在線監(jiān)測(cè)容性設(shè)備損耗的方法研究

在線監(jiān)測(cè)容性設(shè)備損耗的方法研究

0電介質(zhì)及內(nèi)壓電液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理電子表格器主要指電流傳感器、電壓傳感器、套筒、耦合容量等。電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ),而電氣設(shè)備(尤其是高壓設(shè)備)事故大部分是絕緣損壞引起的,因此及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)絕緣存在缺陷,對(duì)于保障電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要意義。為確保電力系統(tǒng)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行,人們根據(jù)過(guò)去長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)研究逐步確立了一些預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目,這些預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目發(fā)揮了一定的積極作用。但現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行規(guī)程要求定期對(duì)電氣設(shè)備停電進(jìn)行絕緣預(yù)防性試驗(yàn)和檢修,具有一定的盲目性,會(huì)造成人力、物力的浪費(fèi),而且還不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備的絕緣潛伏性故障。而在線監(jiān)測(cè)能對(duì)高壓設(shè)備絕緣狀況進(jìn)行在線試驗(yàn),可大大提高試驗(yàn)的真實(shí)性與靈敏度,彌補(bǔ)僅靠定期離線檢測(cè)的不足,有利于實(shí)現(xiàn)從定期檢修向狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外都在研制各種帶電測(cè)試儀,進(jìn)而發(fā)展在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),因此在線取代離線是一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下由于電導(dǎo)和極化發(fā)生的能量損耗統(tǒng)稱為介質(zhì)損耗。絕緣介質(zhì)損耗在外加電壓、頻率一定時(shí)僅與介質(zhì)的等值電容和介質(zhì)損耗角正切值tanδ成正比,而tanδ值僅與絕緣材料的性質(zhì)有關(guān),與絕緣材料的尺寸大小和形狀無(wú)關(guān),是電介質(zhì)的固定值,因此可通過(guò)在線測(cè)量套管的電容量C以及介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ來(lái)判斷套管的絕緣狀況。本文針對(duì)介質(zhì)損耗角的特點(diǎn),提出了絕對(duì)測(cè)量和過(guò)零比較法相結(jié)合的測(cè)量方法,同時(shí)在信號(hào)提取方面采用電容分壓器的新方法。1傳感器的選擇和相量絕緣介質(zhì)等效電路及相量圖如圖1所示,圖中C為等效電容,δ為介質(zhì)損耗角,θ為電壓與電流的相位差。介質(zhì)損耗角為過(guò)零比較法是比較施加于介質(zhì)上的電壓和電流過(guò)零時(shí)刻t1、t2,求得2者過(guò)零時(shí)刻的相位差,從而求得介質(zhì)損耗角。傳統(tǒng)的過(guò)零比較法是用傳感器分別測(cè)出電壓、電流信號(hào),然后分析信號(hào)。目前國(guó)內(nèi)多采用穿心式結(jié)構(gòu)的電流傳感器監(jiān)測(cè)高壓容性設(shè)備的介質(zhì)損耗,分為無(wú)源和有源2種類型。無(wú)源傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng),但易受溫度、輸入電流和負(fù)載特性變化的影響;有源傳感器采用零磁通技術(shù)提高了被測(cè)信號(hào)的信噪比。但由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境差、干擾復(fù)雜,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后傳感器角差、比差的穩(wěn)定性會(huì)下降,因此采用傳感器提取微弱信號(hào)仍存在較突出的問(wèn)題。本文采用基于電容分壓的絕對(duì)測(cè)量方法,其原理是提取高壓母線的電壓和套管末屏分壓電容的電壓信號(hào),進(jìn)一步計(jì)算這2個(gè)電壓相量夾角的正切值tan?,其測(cè)量原理及相量如圖2所示。在工頻電壓下,設(shè)備末屏傳感器等值為電容C1,當(dāng)C1?C時(shí),tan?≈tanδ,即因此,可通過(guò)測(cè)量tan?的方法間接測(cè)量tanδ。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)量精度的相關(guān)問(wèn)題2.1介質(zhì)損耗角和介質(zhì)損耗因數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖3所示。