電容型高壓電氣設備絕緣在線監測的關鍵技術

李波，文婷，盧劍，周利軍

(1.廣東電網電力調度控制中心，廣州 510600;2.廣東電網公司管理科學研究院，廣州 510600;3.西南交通大學電氣工程學院，成都 610031)

1 引言

智能電網以其、自愈、兼容、經濟、集成等特點，被世界各國所重視。我國資源分布不均、煤電比重抬高、電能效益不足等問題，已使我國成為世界上智能電網的最大需求國之一

高壓電氣設備在電網中分布密度大、數量多，在電網中具有重要的地位，其運行狀況是否良好，直接關系到電力系統是否安全可靠。設備絕緣在線監測可實現高壓電氣設備絕緣在線、動態、實時的監測，將成為現代電力系統設備絕緣監測的重要手段［1-3］。

本文主要針對電網中供電系統常用的電力變壓器高壓套管、電容式電壓互感器、電流互感器和氧化鋅避雷器，設計了在線監測系統。主要設計了雙級零磁通電流傳感器，有效提高了監測精度;采用220V電源信號作為同步的技術大幅度增加了固定時間內允許測量的次數，提高了監測效率。

2 系統總體方案

變電站IEC 61850綜合自動化采用分層分布式系統，由站控層、網絡層、現場監控保護設備層(間隔層)三大部分組成。其中間隔層包括:高壓套管在線監測模塊、電壓互感器在線監測模塊、電流互感器在線監測模塊、氧化鋅避雷器在線監測模塊、變壓器鐵芯在線監測模塊、變電站溫濕度監測模塊。各現場監控保護設備直接以以太網星形組網，可靠性高，便于擴展。現場的監測模塊將采集的過程數據通過各自的私有通信協議傳輸到網關軟件模塊系統中，服務器將信息轉換成符合IEC 61850標準的信息格式和通信服務，從而實現非IEC 61850標準設備與后臺主站之間的IEC 61850標準通信功能。此外，IEC 61850通訊軟件模塊可匯集IEC 61850通信網所有信息，與遠方調控中心進行通訊連接。其結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

3 監測電路設計

所需監測量包括介質損耗角角正切(tanδ)、避雷器的阻性電流(IR)、電容量(C)，所設計的監測電路如圖2所示。

為得到電容性設備的介質損耗角角正切(tanδ)、電容量(C)和氧化鋅避雷器的阻性電流(IR)，必須無相移地精確監測絕緣泄露電流以及所施加的高電壓［4］，具體計算如式(1)所示。

式中，U、I分別為電壓和電流的有效信號，f為電流頻率，θU為電壓與參考信號的相位差，θI為電流與參考信號的相位差。

普通電流傳感器無法精確得到所需電壓和電流信號，尤其是相位差，筆者將采用零磁通電流傳感器技術，并設計了相應的采集控制電路。

圖2 在線監測系統電路圖

3.1 零磁通電流傳感器

普通單匝電流傳感器二次匝數一般在兩千匝以上時精度才能達到測量用要求，但高壓電氣設備的絕緣泄漏電流只有幾微安到幾百毫安，匝數太大將使得輸出信號很小，導致較大誤差。且由于鐵心中磁通的存在，致使所測信號具有較大相位差，不能滿足在線監測要求，為此本系統設計了雙級零磁通電流傳感器［5-7］。

圖3 雙級零磁通電流傳感器原理圖

采用的雙級零磁通電流互感器原理如圖3所示。I為主鐵心，II為輔助鐵心，主鐵心和輔助鐵心均采用鈸鏌合金，具相同的體積和磁特性，N1和N2為一次和二次繞組，分別繞在兩個鐵心、I和II上，Nu檢測繞組，NP為補償繞組，Z2為二次負荷阻抗。外加補償模塊和磁通檢測模塊均由單片機系統實現。當檢測模塊測到磁通時，補償線圈產生補償電流，鐵心II磁勢重新平衡，所需能量由鐵心I和II勵磁電流聯合提供，使鐵心中磁工作點發生變化。從而實現零磁通身度負反饋。

為了得到動態線性的補償電動勢，實現零磁通電流傳感器，利用外部電路從主鐵心或二次線圈上提取誤差信號，然后通過放大、移相、電流電壓轉換等處理，得到隨誤差動態變化的反電動勢加在互感器上，使主鐵心達到零磁通狀態。根據磁感應定律及磁路定律，如圖4所示的磁通分布可知，補償線圈的主要作用是:使副邊線圈產生與勵磁磁通(˙φ11、˙φ12)大小相等，方向相反的補償磁通(˙φ21、˙φ22)，從而使傳感器工作在零磁通狀態。

