一種采用納米微晶材料的電流互感器在容性設備絕緣在線監測中的應用

2016-11-03 08:34:32李海峰葛猛孫世廣

中國新通信 2016年19期

李海峰葛猛孫世廣

【摘要】變電站容性設備的絕緣狀態關系到電網的安全運行，絕緣在線監測是一種保障一次設備運行安全的技術手段，同時可以為狀態檢修提供輔助決策。本文作者長期從事在線監測技術研究，對目前國內絕緣在線監測技術發展的現狀以及存在的問題作了系統分析，提出了改進傳感器以提高在線監測系統檢測精度和數據一致性的設計思路。容性設備泄漏電流信號微弱，變電站電磁環境復雜，加之電網中高次諧波的作用，導致電流傳感器的輸出信號在耦合及傳輸過程中畸變過大，難以準確反映設備的絕緣狀態，因此普通電流互感器的性能難以滿足絕緣監測的要求。作者提出了一種采用新型納米微晶材料的電流互感器以改善傳感器性能的設計方法，從提高信號源質量的角度改善目前絕緣在線監測系統普遍存在的檢測精度差、數據分散性大的缺陷。

【關鍵詞】容性設備絕緣在線監測介質損耗因數泄漏電流電流互感器納米微晶材料

一、容性設備絕緣在線監測的現狀

變電站容性設備的絕緣狀態關系到電網的安全運行，絕緣在線監測是一種保障一次設備運行安全的技術手段，同時可以為狀態檢修提供輔助決策。容性設備的泄漏電流中包含了阻抗角、容性電流、阻性電流、等值電容量等表征設備絕緣狀態的特征參數，因此對泄漏電流實施在線監測可以獲取設備的絕緣狀態參數，據此判斷設備的健康狀態[1]。

容性設備的泄漏電流信號微弱，變電站電磁環境復雜，加之電網中高次諧波的作用，這些因素對測量結果的影響很大，因而對電流傳感器的性能提出了很高的要求。普通電流互感器的輸出信號在變電站復雜電磁環境下的耦合及傳輸過程中畸變過大，難以準確反映設備的絕緣狀態。雖然目前數字信號處理技術及相關硬件平臺已比較成熟，但由于普通電流傳感器的性能難以滿足以上要求，導致很多已投運的絕緣在線監測系統普遍存在測量精度差、數據分散性大的缺陷，系統難以發揮作用[2]。歸納起來，在線監測系統目前還存在以下幾方面問題函待解決：

1）電流互感器一致性差，導致監測數據重復性差、分散性大，難以準確反映設備健康狀態；

2）長期運行穩定性差，外部的強電磁干擾和環境影響如溫濕度的變化等導致監測數據波動較大，某些情況下引發系統誤報警；

3）抗干擾能力差，弱信號在復雜電磁環境下的耦合及傳輸容易造成信號畸變，導致測量結果不夠穩定[3]；

綜上分析，傳感器的性能很大程度上影響了在線監測系統效能的發揮，因此提高傳感器性能、改善信號源質量對于提升在線監測系統的效能成為比較可行的途徑。

二、容性設備絕緣在線監測的檢測原理

以電容型電壓互感器（CVT）為例，依據其內部構造及電氣原理進行分析[1]，可建立其等效電氣模型如圖1所示。

圖1中：C1——高壓電容；C2——中壓電容；L1——中壓變壓器一次繞組；L2——補償電抗器；I1——容性電流；I2——中壓變壓器空載電流；Ir——阻性電流；R——等效介質電阻；Ix——全電流；U1——高壓電容分壓；U2——中壓電容分壓；Ux——運行電壓

據設備等效電氣模型分析，設備的介質損耗因數tgδ可采用采用正弦參數分析法進行計算，正弦參數分析法應用了三角函數的正交性，信號的采樣頻率fs為信號頻率f的整數倍時滿足三角函數正交性須具備的條件。由圖1可知，設備泄漏電流信號Ix、中壓電容C2分壓抽頭輸出信號U2（參考電壓）的采樣須采用同步信號采樣技術，該部分由高速同步采樣硬件實現。

三、納米微晶電流互感器

電流互感器工作在變電站復雜的電磁環境中，容性設備的泄漏電流正常情況下比較小，根據其等值電容量大小泄漏電流一般為5～500mA，介質損耗角δ一般不大于0.1度，設備末屏接地扁鐵的寬度通常為20mm左右（如圖2所示），因此要求互感器具有較高的精度和一致性，同時要求互感器的角差盡可能小。綜上分析，在互感器磁芯的選取上應注意以下幾點：

1、用于互感器的磁芯必須在極弱的磁場下具有極高的磁導率，對于5mA左右的泄漏電流（電容型套管的典型泄漏電流值），作用于磁芯上的磁場強度只有萬分之幾奧斯特（Oe），比通常的0.1級精度的互感器磁芯工作磁場小一個數量級，因而對互感器磁芯材料的選取提出了很高要求；

2、采用較粗的漆包線繞制次級線圈，以降低線圈的直流電阻，有利于提高精度；

3、合理確定磁芯尺寸，磁芯尺寸過大，降低了工作磁場，增大了線圈直流電阻，影響互感器精度；而磁芯尺寸過小，造成線圈的阻抗過小，不利于互感器精度的提高；

4、對互感器采取有效的屏蔽保護措施。

目前常用的電流互感器磁芯材料主要有軟磁合金1J50、1J79（坡莫合金）、1J85（鐵鎳合金）系列等，新型納米微晶材料因其良好的導磁性能近年來也得到了廣泛應用[5]，為了驗證弱磁場下的導磁性能，研制單位采用1J85和納米微晶分別試制兩組各100只外形尺寸相同的磁芯：內徑32mm，外徑50mm，寬20mm，對兩種磁芯在弱磁場下的磁化特性進行了比對測試，其磁化特性曲線可知，在弱磁場下，納米微晶磁芯的導磁性能明顯高于常規軟磁合金磁芯[6]。在完成上述測試的基礎上，將兩種磁芯采用直徑0.28mm漆包線在全自動環形繞線機上均繞制500匝，并將線圈浸漆絕緣處理，采用日本產27ZH100硅鋼片對線圈進行屏蔽，裝入外殼，環氧灌封處理。在初級一匝、次級空載時測試其弱信號傳輸性能（測試點取電容型套管的典型泄漏電流值：1～5mA），測試數據可看出，納米微晶互感器的線性度明顯優于普通軟磁合金互感器。

四、現場運行情況

2014年10月納米微晶傳感器應用于福建福清供電公司某110kV變電站2#主變套管絕緣在線監測項目，并實時監測套管絕緣數據。經調取運檢部門于2013年底對該主變110kV側套管實施的停電預試數據，現場實測數據和停電試驗數據基本吻合，系統運行效果達到了預期目標。

五、結論

納米微晶電流互感器對系統性能的改善主要表現在以下兩個方面：

1）突破普通電流互感器應用于絕緣在線監測場合的局限性，提高絕緣在線監測系統的檢測精度和數據一致性；

2）改善絕緣在線監測傳感器在變電站強電磁干擾環境下長期工作的穩定性，減少信號畸變。

目前納米微晶電流互感器已經在國內多座變電站的絕緣在線監測系統中得到推廣應用，運行情況良好，取得了非常好的經濟效益和社會效益。