高壓設備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)

1、變電站高壓設備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)技術說明二八年八月一、系統(tǒng)概述（一）監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構變電站高壓設備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)采用總線控制技術，它由安裝在變電站內(nèi)的測量監(jiān)控系統(tǒng)和安裝在后臺管理中心的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)兩個部分組成，通過網(wǎng)絡可把若干個變電站監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集到上層的數(shù)據(jù)管理診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)對多個變電站內(nèi)的高壓設備絕緣在線監(jiān)測。絕緣監(jiān)測系統(tǒng)通常由用戶計算機、變電站中央監(jiān)控器和若干個本地測量單元構成，其結構框圖如圖所示。其中：1、本地測量單元：安裝在變電站被監(jiān)測設備的運行現(xiàn)場，種類及數(shù)量可根據(jù)監(jiān)測要求確定。目前可提供的本地測量單元可對變壓器套管、電流互感器，電壓互感器，耦合電容器的介損及電容量和末屏

2、電流、避雷器的阻性電流及全電流等絕緣參數(shù)進行監(jiān)測。并以總線通訊方式，通過一根定制的雙絞電纜把監(jiān)測數(shù)據(jù)以數(shù)字形式傳送到變電站中央監(jiān)控器。2、變電站中央監(jiān)控器：安裝在變電站控制室或監(jiān)測設備現(xiàn)場，每臺中央監(jiān)控器提供的通訊總線上最多可掛載100多個本地測量單元。中央監(jiān)控器能夠通過總線控制各個本地測量單元的工作狀態(tài)，讀取測量數(shù)據(jù)及異常信息，獲得反映設備絕緣狀態(tài)的特征參量，并按照下列方式保存各個設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，等待上層的用戶計算機進行訪問。最近1小時內(nèi)的12組數(shù)據(jù)（每5分鐘形成一組新的監(jiān)測數(shù)據(jù)）；最近7天內(nèi)的168組數(shù)據(jù)（每小時形成一組新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)）；最近1年內(nèi)的360組數(shù)據(jù)（每天形成一組新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)）。

3、3、用戶計算機：安裝在局內(nèi)的信息管理部門，可通過局域網(wǎng)與其它的終端計算機進行數(shù)據(jù)交換。普通的電腦只要安裝了專用數(shù)據(jù)庫管理軟件，即可通過“Modem+公共電話網(wǎng)”的通訊方式讀取各個變電站中央監(jiān)控器的監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理軟件能夠對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析判斷，自動篩選出絕緣參數(shù)異常的電氣設備，及時發(fā)出狀態(tài)預警信號，同時提供包括參數(shù)變化趨勢圖在內(nèi)的相關信息，以便管理人員作出更為精確的診斷。（二）監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵部件監(jiān)測系統(tǒng)的研制成功，很大程度上得益于高精度的電流傳感器及先進的數(shù)字處理系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設計結構，所有的本地采樣單元均由取樣傳感器模塊、信號調理及A/D采樣模塊、嵌入式微處理器模塊和通訊及電源管

4、理模塊構成，互換性強，便于批量生產(chǎn)及現(xiàn)場維修。1、高精度的電流傳感器模塊電流傳感器是監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵部件，直接影響電容型設備介損耗參數(shù)參數(shù)的測量精度。為保證信號取樣的安全性，通常應采用穿芯結構的零磁通電流傳感器。零磁通電流傳感器的工作原理可用下式表示：I1W1+ I2W2= I0W1，其中激磁磁勢I0W1的存在是造成傳感器誤差的主要原因。降低鐵芯激磁磁勢的傳統(tǒng)方法是采用截面較大、磁路較短的高導磁鐵芯，并適當增加二次線圈的匝數(shù)。由于電容型設備末屏電流通常為毫安級信號，傳感器的激磁阻抗很小，而且又必須采用穿芯取樣方式，故傳統(tǒng)的無源傳感器通常無法保證相位變換誤差的精確度和穩(wěn)定性，難以滿足介損參數(shù)的測量

5、要求。采用有源零磁通設計技術是提高小電流傳感器檢測精度的唯一途徑。監(jiān)測系統(tǒng)采用了先進的自動補償式電流傳感器，除了選用起始導磁率較高、損耗較小的坡莫合金作鐵芯處，還采用了獨特的深度負反饋補償技術，能夠對鐵芯的激磁磁勢進行全自動補償，保持鐵芯工作在接受理想的零磁通狀態(tài)。長期使用經(jīng)驗表明，這種穿芯結構（穿芯孔徑為30mm）的電流傳感器能夠準確檢測50A650mA范圍內(nèi)的工頻電流信號，相位變換誤差不大于0.01,并具有極好的溫度特性和抗電磁干擾能力,徹底解決了對電容型設備末屏電流信號精確取樣的技術難題。如果需要檢測電壓信號，只要通過無感電阻預先把電壓信號轉化為電流信號即可。表1：電流傳感器技術指標技術