圖4 零磁通傳感器結構圖

對零磁通電流傳感器測試(負載為0Ω)，結果如表1所示，可見其角差變化小于0.4分，能滿足在線監測要求。

表1 零磁通電流傳感器檢測結果

3.2 采集控制電路

系統的特點之一是用220V供電信號作為同步信號，電流監測單元負責獲取絕緣泄露電流及其與同步信號的相位差，電壓監測單元負責獲取電壓及其與同步信號的相位差，這樣通過總線上傳的數據只有相位差和幅值，提高了固定時間內測量的次數，為剔出無效數據、提高監測精度提供了保障。

數據采集和控制系統采用數字信號處理和超大規模集成電路技術。結構框架圖如圖5所示。該系統以DSP(TMS320F206)和CPLD(XC95108PQ100)為核心，輔以外圍電路模塊，快速、有效、可靠的采集和處理數據，并實時控制系統，保證了整個系統的高質量運行。

系統采用DSP和MCS-51單片機雙CPU結構，DSP主要用于數值計算，而MCS-51則主要用于通信接口等輔助功能。選用的DSP芯片TMS320F206擁有強大數據處理能力，符合本系統的計算量大的要求。TMS320F206具有片內FLASH存儲器的器件，也是是TMS320C2xx系列中具有較多資源的器件之一，片上有高速SRAM、高速Flash、16位定時器、異步串口、同步串口和三個外部中斷，是電力系統產品開發時使用最為普遍的數字信號處理器之一。

圖5 采集控制電路

采用Xlinks公司的XC95108PQ100作為外圍接口電路的主芯片，該芯片通過鎖相環電路為DSP和A/D轉換芯片提供了標準時鐘和譯碼電路，為外圍控制電路提供了可靠的I/O接口;為單片機和DSP的通信提供通道(主要通過中斷信號來實現)。

系統采用220V電源信號作為電壓采集和電流采集的同步信號。即采集模塊同步采集220V通過互感器后的信號與微電流信號，計算得到的相位差作為計算根據。數據采集電路是數據采集和控制電路的核心，選用高性能的模數轉換器件能夠提高數據采集的精度，增強系統的抗干擾性能。AD7710是美國Analog公司Σ-Δ模數轉換器家族的一員，由于采用了Σ-Δ技術、差分技術和數字濾波技術，有很強的抗干擾能力，其分辨率可達到24bit。

通信模塊采用RS485、RS232和USB方式，RS485用于正常工作時的通信，RS232主要用于現在調試，而USB接口用于微機實時采集所采集得到的數據，便于對現場干擾信號的分析和相位差算法的改進等。USB設備控制芯片采用了美國 Cypress公司的CY7C68013—128作為USB接口主控芯片，它封裝了USB規范的大部分功能，用戶不必從底層了解復雜USB總線規范，簡化并規范了設備的開發工作。對采用RS485串口通信接口，由于現場干擾信號較強，再加上雷電、靜電放電和交流電故障等引起的通信線路過電壓瞬變，RS485通信接口必須具有很好的抗干擾能力和抗過電壓瞬變的能力，因此，其RS485驅動電路采用的是具有瞬變電壓抑制的收發器SN75LBC184。SN75LBC184片內A、B引腳有高能量瞬變干擾保護裝置，從而顯著地提高了器件的抗過電壓瞬變能力，是一種可靠、低價和簡單的設計方案。

監測所得的電壓和電流數據分別如圖6(a)和(b)所示。采用加窗FFT和相關系統算法，根據圖6(a)計算得到式中的θI，根據圖6(b)可得θU。

圖6 單次檢測的數據

圖7 用于變壓器套管監測單元布置圖

4 現場運行

系統已經在我國近百個變電站投運，具有較好的效果。由于傳感器均采用穿心式傳感器，對高壓電氣設備的運行不會產生任何的影響。圖7為系統在某線牽引變電所變壓器套管在線監測系統地電流監測單元。從表2可見，監測數據有效。

表2 主變壓器高壓套管介質損耗tanδ

5 結束語

特高壓、超高壓的投運和智能電網的快速發展設對高壓電氣設備的絕緣可靠性提出了更高要求。實施絕緣狀態檢測是提高設備可靠性，保障運營安全的有效方法之一。本文所設計的在線監測系統主要用于監測電力系統中常用的變壓器高壓套管、電容式電壓互感器、電流互感器，以及氧化鋅避雷器，系統采用了雙級零磁通電流傳感器和220V電源信號作為同步的技術，有效提高了監測精度;大幅度增加了固定時間內允許測量的次數。該在線監測系統已經在我國多條高速客運專線投入使用，運行結果表明具有很好的效果。

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