高压容性设备绝缘性能在线监测系统的设计.pdf

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1、http:/ -1-高压容性设备绝缘性能在线监测系统的设计高压容性设备绝缘性能在线监测系统的设计 韩珍1，刘骥2，单茂华2 1东南大学电气工程学院，南京（210018）2国电南瑞科技股份有限公司，南京（210003）E-mail： 摘摘 要：要：介绍了基于谐波分析法的高压容性设备绝缘性能在线监测的原理及分布式硬件设计的思路，并根据测量精度的要求具体分析了传感器单元、就地装置及同步采样的软、硬件设计，最后进行了试验，结果表明文中提及的设计方法是有效的。关键词：关键词：在线监测，就地装置，分布式硬件技术，同步采样 中图分类号：中图分类号：TM83 1.引引 言言 电气设备有绝缘材料和导电材料及结构

2、材料构成。变电站高压电容型设备是指电流互感器(CT)、电压互感器(PT)、耦合电容器，他们和避雷器合称变电站小四器，在变电站高压设备中占有相当大的比例。早期采取的是事后维修的方式，即使用设备直到它发生故障后进行维修，因此，对于大型设备，发生突发性事故将造成巨大损失。其后，发展为对电力设备进行定期试验和维修，即预防性维修。传统的定期预防性检测通常为断电，离线进行，影响了生产。已有的电力电容器在线诊断技术集中于对电容量、介质损耗角的测量，检测结果滞后于故障的发生，且检测结果并不理想。介质损耗角正切（即tan）是一个能够准确表征绝缘性能的重要指标，并在长期的离线检修中作为一重要的检测项目。对于理想的

3、无介质损耗电力设备绝缘，流经绝缘的电流i的相位超前绝缘两端电压u的相位/2rad。对tan有介质损耗的电力设备绝缘，电流i的相位超前电压u的相位小于/2rad，介质损耗角/2=。在介质损耗因素监测研究的几年中，先后采用了过零点时差法、正弦波参数法、谐波分析法、高阶正弦拟合算法、波形积分测量法及相关函数法等几种数字化的介损测量算法，谐波分析法以其较好的抗干扰性和稳定性成为目前较为理想的一种检测手段1。2.谐波分析法的基本原理谐波分析法的基本原理 在系统运行电压作用下，流经电容型设备接地线的电流为毫安级的泄漏电流，其向量关系如图 1。当绝缘介损发生变化时，介损角随之变化，也相应改变，因此，通过监测

4、可以可以达到监测介损的目的，介损监测问题即转化为相角差的测量问题。但是，介损角通常很小，这就要求测量装置应具有很高的测量精度。而且当很小时，介损因素tan。xI&cI&u&图 1 运行电压和泄漏电流的向量关系 http:/ -2-传感器将泄漏电流信号xi转换为一个幅值较高的电压信号xu，从 PT 低压侧抽取运行电压信号0u。xu和0u分别与波形采集装置将两个不同的通道相连接。谐波分析法的基本测量过程是：首先由波形采集装置的xu和0u的时域波形同步地转换为数字波形并储存，然后计算机将两个数字波形调入内存，用离散傅立叶变换求出两个信号的基波：000()sin()muu tUt=+（1）()sin(

5、)xxmuxu tUt=+（2）再根据传感器的输出输入特性，由式（2）求出泄漏电流的表达式：()sin()xxmixi tIt=+（3）最后，由式（3）和式（1）可以求出介质损耗因素：0()tan2ixu=（4）谐波分析法的原理基于傅立叶变换，由于三角函数的正交性，傅立叶变换求解电压和电流的基波时不受高次谐波的影响，也不受仪器电子电路所产生零漂的影响，因此可以达到比较高的稳定性和测量精度2。3.在线监测系统的总体设计在线监测系统的总体设计 本在线监测系统在结构体上采用“分层分布式”结构，由传感器、就地测量、站控层、远方局控四层组成，如图 2 所示。运用精密电流传感器测量容性设备的泄漏电流和参考

