總線(xiàn)式變電站絕緣在線(xiàn)監測系統的研究

1　概述

目前我國對高壓設備的絕緣監督依據《電氣設備預防性試驗規程》定期進(jìn)行試驗和維護。由于預防性試驗通常不考慮設備的運行狀況，到期必修，有效性和靈敏度低，不能完全適應電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟、穩定運行需求。據不完全統計，1985～1990年間全國有80%的變壓器事故是在預防性試驗合格的情況下發(fā)生的。因此，迫切需要維修方式從傳統的以時(shí)間為基準轉變到以狀態(tài)為基準的狀態(tài)檢修方式。目前電氣設備的狀態(tài)維修(CBM)在電力系統中已愈來(lái)愈受到重視，電氣設備絕緣在線(xiàn)監測技術(shù)作為實(shí)行狀態(tài)維修的前提，已成為近年來(lái)國內外高壓領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1～4]。實(shí)踐表明，在線(xiàn)監測高壓設備的絕緣參數，既可及時(shí)發(fā)現潛伏性故障、防止重大絕緣事故、提高供電可靠性，又可減少設備停電試驗和維護的盲目性。 　

以往的絕緣在線(xiàn)監測系統多數采用集中處理方式，即通過(guò)屏蔽電纜將被測信號引入系統主機，然后由主機進(jìn)行集中循環(huán)檢測和數據處理。由于一次信號很小，經(jīng)傳感器耦合后被測參數受模擬量傳輸過(guò)程中引入的干擾影響很大，測量結果的有效性和穩定度不能保證。隨著(zhù)計算機技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，可采用總線(xiàn)式結構的絕緣在線(xiàn)監測系統，現場(chǎng)監測單元除了具備信號提取，還具備信號的預處理、數字化和處理功能，真正實(shí)現絕緣參數的分散式測量，本文將對此進(jìn)行研究。

2　測量原理

2.1　變壓器 　

理論分析表明，氫氣是反映變壓器故障的特征氣體[5]。變壓器在運行過(guò)程中所發(fā)生的許多絕緣故障，如：鐵芯多點(diǎn)接地、局部短路、接觸不良等過(guò)熱型故障和放電型或受潮型故障，均有氫氣產(chǎn)生，通過(guò)在線(xiàn)監測變壓器油中溶解的氫氣，便可有效地發(fā)現變壓器的潛伏性故障;另外，通過(guò)對鐵芯接地電流的在線(xiàn)監測可以發(fā)現變壓器鐵芯的多點(diǎn)接地故障。

2.2　電容型設備

對于變壓器套管、電流互感器(CT)、電容式電壓互感器(CVT)以及耦合電容器等電容型設備，通過(guò)測量介質(zhì)損耗(tanδ)及電容量，可較為靈敏地發(fā)現設備的絕緣缺陷。實(shí)現電容型設備介質(zhì)損耗參數在線(xiàn)檢測的關(guān)鍵是如何準確獲得并求取電流信號和電壓信號基波的相位差。由于傳統的過(guò)零比較法硬件電路復雜，抗干擾性能差，本文采用以快速傅里葉變換(FFT)為核心的純數字方法，利用兩個(gè)高精度電流傳感器耦合被監測設備的電壓和電流信號，然后由數字化測量系統對信號進(jìn)行整周期采樣(A/D)及快速傅立葉變換，以獲得這兩個(gè)信號的基波矢量及其相位差，從而計算出介質(zhì)損耗值。該方法不需要復雜的模擬信號處理電路，且能有效地抑制諧波干擾。

2.3　避雷器

在運行狀態(tài)下監測氧化鋅避雷器(MOA)阻性電流分量的變化是判定閥片劣化或受潮程度的更為有效和靈敏的方法。對氧化鋅避雷器阻性電流分量的監測，本文采用了與電容型設備類(lèi)似的方法，通過(guò)對母線(xiàn)電壓信號和MOA泄漏電流信號的FFT分析，可求得阻性電流的基波分量。

2.4　表面泄漏電流及環(huán)境溫濕度的測量 　環(huán)境溫濕度是影響絕緣參數的重要外部因素，通過(guò)對環(huán)境溫度、濕度等常規氣候參數的監測，結合設備瓷套表面泄漏電流的監測可以判斷設備外部絕緣的污穢程度，有助于提高在線(xiàn)監測數據診斷結果的可靠性。

3　總線(xiàn)式監測系統

3.1　結構 　

圖1為總線(xiàn)式絕緣在線(xiàn)監測系統的結構示意圖。該系統由3部分組成：本地監測單元(LC)、變電站通信控制器(SC)和絕緣診斷系統(IDS)。

3.2　本地監測單元

所有的本地監測單元均由取樣傳感器模塊、信號調理及A/D采樣模塊、嵌入式微機模塊和RS485通信及電源管理模塊構成，其結構示意圖如圖2所示。信號經(jīng)傳感器耦合后直接進(jìn)行預處理和采集，數字信號的分析和處理以及通信功能均由本地監測單元在現場(chǎng)完成。

3.2.1信號傳感器 　

傳感器直接影響絕緣參數的測量精度，對電容型設備設計了補償型零磁通電流傳感器來(lái)提高小電流檢測的精度。選用起始導磁率高、損耗小的坡莫合金作鐵芯，并采用深度負反饋補償技術(shù)對鐵芯的激磁磁勢進(jìn)行全自動(dòng)補償，使鐵芯工作在接近理想的零磁通狀態(tài)，同時(shí)對線(xiàn)圈進(jìn)行了良好的雙層屏蔽，從而有效地提高了傳感器角差和比差的穩定性，并使傳感器具有良好的溫度特性。