6、指標精度測量條件比差絕對比差 0.01%波形：正弦信號頻率：50 10Hz電流：50A650mA 溫度：-2550非線性度 0.005%溫度特性50PPM角差絕對角差 0.01非線性度 0.005溫度特性 0.0052、信號調整及A/D采樣模塊信號調理及A/D采樣模塊是監(jiān)測系統(tǒng)的重要部件，能夠同時測量4個輸入通道的交流或者直流電壓信號，并具備極強的通道擴展功能。3、DSP嵌入式微處理器模塊DSP嵌入式微處理器模塊是監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件，具備強大的數(shù)據(jù)處理及端口控制功能，并采用8M容量的固態(tài)電子盤（DiskOnChip）作為硬盤。絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的信號處理模塊采用目前性能最優(yōu)良的32位數(shù)字信號處理芯片

7、，TI公司的TMS320F2812 DSP芯片，并根據(jù)其特點精心設計了DSP核心及外圍電路，對2812的功能進行了充分的擴展并預留相應的功能擴展接口，可以滿足絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的需要.4、通訊及電源管理模塊通訊及電源管理模塊是監(jiān)測系統(tǒng)的基本部件，具備如下功能：含有AC/DC開關電源模塊，能夠向其它提供5V及15V工作電源；提供一個光電隔離的通訊接口，可掛載多個通訊接點。（三）監(jiān)測系統(tǒng)的性能特點由于監(jiān)測系統(tǒng)采用全分布式現(xiàn)場總線結構，并在傳感器設計、信號采樣及處理等方面取得突破性的進展，與以往的監(jiān)測系統(tǒng)相比，監(jiān)測系統(tǒng)具備如下特點：1、配置靈活監(jiān)測裝置采用分布式結構：可根據(jù)需要在中央監(jiān)控器提供的通訊總線上

8、掛接不同類型及數(shù)量的本地測量單元，即在每臺或每組被監(jiān)測設備的附近安裝本地測量單元，可就地把被測的電氣信號變成數(shù)字量，并通過數(shù)字化的通訊總線傳送到系統(tǒng)主機，較好地解決了模擬信號的長距離傳輸問題，并且具有較強的抗沖擊性能。2、安裝維護簡便采用現(xiàn)場通訊總線，所有本地測量單元均安裝在被測設備的下方，通過1根4芯屏蔽電纜（其中1對為通訊，另外1對提供220V工作電源）聯(lián)接所有的測量單元；施工安裝簡單，所有單元和傳感器均不需要在現(xiàn)場校正。測量單元的安裝不會影響一次設備的安全運行。本地測量單元采用模塊化設計結構，采用了完全相同的硬件結構如取樣用的電流傳感器，具備高度的通用性和互換性，可在設備帶電運行的條件下

9、對包括傳感器在內(nèi)的所有部件進行維修或更換。 3、測量安全，數(shù)據(jù)準確可靠在對PT二次信號進行取樣時，通過就近安裝的基準電壓測量單元實現(xiàn)，并采取可靠的多重保護措施，確保在任何情況都不會造成PT二次回路短路；監(jiān)測CT、套管等容型設備時，采用穿心式電流傳感器取樣，并安裝特殊保護裝置；取樣安全可靠；在監(jiān)測氧化鋅避雷器時，在取樣回路中安裝高頻阻尼裝置，取樣方式不會影響原有計數(shù)器的計數(shù)功能；所有的本地測量單元均具備嚴格的自檢功能，測量數(shù)據(jù)全部采用數(shù)字通訊方式傳輸，克服了長距離傳輸模擬信號所導致的信號失真問題，采用高精度的電流傳感器和先進的數(shù)字處理及傳輸技術，徹底解決了電容型設備介損測量的精度及穩(wěn)定性問題。4