6、电压，在就地测量层，所有监测量进行就地数字化，并通过现场总线实现全数字化传输，到后台分析诊断。图 2 分布式在线绝缘监测系统的结构 3.1 传感器单元传感器单元 传感器是绝缘在线监测与分析系统的输入端，其性能的优劣对整个系统的测量准确性、稳定性、可靠性以及后续的绝缘状态分析诊断都起着决定性的作用。微电流传感器要实现对绝缘泄漏电流的带电测量,必须要满足两个基本要求3：(1)能够适应测量微电流的要求，灵敏度高，最小电流可达 级；(2)在测量范围内动态特性好，有较好的线性度，输出的波形不畸变，即在有效测量范围之内，一、二次电流有确定的比例关系和相位关系。运行中电容型设备的 tan 多为 0.0010

7、.02，的阈值约为 0.01，因此 测量误差的绝对值应0.0010.002。这就要求传感器角度误差的绝对值应小于 3.43 分。http:/ -3-母线电压从主控室或 PT 端子箱二次侧计量/测量绕组获取。为保证继电保护和测量仪表的安全运行，在 PT 二次电压引出线上加装一组 5A 快速空气开关及带快速熔断保护的 PT二次信号取样端子，至 PT 参考电压传感器及信号调理模块。PT 参考电压传感器及信号调理模块通过高精度隔离 PT 获取 PT 参考电压信号。为进行取样保护，除了在隔离 PT 二次侧设置快速熔断保险外，在隔离 PT 二次侧设置保护限流电阻。3.2 就地装置就地装置 就地测量装置整体

8、体系类似与DSP智能CAN网卡的结构，结构如图3。其中，DSP子系统主要负责数据采集控制及数据处理功能；智能CAN网卡是一个以MCU为核心的子系统，主要负责任务管理和通信任务管理；PLL及同步控制子系统负责全站同步及同步采样功能；A/D采样子系统负责采样功能。PLL同步方式2脉冲A/D智能CAN卡DSP双口RAM采样触发方式选择同步方式1脉冲watchdogRAMFLASH传感器模拟信号脉冲整形脉冲整形介损标准接入220V AC信号调理 图 3 就地测量装置硬件结构 为精确地测量介质损耗角，就必须保证就地测量装置的采集速率及精度。例如介质损耗角测量误差的绝对值指标若设定为0.001，采集系统的

9、AD转换位数应该在十位以上。以目前电力监控装置常用的14位A/D转换器为例，其满度电压10V，双极性方式工作，则A/D转换的分辨率为0.61mV，最大量化误差为0.305mV，最大相角误差约为0.00958%，远小于0.1%。因此14位完全满足介质损耗的测量的要求。本系统的AD转换芯片选用了MAX125，量程-5V+5V，则最大量化误差为+0.305mV，最大相角误差为0.00958%，单通道转换速率为3s，并能实现24路同时采样保持，因此能同时采集三相电压、电流的信号，避免了双路采样的孔径时间和器件间相互影响而引起的误差，满足了介质损耗的测量精度和速度的要求。扩展了64K16位FLASH，4

10、K8 位双口RAM，32K8 位SPI存储器，1M16位静态RAM，可缓存4048个工频周波(以每周波256点计)，完全满足了多路介质损耗测量测量对存储空间的要求。数字频谱分析最基本的方法是离散傅立叶变换（DFT），直接用该方法对谐波分析法进行误差分析比较复杂，且效率较低。该系统的DSP芯片采用定点TMS320F243，指令周期只有50ns，采用改进的哈佛结构，支持分离的程序总线和数据总线，从而使其处理能力得到最大程度的优化，指令集和硬件方面都支持饱和计算、舍入和移位，内部集成了完善的外围设备，包括5种外部中断，3个16位的定时器，3个单比较单元和3个全比较单元的事件管理器，1个串口通信接口模

11、块等等，满足了FFT算法的硬件要求。DSP 子系统主要完成信号的采集控制、数字滤波、容性设备介质损耗因数、等值电容以及谐波电流计算等功能。图 4 列出了 DSP 子系统的工作流程图。http:/ -4-图 4 就地装置 DSP 工作流程图 3.3 同步控制系统同步控制系统 就系统每个测量装置来说，在对电压、电流信号进行离散化采样时，采样频率必须与被测信号频率的波动同步。采样装置只有实现整周期采样，才能准确分析正弦信号频谱，否则就会出现泄漏现象，使计算的频谱尤其是相位，有较大的误差，并影响最终的介损测量准确度。但在运行现场，实际系统的电源频率常在50Hz左右波动，这就必须调整采样频率，保证能够按

