電阻取樣傳感器在電容型設備在線監測系統中的應用

韓 月,高 強,張軍陽

（東北電力科學研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006）

電力系統高壓電力設備按絕緣結構分類,電容型設備占有很大部分[1-2],其中包括電流互感器、套管、耦合電容器、電容式電壓互感器等。目前,電容型設備在變電站占40%～50%,其安全運行直接影響電力系統的安全、穩定和經濟運行。

根據相關統計數據,近年來隨著電網電壓等級和設備容量的增大,電容型設備中電流互感器和套管的故障率明顯增高,如何在狀態檢修模式下真實、可靠地實時在線監測電容型設備的絕緣狀態已受到廣泛關注。

隨著計算機技術和數字測量技術的不斷發展,很多設備的在線監測技術已逐漸走向成熟。多年來電容型設備在線監測系統普遍采用穿心式電流傳感器來測量介損和電容量。由于測量精度要求苛刻、現場電磁場、溫度、濕度等干擾因素的影響,被測信號極易受到干擾,測量結果一直不理想。盡管目前可以通過相對介損和趨勢判斷排除一部分外界干擾,但并未解決實質性問題。選擇精度高、穩定度好、抗干擾能力強的取樣傳感器仍是目前在線監測研究的方向。

1 傳統穿心式取樣傳感器

監測電容型設備絕緣情況必須采集設備末屏的泄漏電流信號[3],通過對泄漏電流信號取樣進一步監測介損等其他絕緣參數。泄漏電流信號非常微弱,一般為mA級。目前國內主要采用傳統穿心式電流傳感器來測量泄漏電流。為了不改變設備原有的接線方式,現場安裝時直接將穿心式電流傳感器套裝在被測設備的末屏回路中。這類傳感器的設計原理與變壓器相似,一次繞組和二次繞組電流之比近似地與其匝數成反比,如圖1所示。

圖1 穿心式電流傳感器示意圖

穿心式電流傳感器的優點是采用信號提取方式將測量電路與主電路隔開（不直接連接）,使二次測量設備及計算機免受主電路中過電壓的直接沖擊。但穿心式電流傳感器存在鐵心磁阻,在傳變電流過程中消耗部分電流用于激磁使鐵心磁化,造成電流傳感器一次電流和二次電流之間存在相角差。由于高壓電容型設備絕緣參數的介質損耗角小于1°,正切值為0.2%～0.3%。該相角差會對高壓電容型設備絕緣參數的監測產生很大影響。

為了使泄漏電流輸出和輸入信號間的誤差盡量小,采用了多種誤差補償方式,希望穿心式電流互感器的磁通接近0。但由于穿心式電流傳感器長期工作在強電磁場環境中（多應用在戶外）,容易受電磁場、溫度、濕度等因素干擾,很難達到理想的抗電磁干擾能力。

目前,泄漏電流取樣傳感器的性能已成為影響電容型設備絕緣參數測量精度及絕緣狀態分析診斷可靠性的主要瓶頸。

2 電阻取樣傳感器結構

鑒于穿心式電流傳感器存在的缺陷,本文設計了一種高性能泄漏電流取樣傳感器,徹底解決了模擬信號在采樣過程中的失真問題。

電阻取樣傳感器對電容型設備的末屏電流信號采用電阻取樣（在電容型設備的末屏與地之間串聯取樣電阻Rs）。電阻取樣傳感器主要由1個鑄鋁盒和1塊取樣電路板組成。固定在鑄鋁盒內部的取樣電路板由取樣電路和保護電路并聯構成,如圖2所示。當電容型設備泄漏電流信號取樣時,將刀閘拉開后通過取樣電路板獲取泄漏電流。正常運行時合上短路接地刀閘即可。

3 電阻取樣傳感器保護電路設計

為保證被測設備的安全、防止末屏開路,取樣電路采用2～3個線繞式大功率電阻與取樣電阻Rs并聯,并加裝了通流能力較強的陶瓷氣體放電管。

變電站內的電氣設備（特別是變壓器）在投切操作期間,將產生較強的對地沖擊電流,接地電位瞬間升高,不同的接地位置之間存在較高電壓。為保證取樣電阻能夠承受過電壓和過電流的沖擊,保護電路采取了浪涌抑止和吸收裝置等安全措施。保護電路包括二級、三級,氣體放電管一般放在線路輸入端,作為一級保護器件,承受較大的浪涌電流。二級保護器件采用TVS（Transient Voltage Suppresser）,在皮秒級時間內對浪涌電壓產生響應,把瞬間過電壓控制在一定水平。

4 電阻取樣傳感器現場應用

目前,電容型設備電阻取樣傳感器已在東北地區4個變電站的變電設備在線監測系統中應用,實現了對電流互感器和套管等電容型設備的介損、電容量、泄漏電流等參數的監測。經過2年多現場應用,取樣電路板放電管動作多次,未發生電阻開路的情況,能夠很好地承受過電壓和過電流的沖擊,抗干擾能力強,證明了該種取樣方式的有效性和安全性,符合現場實際應用的要求。

2008年安裝的萬寶變電站電容型設備在線監測均采用了電阻取樣方式。2009年3月16日～4月16日,監測系統獲得220 kV寶蘭線電流互感器的電容量和絕對介損波動范圍為：A相（835～840 pF;0.45～0.6）,B相（846～851pF;0.17～0.37）,C相（839～843 pF;0.07～0.23）。如圖3、圖4所示。

通過對現場多個變電站電容型設備的實際應用,證明了這種電阻取樣方式的有效性、安全性和可靠性。

[1] 李亞偉,劉 念,潘志強,等.電容型設備的故障診斷技術[J].四川電力技術,2006,（10）：57-60.

[2] 梁國文,劉文舉.電容型設備在線監測裝置現狀分析及建議[J].華北電力技術,2002,（10）：41-44.

[3] 單 平,羅勇芬,李彥明,等.零磁通型高精度微電流傳感器[J].高電壓技術,2002,28（5）：28-29.