10、、功能齊全監(jiān)測裝置具備遠程監(jiān)控、分析功能，可通過局域網(wǎng)和電話線實時獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動進行故障診斷和異常報警，并可顯示及打印出相關曲線和表格。監(jiān)測裝置具備實時自檢功能，可在管理中心的計算機上給出明確的故障信息。監(jiān)測數(shù)據(jù)將自動存入SQL Servers2000數(shù)據(jù)庫，可保存10年以上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并可方便地與MIS系統(tǒng)融合。（四）監(jiān)測系統(tǒng)的技術指標表3：絕緣狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要技術指標設備名稱監(jiān)測參數(shù)測量范圍測量精度母線PT電壓母線電壓110kV500kV0.5%諧波電壓3、5、7次2%系統(tǒng)頻率4560Hz0.01%電容型設備末屏電流50A650mA0.5%介質損耗-50%50%0.05%等值電容30p

11、F0.3F1%MOA避雷器泄漏電流70A100mA0.5%阻性電流70A100mA0.5%容性電流70A200mA0.5%二、測量原理（一）容型設備的介損及電容量測量容型設備是指絕緣結構采用電容屏的電氣設備，主要包括耦合電容器、套管、電流互感器（CT）以及電容式電壓互感器（CVT）等，數(shù)量約占變電站電氣設備的40%，其絕緣狀態(tài)的好壞將直接影響整個變電站的安全運行，電力部門每年需要花費大量的人力物力對其進行預防性檢修，迫切需要開展絕緣在線監(jiān)測工作。國內(nèi)外經(jīng)驗表明，通過測量介質損耗tg及電容量Cx，可較為靈敏地發(fā)現(xiàn)電容型設備的絕緣缺陷，目前所有的在線監(jiān)測系統(tǒng)均把該項目作為重點測量的對象。要實現(xiàn)電容

12、型設備介質損耗參數(shù)的在線檢測，關鍵技術是如何準確獲得并求取兩個工頻基波電流信號的相位差。傳統(tǒng)的方法是采用過零比較技術，通過計數(shù)器方式獲得兩個信號的時間差，然后再根據(jù)信號周期的大小轉換成相位差。該方法需要采用復雜的硬件結構，對濾波器（濾除3次及以上的諧波）和過零比較器的工作穩(wěn)定性要求極高，難以保證測量精度的長期穩(wěn)定性。鑒于該監(jiān)測系統(tǒng)采用了嵌入式計算機系統(tǒng)，具備極強的數(shù)學運算功能，故專門設計和使用了一種以快速傅里葉變換（FFT）為核心的純數(shù)學方法，來準確求取兩個被測電流信號基波分量的相位差?；緶y量原理如圖所示：利用兩個高精度電流傳感器（CT），把被測電流信號Ix、In變換為電壓信號Ux、Un，然

13、后由數(shù)字化測量系統(tǒng)對信號進行整周期采樣（A/D）及快速傅立葉變換（FFT）處理，獲得這兩個信號的基波向量及其相位夾角ph(x-n)。如果不考慮電壓互感器（PT）的相位失真問題，則可方便地計算出電容型設備Cx的介質損耗Tan值。與以往的相位對零比較法相比，該方法的最大優(yōu)點是不需要復雜的模擬信號處理電路，長期工作的穩(wěn)定性得到保證，且能有效抑制諧波干擾影響。實測表明，即使被測電流信號中的諧波信號含量與基波含量相當，也不會對介質損耗結果造成影響。電容型設備的介損測量通常需要選用母線電壓作為相位測量的基準。傳統(tǒng)的處理方式是把母線PT的二次側電壓信號直接提供給檢測系統(tǒng)，其主要缺點是現(xiàn)場布線復雜，模擬信號在

14、長距離的傳送過程中易受電磁場干擾的影響，有可能導致介損測量結果失真。借助于先進的現(xiàn)場總線控制技術和高精度的相位測量技術，監(jiān)測系統(tǒng)提出并采用了一種新穎的相位比較測量方式，較好地解決了基準電壓信號的取樣問題，能夠大大減少現(xiàn)場布線的工作量。監(jiān)測系統(tǒng)對電容型設備Tan參數(shù)的測量，是由電容型設備測量單元和基準電壓測量單元共同實現(xiàn)。監(jiān)測系統(tǒng)具體采用的測量方法如上圖所示：母線PT的二次電壓信號Un經(jīng)過電阻R變換為電流信號In，由安裝在PT下方的本地測量單元LC1進行檢測，電容型設備Cx的末屏電流信號Ix則由本地測量單元LC2檢測。在中央監(jiān)控器SC的控制下，兩個本地測量單元LC1及LC2的信號采集系統(tǒng)同時啟動

