電容式電壓互感器絕緣在線監測系統設計與應用

黃火明

摘 要：電網的安全運行關乎著人們的切身利益，為了確保電容式電壓互感器安全可靠的運行，本文針對電容式電壓互感器設計出絕緣在線監測系統，并提出了電容式電壓互感器在線監測的方案以及建立電容式電壓互感器等值電路，進而推論出介質損耗角正切值和電容量的電力計算公式，具體分析了絕緣性能在線監測系統的設計，主要包括電流信號采集電路、電壓信號采集電路和A/D采樣電路等等。此監測系統已在我國某省500kV變電站實施掛網運行，其在線監測結果也驗證了在線監測系統監測的精準度與有效性。

關鍵詞：電容式電壓互感器;在線監測;介質損耗

1.引言

電容式電壓互感器是電容分壓器與電磁單元組合成的電器設備。電容式電壓互感器不僅絕緣性能優質，而且抗雷電的沖擊能力也比較強，所以電容式電壓互感器一般都用在110千伏及110千伏以上的變電站。電容式電壓互感器在使用過程中，其電容量的變化、絕緣性能的衰退、介質損耗等等，這些因素都會直接造成電容式電壓互感器的測量結果，從而影響到其他繼電保護的性能。因此，需要工作人員定時監測電容式電壓互感器的絕緣性能。但定時監測也存在著缺陷，比如，定時檢查的時效性相對較差等等。所以，利用網絡對電容式電壓互感器的絕緣性能進行在線實時監測，預防并及時檢測出故障，以此確保電力設備的安全運行。

2.絕緣在線監測方法

電容式電壓互感器的絕緣性能監測接線圖（圖1所示），T1是被監測的電容式電壓互感器，T2是與電容式電壓互感器相同位置的母線PT，被監測的電量為主電容電流i2和母線PT二次電壓u0。電容式電壓互感器等值電路圖（圖2所示）。由于電容式電壓互感器中間變壓器勵磁電流的阻抗Zm大于承載的阻抗能力Z2，因此電容式電壓互感器簡化等值電路圖（圖3所示）。圖中KU1 為電容分壓器開路中間電壓，分壓系數K= C1/（C1+C2）;分壓器的內阻抗力XC = 1/[ω（C1+C2）];T1包括補償電抗器的感抗和電阻抗力分別為Xd= XL+XT1+XT2和Rd = RL+RT1+RT2。Z2是二次繞組折算到高壓側的電阻抗力。

3.在線監測系統的設計

我國變電站自動化系統主要是由站控層、間隔層、過程層組合而成。過程層把相關的電力數據傳輸到間隔層進行數據分析，然后把收集到的所有信息轉換為標準信息并上傳到網絡層的交換機上，最后服務器通過網絡層的交換機實現在線監測。此外，服務器通過局域網將監測的所有信息遠傳至相關單位，以便進行數據統計、分析和研究。

3.1電流信號采集電路

第二次普通單匝線圈電流傳感器的測量需要達到二千匝以上才能測量出準確度，但電容式電壓互感器的主電容電流只有毫安級，因匝數過大使二次輸出的信號較弱，而且容易受到一些干擾。因鐵芯中磁通量的存在，導致電流傳感器所測量的信號存在誤差，不可以達到在線監測的要求。因此，本系統使用了沒有磁通量的電流傳感器來采集泄露電流。沒有磁通量的電流傳感器利用疊加在主互感器上的輔助互感器提供反電動勢來補償阻抗產生的壓降，致使主互感器不需要磁通量提供電動勢就可實現沒有磁通量。相比之下，有源式沒有磁通傳感器具有簡單、可靠性高的特點。

3.2 電壓信號采集電路

電壓互感器的第二次電壓固定額度的輸出值是57.7伏，而一般的A/D芯片所能承受的電平范圍在0～+3伏，所以需要轉換成相對較低的電壓才可以傳輸到A/D進行采集。本文先是通過使用高精度鉑電阻進行分壓，然后在通過電壓跟隨器將信號送往A/D，此外，還使用了隔離電源的設計，以此來確保電壓變換時的精準度和信號阻隔。分壓時的電阻力使用的是0.01級無感高精度鉑電阻力分壓，來實現大電壓轉換為小電壓，確保電壓信號轉換過程中的穩定性。因分壓電阻力時會出現一樣的溫度系數，所以導致整個電路對溫度系數的變化不夠敏感。在經過了鉑電阻力分壓以后的信號驅動能力相對較弱，不能直接傳輸給A/D進行數字轉化，而是需要高精度儀用放大器對信號驅動能力進行有效的加強并放大。

3.3 A/D采樣電路

本文使用的是ADI公司生產的AD7606半導體，它實現了對前端電流信號采集電路、電壓信號采集電路輸出信號進行模數轉換。AD7606可描述為16位、8通道同步采樣，最高采樣率可達200 kSPS 的數據采集系統。片上集成了模擬輸入箝位保護、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位逐次逼近型ADC內核、數字濾波器、2.5 V 基準電壓源及緩沖、高速串行和并行接口。此外AD7606集成了高輸入阻抗的調理電路，其等效輸入阻抗為1 MΩ。該輸入阻抗值固定，與采樣的頻率無關，保證了A/D采樣的精準度。AD7606使用了5 V單電源供電，并同時支持了±5V的雙極性信號輸入，加強了簡化電路的設計。采用ADI的ADR441B作為 A/D 的外置基準。AD441B 具有超低噪聲 1.2 μV p-p、超低溫漂3 ppm/℃和初始精度2.5 V±1 mV的特性。此外，數據監測裝置的內部集成溫度傳感器，可以進行實時監測主板的工作溫度，軟件可利用該溫度參數對數據進行補償，進一步確保其測量數據的準確度。為了保證信號的隔離和芯片安全，A/D芯片采用隔離供電，A/D芯片與CPU的通訊采用高速光耦隔離。

4.現場運行

此監測系統已在我國某省500千瓦的變電站實施了500千瓦線路間隔電容式電壓互感器和母線PT進行了掛網運行，其應用效果良好。因電流傳感器使用的是穿心式電流互感器，不會對運行設備產生影響。電壓信號采集使用的是增加加空開、鉗位保護電路以及隔離電源等多重的有效保護措施，以此確保監測故障的情況不影響電容式電壓互感器的安全運行。

5.結束語

隨著我國電網的發展，電容式電壓互感器的運用也在電力工程中越來越多，電容式電壓互感器的絕緣性能關乎著我國電網的安全運行和計量的正確性。利用電容式電壓互感器實施絕緣檢測不僅是提高電力設備的可靠性，還是確保電網安全運行的有效方法之一。基于此，本文給出了電容式電壓互感器的在線監測方案，以期為我國電網提供參考意義。

參考文獻

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