容性设备绝缘在线监测技术研究

【摘要】容性设备绝缘状况会对电力系统安全运行产生较大影响，必须采用绝缘在线监测技术及时发现容性设备的绝缘缺陷，以便为容性设备的状态检修奠定基础。文章在简要概述容性设备绝缘在线监测技术研究现状的基础上，基于理论与实践相结合视角对其进行了深入研究，提出容性设备绝缘在线监测技术方案，这对电网的安全运行具有重要意义，也可为具体实践提供参考。
【关键词】容性设备;绝缘在线监测
容性设备是电力系统的重要组成部分，主要包括电容器，电容式绝缘套管，电流互感器，电容式电压互感器，耦合电容器等。容性设备是由多个电容元件相串联而成的电气设备，其在长期的运行中会由于化学腐蚀、表面污秽、机械应力、系统过电压等因素而降低绝缘性能，会导致这些容性设备内部出现各种缺陷，内部缺陷的逐渐扩大，最终可能会造成绝缘击穿，进而影响电力系统的正常、稳定运行，甚至带来经济损失和安全事故，因此，必须通过绝缘在线监测技术及时掌握容性设备的绝缘状况，以便采取相应措施加以维护，这不仅对容性设备状态检修具有参考作用，对电力系统的安全运行也具有重要的意义。
1.容性设备绝缘在线监测技术研究现状
容性设备的绝缘由电介质构成，在电压作用下会产生介质损耗tanδ，当损耗达到一定程度后，就会出现电击穿。介损tanδ仅与绝缘材料的介电特性有关，与尺寸和形状无关，且实践经验表明，测量介损可以灵敏地发现容性设备的整体受潮、绝缘劣化和集中性的局部缺陷，因此准确地测量出设备的介损因数tanδ可有效的判断容性设备的绝缘状况。另外，容性设备泄漏电流I、介质电容量C两个参数也能如实的反映设备的绝缘状况，通过测量以上三个特征量基本可全面掌握容性设备的绝缘状况。
近年来，随着诸多新技术的不断应用，容性设备绝缘在线监测技术方面的研究正在走向深入。在信号采集方面，高精度传感器技术在绝缘在线监测系统的应用影响监测值的准确性，甚至决定了整个系统的有效性。在信号处理方面，由于介损tanδ是非常重要的介电特征参数，迅速、准确地进行数字化测量介损可为准确的故障诊断奠定基础。这两种技术是目前容性设备绝缘在线监测技术应用的关键，因此本文将总结这两种技术的研究现状，以便对其做出改进。
1.1 小电流信号采集技术
容性设备的末屏接地电流信号蕴含着绝缘状态的基本信息，而末屏接地电流通常只有毫安级，因此准确地提取微电流信号对实现绝缘在线监测至关重要。当前，国内主要采用穿心式结构的微电流传感器提取容性设备的末屏接地电流，此种电流传感器不必改变一次设备的接线方式，也能避免设备过电压带来的直接冲击，但易受电磁干扰，需要在实践过程中加以注意。
1.2 介损数字化测量技术
正常情况下容性设备的介损是一个微小值，对测量方法要求很高。目前提出的介损值测量方法主要有硬件和软件两种方式。硬件方式主要通过过零比较法，即根据电压、电流过零点的时间差或两个归一化后的信号在过零点附近的幅值差得到的相角差，进一步获得介损因数。过零比较法易受谐波、噪声、直流分量、零漂等因数的影响，因
此对过零点的准确测量提出了很高的要求。基于软件的算法调节和抗干扰的方式有着灵活以及准确度高的优点，是测量tanδ的主流方式。目前，在线测量介损的软件处理常用传统谐波分析法，但频谱泄漏和栅栏效应会大大影响介损tanδ计算时相位分析的准确性，在实际应用过程中有必要进行改进。
2.容性设备绝缘在线监测系统
容性设备绝缘在线监测技术在实际应用过程中必须通过绝缘在线监测系统才能实现，因此，线监测系统的构建是主要环节。首先必须解决传统介损数字测量方法存在不足，本文提出改进型谐波分析法，即采用加Hanning窗的全波傅立叶算法对tanδ进行在线监测，在解决了基于改进的谐波分析法介损值测量技术问题后，从以下几个技术方面构建合理、有效的容性设备绝缘在线监测系统。