15、，對傳感器輸出的模擬電壓信號同步進行采樣及FFT變換處理，得到輸入信號Un及Ux相對于220Vac工作電源Us的基波相位Ph(n-s)和Ph(x-s)。中央監(jiān)控器SC只需通過CAN通訊總線讀取LC1、LC2對應的相位測量結果，即可計算出電容型設備末屏電流信號Ix相對于母線電壓Un的相位差Ph，從而獲得介質損耗Tan和電容量Cx等參數(shù)。該方法對數(shù)字測量系統(tǒng)要求較高，其中，本地測量單元的同步采用控制技術和采樣量程及采樣頻率的精確設定是保證介損測量精度的關鍵。（二）避雷器設備的全電流及阻性電流測量氧化鋅避雷器（簡稱MOA）是近十年來廣泛使用的一種新型過電壓保護設備，具有非常好的非線性特性。由于氧化鋅

16、避雷器不帶串聯(lián)間隙，閥片的特性很可能會因長期承受系統(tǒng)運行電壓的作用而逐漸劣化。此外，避雷器密封結構不良造成的內(nèi)部元件受潮或污穢，也是危害安全運行的重要因素。因此，監(jiān)測運行中MOA的工作狀況，準確判斷其劣化或受潮程度，是運行部門十分關心和重視的問題。運行狀態(tài)下氧化鋅避雷器阻性電流分量的變化，是判定閥片劣化或受潮程度的有效方法。近年來的研究成果表明，用阻性電流的基波分量來評定MOA的小電流特性更為合理，因為：在正弦波電壓作用下，MOA的阻性電流中含有基波和高次諧波，基波電流發(fā)熱作功，諧波電流不發(fā)熱也不作功；即使在各種MOA阻性電流值相等的情況下，由于其阻性電流基波分量與諧波分量所占比例的不同，發(fā)熱

17、作功的情況也會存在較大的差異；MOA端電壓中的諧波分量可從幅值和相位兩個方面影響阻性電流的測量結果，但對阻性電流基波分量影響不大；阻性電流的基波分量可有效地反映MOA內(nèi)部元件受潮、污穢等故障。該系統(tǒng)對氧化鋅避雷器阻性電流基波分量的監(jiān)測，采用了與電容型設備類似的方法，由避雷器測量單元和基準電壓測量單元共同完成。其具體測量方法如上圖所示：母線PT的二次電壓信號Un經(jīng)過電阻R變換為電流信號In，由安裝在PT下方的本地測量單元LC1進行檢測，MOA的工頻泄漏電流信號Ix則由本地測量單元LC2通過高頻阻尼電感L從計數(shù)器JS的兩端獲得。在中央監(jiān)控器SC的控制下，兩個本地測量單元LC1及LC2的信號采集系統(tǒng)

18、同時啟動，對傳感器輸出的模擬電壓信號進行同步采樣及FFT變換處理，得到輸入信號Un及Ux相對于220Vac工作電源Us的基波相位Ph(n-s)和Ph(x-s)。中央監(jiān)控器SC只需通過CAN通訊總線讀取LC1、LC2相應的相位測量結果，即可計算出MOA泄漏電流信號Ix相對于母線電壓Un的相位差Ph。如果不考慮避雷器相間的電磁干擾問題及瓷套表面泄漏電流的影響，則可方便地獲得阻性電流的基波分量峰值Ir等參數(shù)。三、結構特征（一）數(shù)據(jù)庫管理及診斷軟件絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理及診斷軟件主要包括如下幾個功能模塊，可以在任何一臺安裝了Windows NT系統(tǒng)的計算機上運行。1、中央數(shù)據(jù)庫模塊中央數(shù)據(jù)庫是一個建立在Microsoft SQL Server上的大型數(shù)據(jù)庫，應用程序可通過ODBC接口命令或SQL專用命令來訪問數(shù)據(jù)庫內(nèi)容。管理軟件的所有數(shù)據(jù)都是以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結構存放在中央數(shù)據(jù)庫之中。2、數(shù)據(jù)遠程收集模塊數(shù)據(jù)遠程收集模塊通常是一個后臺運行程序，其基本功能是通過調制解調器（Modem）定時從各個變電站的中央監(jiān)控器中讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并登錄在中央數(shù)據(jù)庫中。此外，該模塊還提供IE瀏覽器訪問功能，用戶可通過普通的撥號上網(wǎng)方式訪問監(jiān)測系統(tǒng)。3、數(shù)據(jù)查詢分析模塊數(shù)據(jù)查詢分析模塊可為操作人員提供友好的圖形操作界面，能夠在變電站電氣接線圖中反映出被監(jiān)測設備的分布情況和監(jiān)測參數(shù)的異常情況，提供