转换，是把数字信号转换成模拟信号的过程。随着光电技术的不断成熟，其在智能变电站系统中的应用越来越广泛，电子式互感器就是其中之一。电子式电流（电压）互感器二次部分采用新型的电子元器件，并采用先进的电磁兼容设计，可直接与数字化仪表和智能综合测量保护装置及计算机相连，较好地解决了计算机技术对电流电压完整信息进行全过程数字化处理的要求，进而完成了对电网电气设备的在线状态监测、控制和保护。相较传统的电流、电压互感器，电子式电流互感器和电子式电压互感器具有不含铁芯、没有磁饱和、频带宽、动态测量范围大、测量准确度高、测量保护范围内完全线性、传输性能好等优点，且体积小、重量轻。特别是电流互感器二次开路不会产生高电压，二次几乎工作在开路状态，电压互感器二次短路不会产生大电流，也不会产生铁磁谐振，根除了电力系统运行中的重大故障隐患，保证了人身和设备安全。但是在变电站的设计中电子式互感器输出的信号直接到合并单元，传统的测试仪器无法直接测量合并单元的光信号，因此设计制作了此种数字分析仪。

泄漏電流数字分析仪利用光纤与合并单元连接，接收合并单元发出的数据包，利用自身的A/D转换模块，解析数据包内的数据，再利用比列系数，实时还原出接收的数字信号转换成模拟信号的输出，传统的仪器就能根据这个输出电压信号进行测量。研发一项同步电压采集装置及程序；该装置能够实现对光纤信号的接收和解码，对IEC61850 9-2通信协议的解码。

4 结语

该文以变电站电子式互感器的实际应用需求为背景，研发的一款电子式互感器数字转换，并研制全新的同步电压采集装置，具备光纤接口、光信号解码模块，以接收合并单元发出的光纤信号；增加同步对时装置的氧化锌避雷器泄漏电流数字分析仪，来进行变电站氧化锌避雷器泄漏电流的监测和分析。目前该设备已经集各种先进技术与一身，我们会根据实际使用过程中出现的问题，并结合世界一流技术进行进一步优化，以达到更加智能先进的水平。

参考文献

[1]余恒洁.数字化变电站中电能计量装置的应用[J].云南电力技术，2008（5）：64-66.

[2]陈雪莹.数字化变电站设计方案探讨[J].能源与环境，2010（3）：31-32.

[3]刘瑞.智能高压设备绝缘在线监测系统设计[J].电气技术，2014（5）：113-115.

[4] 陈子良.容性设备带电检测技术应用及在线监测装置研究[D].北京：华北电力大学，2016.