电容式电压互感器绝缘在线监测系统设计与应用

黄火明

摘 要：电网的安全运行关乎着人们的切身利益，为了确保电容式电压互感器安全可靠的运行，本文针对电容式电压互感器设计出绝缘在线监测系统，并提出了电容式电压互感器在线监测的方案以及建立电容式电压互感器等值电路，进而推论出介质损耗角正切值和电容量的电力计算公式，具体分析了绝缘性能在线监测系统的设计，主要包括电流信号采集电路、电压信号采集电路和A/D采样电路等等。此监测系统已在我国某省500kV变电站实施挂网运行，其在线监测结果也验证了在线监测系统监测的精准度与有效性。

关键词：电容式电压互感器;在线监测;介质损耗

1.引言

电容式电压互感器是电容分压器与电磁单元组合成的电器设备。电容式电压互感器不仅绝缘性能优质，而且抗雷电的冲击能力也比较强，所以电容式电压互感器一般都用在110千伏及110千伏以上的变电站。电容式电压互感器在使用过程中，其电容量的变化、绝缘性能的衰退、介质损耗等等，这些因素都会直接造成电容式电压互感器的测量结果，从而影响到其他继电保护的性能。因此，需要工作人员定时监测电容式电压互感器的绝缘性能。但定时监测也存在着缺陷，比如，定时检查的时效性相对较差等等。所以，利用网络对电容式电压互感器的绝緣性能进行在线实时监测，预防并及时检测出故障，以此确保电力设备的安全运行。

2.绝缘在线监测方法

电容式电压互感器的绝缘性能监测接线图（图1所示），T1是被监测的电容式电压互感器，T2是与电容式电压互感器相同位置的母线PT，被监测的电量为主电容电流i2和母线PT二次电压u0。电容式电压互感器等值电路图（图2所示）。由于电容式电压互感器中间变压器励磁电流的阻抗Zm大于承载的阻抗能力Z2，因此电容式电压互感器简化等值电路图（图3所示）。图中KU1 为电容分压器开路中间电压，分压系数K= C1/（C1+C2）;分压器的内阻抗力XC = 1/[ω（C1+C2）];T1包括补偿电抗器的感抗和电阻抗力分别为Xd= XL+XT1+XT2和Rd = RL+RT1+RT2。Z2是二次绕组折算到高压侧的电阻抗力。

3.在线监测系统的设计

我国变电站自动化系统主要是由站控层、间隔层、过程层组合而成。过程层把相关的电力数据传输到间隔层进行数据分析，然后把收集到的所有信息转换为标准信息并上传到网络层的交换机上，最后服务器通过网络层的交换机实现在线监测。此外，服务器通过局域网将监测的所有信息远传至相关单位，以便进行数据统计、分析和研究。

3.1电流信号采集电路

第二次普通单匝线圈电流传感器的测量需要达到二千匝以上才能测量出准确度，但电容式电压互感器的主电容电流只有毫安级，因匝数过大使二次输出的信号较弱，而且容易受到一些干扰。因铁芯中磁通量的存在，导致电流传感器所测量的信号存在误差，不可以达到在线监测的要求。因此，本系统使用了没有磁通量的电流传感器来采集泄露电流。没有磁通量的电流传感器利用叠加在主互感器上的辅助互感器提供反电动势来补偿阻抗产生的压降，致使主互感器不需要磁通量提供电动势就可实现没有磁通量。相比之下，有源式没有磁通传感器具有简单、可靠性高的特点。

3.2 电压信号采集电路

电压互感器的第二次电压固定额度的输出值是57.7伏，而一般的A/D芯片所能承受的电平范围在0～+3伏，所以需要转换成相对较低的电压才可以传输到A/D进行采集。本文先是通过使用高精度铂电阻进行分压，然后在通过电压跟随器将信号送往A/D，此外，还使用了隔离电源的设计，以此来确保电压变换时的精准度和信号阻隔。分压时的电阻力使用的是0.01级无感高精度铂电阻力分压，来实现大电压转换为小电压，确保电压信号转换过程中的稳定性。因分压电阻力时会出现一样的温度系数，所以导致整个电路对温度系数的变化不够敏感。在经过了铂电阻力分压以后的信号驱动能力相对较弱，不能直接传输给A/D进行数字转化，而是需要高精度仪用放大器对信号驱动能力进行有效的加强并放大。

3.3 A/D采样电路

本文使用的是ADI公司生产的AD7606半导体，它实现了对前端电流信号采集电路、电压信号采集电路输出信号进行模数转换。AD7606可描述为16位、8通道同步采样，最高采样率可达200 kSPS 的数据采集系统。片上集成了模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位逐次逼近型ADC内核、数字滤波器、2.5 V 基准电压源及缓冲、高速串行和并行接口。此外AD7606集成了高输入阻抗的调理电路，其等效输入阻抗为1 MΩ。该输入阻抗值固定，与采样的频率无关，保证了A/D采样的精准度。AD7606使用了5 V单电源供电，并同时支持了±5V的双极性信号输入，加强了简化电路的设计。采用ADI的ADR441B作为 A/D 的外置基准。AD441B 具有超低噪声 1.2 μV p-p、超低温漂3 ppm/℃和初始精度2.5 V±1 mV的特性。此外，数据监测装置的内部集成温度传感器，可以进行实时监测主板的工作温度，软件可利用该温度参数对数据进行补偿，进一步确保其测量数据的准确度。为了保证信号的隔离和芯片安全，A/D芯片采用隔离供电，A/D芯片与CPU的通讯采用高速光耦隔离。

4.现场运行

此监测系统已在我国某省500千瓦的变电站实施了500千瓦线路间隔电容式电压互感器和母线PT进行了挂网运行，其应用效果良好。因电流传感器使用的是穿心式电流互感器，不会对运行设备产生影响。电压信号采集使用的是增加加空开、钳位保护电路以及隔离电源等多重的有效保护措施，以此确保监测故障的情况不影响电容式电压互感器的安全运行。

5.结束语

随着我国电网的发展，电容式电压互感器的运用也在电力工程中越来越多，电容式电压互感器的绝缘性能关乎着我国电网的安全运行和计量的正确性。利用电容式电压互感器实施绝缘检测不仅是提高电力设备的可靠性，还是确保电网安全运行的有效方法之一。基于此，本文给出了电容式电压互感器的在线监测方案，以期为我国电网提供参考意义。

参考文献

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