12、照信号周期的整数倍长度进行信号采样。本系统对波动的电源频率信号进行锁相倍频跟踪的方法。支持三种同步测量模式，即外部采样脉冲同步（同步模式 1）；外部触发脉冲同步（同步模式 2）；Can 采样命令同步（同步模式 3）。前两种启动方式都有由同步采样控制系统发出的脉冲，以实现同步采样。同步采样脉冲支持总线传输方式和光纤传输两种模式，其频率根据站控主机的指令可调整选择。为保证同步采样可靠，同步采样脉冲具有实时在线诊断功能。鉴于 MCU 主要负责任务管理和通信任务管理，在设计时，原则上考虑选用低价位的处理器。主 MCU 芯片采用 P8xC591，片内内置 CAN 控制器，完全履行 CAN2.0B 规范，

13、还具有 CAN 的扩充特性，其中包括增强型验收滤波器支持系统、维护诊断系统优化以及接收FIFO 特性，MCU 借此可以很方便地实现通讯功能。图 5 列出了 MCU 子系统的工作流程图。上电/复位DSP系统初始化与MCU通讯调试校准过程子系统自检采集初始化报警处理同步脉冲采集采集非同步报警处理数据处理、计算向MCU子系统回送采样值及计算值调试校准采集异常正常异常正常、模式1正常、模式2http:/ -5-上电/复位/唤醒检测CAN口及485口485口发调试指令调试及校准过程就地采集装置初始化与站断主机通讯地址冲突检测冲突处理流程就地采集装置自检报警处理流程配置采集及计算参数采集模式外触发CAN触

14、发同步数据处理及上送有效性判断结束本次采集 图 5 MCU 工作流程图 4.在线监测系统硬件平台的试验在线监测系统硬件平台的试验 试验引入低压介损测量标准设备来考核该系统，该设备能产生三相具有不同初相角的电压、电流信号(相角输出精度为0.01%)，并且频率在45Hz55Hz可任意调节，完全满足了介损测量就地装置的技术要求。设定介损测量标准设备电压输出幅值 20V，初相角 0，频率 50Hz；电流输出 10mA，初相角 89.50，频率 50Hz，则等同于介质损耗角正切 tan 为 0.00872。图 6 列出了装置连续7 天的测量结果，其中每天测量 10 次，每次采样数据为 4 个周波，每个周

15、波 256 采样点。该图还示出了这一个星期的测量变化曲线，其中最大值 0.00878，相对误差 0.69%，最小值0.00864，相对误差 0.92%，第 8 栏是平均值 0.00871，方差为 0.0063%，可见测量结果比较准确的，其衡量测量稳定性的方差指标达到了 0.11%。00.51系列1系列2系列10.8690.8750.8780.8650.8650.8780.8640.87057系列20.1160.0970.1190.1230.1120.1050.1130.1121412345678 图 6 装置连续 7 天的测量结果（系列 1：均值*10-2；系列 2：方差*10-2）5.结论结

16、论 http:/ -6-本系统是一套目前设计比较完善、综合考虑因素较全、采用模式较为先进的容性设备绝缘性能在线监测系统，文章提出了分布式硬件设计的思路，并根据测量精度的要求具体分析了传感器单元、就地装置及同步采样的软、硬件设计，最后进行了试验研究，结果表明文中提及的设计方法是有效的。参考文献参考文献 1 黄建华，金园，何青：电容型设备绝缘在线监测系统及其选用原则.高电压技术.2001.Vol27,No5,p13-p19 2 陈鹏云，贺景亮，赵生和等绝缘介质损耗因数在线监测的研究高电压技术，1994 年，Vol.20 No.4：p36-p38 3 刘会家,蒋秀洁,李宁：绝缘测量用微电流传感器研究

17、.三峡大学学报(自然科学版),2001.12,Vol23,No6,p521-p524 A Design of On-Line Monitoring Measurement System on Insulation Performance of HV Capacitive-Type Equipment Han Zhen,Liu Ji,Shan Maohua Department of Electrical Engineering,Southeast University,Nari Technology Development Limited Company Abstract In this pa

18、per,on-line monitoring system,based on harmonic analysis,on insulation performance of HV capacitive-type equipment is introduced,the indexes of a distributed hardware technology are narrated.And based on metrical precision,the current sensor,subterranean equipment and synchronous sampler are analyzed.Finally,the results of experiment proved that the methods came up in this paper are effective.Keywords:on-line monitoring,subterranean equipment,distributed hardware technology,synchronous sampler.