2.1 绝缘在线监测系统结构
由于绝缘在线监测系统的工作环境比较恶劣，因此系统的硬件应看重器件的灵敏度、准确度和抗干扰能力。笔者提出一种基于DSP的容性设备绝缘在线监测系统。此系统的工作原理是：由三个微电流传感器和三个电压传感器测量容性设备的三相电流及三相电压值，对信号进行放大滤波处理后输出0～3V的电流电压信号，经16位A/D数模转换器采集，转换后的数字信号传输给DSP芯片，并利用基于加Hanning窗插值的全波傅里叶算法计算tanδ。测量结果通过CAN总线连接，传输至信息管理系统，构成分层分布式结构。
2.2 绝缘在线监测系统硬件技术
如上文所述，绝缘在线监测技术应用过程中信号采集技术是非常重要一个部分，这就要求硬件技术要以传感器的科学选择为重点。主要包括电流传感器的选择和电压互感器的选择两个方面。
（1）电流传感器的选择。微电流传感器的角差和比差将影响测量容性设备泄漏电流的幅值和相位，影响介损测量精度。而且，由于介损参数的幅值很小，因此对传感器的性能提出一些更高要求。在电力系统中，为保障系统的良好运行，一般不允许监测类设备改变原设备的接线方式，因此常选用穿心式传感器。穿心式传感器直接套装在被测设备的信号通道上（如接地线），不改变设备原有的接线方式，能起到良好的电气隔离的作用。但在实践过程中，穿心式传感器容易受到强电磁的干扰。因此，穿心式传感器测量时需要进行抗干扰处理。
（2）电压传感器的选择。电压传感器的要求为：良好的线性度和温度稳定性，同时实现电气隔离。应用过程中，电压传感器的原边连接到电压互感器（TV）二次侧，幅值一般为100V，而且电压传感器一般安装在被测设备的机箱内，因此对电压传感器的抗干扰能力及制作工艺要求比电流传感器有所降低。本文选用精密微型电压互感，该电压互感器适用于绝缘在线监测系统，可减小测量误差。另外，为了提高电压传感器对高电压的隔离能力，可以采取在在线监测系统前端装置与PT二次侧电缆线之间安装保险管，也可以在传感器输出电路上安装稳压装置，防止过电压的产生，有效的隔离被测系统与在线监测系统的互相影响。
2.3 绝缘在线监测系统软件技术
要想实现准确测量介损值，并通过绝缘诊断策略准确地评估设备的绝缘状态，除了精密的硬件外，还需要能有效协调并控制硬件装置工作的软件程序。在设计容性设备绝缘在线监测系统的软件程序时，尤其要重视程序本身的高效、简洁及可扩展性，才能使在线监测系统快速、准确地判断设备的绝缘状态。容性设备绝缘在线监测系统的软件设计主要采用模块化设计，模块化设计不但简化了代码量，而且提高了程序的高效及可扩展性。主要可分为系统控制主程序、中断服务子程序、CAN通讯程序、数据分析及诊断子程序以及图形界面等五大模块内容。通过软件的合理设计，使得绝缘在线监测系统的硬件部分能在软件的控制下进行有效的介损在线监测。
3.结语
实验证明，基于改进的谐波分析法介损值测量技术的容性设备绝缘在线监测方案具有较高的测量精确度，能够应用于实践。但在实践过程中，还要注意绝缘故障诊断方面的研究，唯此才能使容性设备绝缘在线监测技术走向成熟。
参考文献
[1]严璋.电气绝缘在线检测技术[M].北京：中国电力出版社，1995.
[2]章伟聪，戴征武，张文祥.基于DSP的分布式容性设备绝缘在线监测系统[J].电测与仪表，2009（13）.

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