3.2.2　嵌入式微機模塊 　

嵌入式微機模塊是本地監測單元的核心。采用新一代32位微處理，它包含個(gè)人計算機的絕大部分外設并增添了單片機的特征，能夠完成復雜的數學(xué)運算非常適合于嵌入式系統。本系統以32位CPU為核心，設計了嵌入式微機系統，既適合于現場(chǎng)測量，又具備強大的數據處理及端口控制功能，使得信號的處理功能非常簡(jiǎn)單，從而使現場(chǎng)監測的就地化得以實(shí)現。 　

值得說(shuō)明的是，傳統的絕緣監測系統通過(guò)屏蔽電纜將被測信號引入系統主機，然后進(jìn)行檢測及數據處理。由于一次信號很小，經(jīng)傳感器耦合后，模擬量傳輸過(guò)程中引入的干擾對測量結果影響很大，這是造成在線(xiàn)監測系統測量分散性大的根本原因之一。本地監測單元中傳感器的輸出信號不需要遠距離傳輸，采用就地采集和處理，極大地提高了系統的抗干擾能力和測量的穩定性。

3.3　變電站通信控制器 　

變電站通信控制器通過(guò)RS485總線(xiàn)控制LC工作狀態(tài)和讀取LC的監測數據，通過(guò)公用通信網(wǎng)絡(luò )與絕緣診斷系統進(jìn)行數據通信。 　RS485總線(xiàn)是一種通用的現場(chǎng)通信總線(xiàn)，它是一種雙向、多點(diǎn)、數字化的通信模式，具有良好的抗干擾性能和遠距離傳輸功能，能適合變電站范圍的通信需求。圖3為絕緣監測系統的通信網(wǎng)絡(luò )結構示意圖。

變電站通信控制器只需通過(guò)一對485通信總線(xiàn)(通常用雙絞線(xiàn))就可掛載所有本地測量單元。雖然LC均具有獨立的采集、信號處理、測量功能，但它的測量又受到SC的控制。SC按照一定的時(shí)間和任務(wù)序列與LC通信，啟動(dòng)LC的數據采集系統，完成對絕緣參數同步測量的要求，讀取各個(gè)LC的測量數據及狀態(tài)信息。如果其中某臺LC故障，SC可將它從網(wǎng)絡(luò )中卸載，增加或減少1個(gè)本地測量單元均不會(huì )影響系統的工作狀態(tài)。這樣就可真正實(shí)現絕緣參數的分散式就地測量和整個(gè)系統的總線(xiàn)式通信。

3.4絕緣在線(xiàn)診斷系統(IDS) 　基于NT平臺的絕緣在線(xiàn)診斷系統通過(guò)公用通信網(wǎng)自動(dòng)獲得變電站的監測數據，以SQLServer作為數據庫服務(wù)器，分析各參數的變化趨勢及其相關(guān)性，對各設備的運行和絕緣狀況進(jìn)行綜合診斷，指導設備的運行和維護。

4現場(chǎng)運行結果 　

由于在線(xiàn)監測數據會(huì )受到如PT電壓基準、環(huán)境、運行方式、電壓波動(dòng)等多種因素的影響，假定設備的絕緣狀況是良好的，對于電容型設備的電容量和MOA的泄露電流等參數在線(xiàn)監測得到的數據是非常穩定的，而對于電容型設備的介損和MOA的阻性電流在線(xiàn)監測得到的數據會(huì )在一定范圍內波動(dòng)。 　

從如圖4、圖5所示的測量結果可見(jiàn)，電容型設備的介質(zhì)損耗和避雷器的阻性電流等監測參數在每天都發(fā)生周期性變化。通過(guò)分析可知，數據的變化是由于環(huán)境溫濕度變化的影響造成的，環(huán)境溫濕度每天有周期性的波動(dòng)(見(jiàn)圖6)。監測參數與環(huán)境溫濕度顯示了很強的相關(guān)性，可以通過(guò)分析二者之間的相關(guān)性來(lái)分析設備的絕緣狀況。另外，對于同類(lèi)型的高壓設備，由于被監測參數與環(huán)境溫濕度的相關(guān)性是一致的，可根據這個(gè)原則對數據進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

環(huán)境濕度對監測數據的影響主要是通過(guò)瓷套表面的泄漏電流反映的(見(jiàn)圖7)。例如，由于避雷器瓷套外表面的泄漏電流會(huì )進(jìn)入到檢測回路，當瓷套表面污穢且環(huán)境潮濕或淋雨時(shí)，瓷套表面流過(guò)的電流會(huì )導致阻性電流監測結果明顯偏大;同樣，瓷套表面電流也會(huì )對部分容性設備的介損監測結果造成一定的影響。 　

從以上的分析可知，監測系統測得的在線(xiàn)數據是真實(shí)可靠的，數據雖然有一定的波動(dòng)，但有其內在的原因，并不是監測系統本身造成的。這也反映了在線(xiàn)監測數據的特點(diǎn)，說(shuō)明有必要建立在線(xiàn)專(zhuān)家診斷系統，對在線(xiàn)監測數據進(jìn)行綜合分析，以判斷運行中設備的絕緣狀況。

5 結語(yǔ) 　

提出了基于嵌入式微機系統的RS485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構的絕緣在線(xiàn)監測系統。信號的提取、采集處理和分析計算都由現場(chǎng)微機單元獨立完成，實(shí)現了絕緣監測的就地化。 　研究結果表明，由于對絕緣參數實(shí)現了就地測量，避免了小信號的遠距離傳輸，解決了在線(xiàn)監測的數據分散性問(wèn)題，使系統測量的穩定性和抗干擾能力明顯提高。