母線PT末屏電壓和經(jīng)分壓器分壓的電壓通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行幅值調(diào)整后,采用低通濾波器消除諧波干擾。然后用過(guò)零比較器對(duì)濾波之后的小信號(hào)進(jìn)行整形將其變成方波,通過(guò)邏輯與非門變換輸出2個(gè)信號(hào)的相位差脈寬,用單片機(jī)的定時(shí)器計(jì)算時(shí)間,就可以計(jì)算出介質(zhì)損耗角δ和介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用基于電容分壓的絕對(duì)測(cè)量方法,系統(tǒng)設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)化了硬件電路,消除了直流和零點(diǎn)漂移的影響,又避免了傳感器角差、比差的干擾,提高了測(cè)量精度。2.2電容保護(hù)單元高壓容性設(shè)備對(duì)地的主電容C通常為800～1200pF,而從其外層引出的末屏電容的容抗是C的幾十分之一。這里主要研究在套管末屏上串入合理可靠的分壓電容,提取出反映套管介質(zhì)損耗的工頻電壓信號(hào),工頻分壓電容C1與套管電容C構(gòu)成電容分壓器,滿足C1?C,其正常輸出工頻電壓峰值接近40V,可以保證電壓信號(hào)的準(zhǔn)確度和測(cè)量的安全性,對(duì)于110kV及以上的高壓容性設(shè)備,該電容通常選為0.4～0.5μf。為防止末屏開路和抑制高壓系統(tǒng)多種類型的過(guò)電壓信號(hào),筆者設(shè)計(jì)了保護(hù)單元。采用壓敏電阻(金屬氧化物閥片MOV)和氣體放電管的混合保護(hù),并通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)放電試驗(yàn),可靠地將端口電壓限制在100V(峰值)以內(nèi)。2.3濾波電路及環(huán)路干擾問(wèn)題一直是影響在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要因素。高壓變電站復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境增加了監(jiān)測(cè)微弱信號(hào)的難度,通常的做法是設(shè)計(jì)模擬濾波電路或采用濾波算法進(jìn)行數(shù)字濾波。本文采用的是截止頻率f0為1kHz、品質(zhì)因數(shù)Q為1的二階低通濾波器,如圖4所示,運(yùn)算放大器選擇OP27。圖5為測(cè)得的濾波器增益對(duì)比圖,可見,實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)曲線與理想曲線有差距,分析試驗(yàn)時(shí)的具體情況可知,差距很大一部分是由外部試驗(yàn)條件限制造成的,例如測(cè)量用電壓表在小電壓時(shí)的精度限制、所用的濾波電阻精度誤差等。即使如此,此濾波器已經(jīng)能夠滿足實(shí)際工程需要。2.4系統(tǒng)測(cè)量的精度相關(guān)問(wèn)題2.4.1數(shù)在線監(jiān)測(cè)影響電力系統(tǒng)內(nèi)諧波含量豐富且隨時(shí)變化,諧波頻率、諧波波形畸變率、諧波初相角等因素對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)在線監(jiān)測(cè)影響很大。電壓諧波給介質(zhì)損失角測(cè)量帶來(lái)了較大的誤差,可通過(guò)低通濾波濾除高次諧波,將電力系統(tǒng)中常有的3次諧波含量限制在1.0%以內(nèi),再加上電源中高次諧波的含量低,因此很容易將5次、7次諧波限制在0.3%和0.1%以內(nèi),此時(shí)諧波對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量的影響可忽略不計(jì)。2.4.2次電壓波動(dòng)時(shí)角差pt本系統(tǒng)采用母線PT二次測(cè)量端子抽取電壓作為標(biāo)準(zhǔn)比較信號(hào),該信號(hào)隨PT二次負(fù)載的變化會(huì)引起相應(yīng)的角差變化,從而引起介質(zhì)損耗角的測(cè)量偏差,甚至出現(xiàn)負(fù)值。在實(shí)際運(yùn)行中,運(yùn)行電壓、頻率以及負(fù)載的變化均會(huì)引起PT相角差有較大的改變,其中測(cè)量角差的誤差主要由激磁支路引起的空載誤差和負(fù)荷支路引起的負(fù)載誤差組成,相角差每變化1′就會(huì)引起介質(zhì)損耗因數(shù)0.029%的誤差。電網(wǎng)頻率一般在49.5～50.5Hz內(nèi)變化,在這一范圍內(nèi)角差的變化小于1′,對(duì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響不大。隨著一次電壓的增加,鐵心的工作磁通密度相應(yīng)增加,由于鐵心的磁特性非線性,空載角差呈非線性變化,在0.8～1.2倍額定工作電壓范圍內(nèi)由空載阻抗引起的空載角差變化也小于1′(見圖6),而現(xiàn)場(chǎng)母線一次電壓波動(dòng)不會(huì)超過(guò)±10%,因此一次電壓的變化對(duì)角差的影響也不大,可以忽略。圖6中λ為角差,UN為額定電壓。2.4.3高頻脈沖測(cè)量系統(tǒng)本系統(tǒng)中這一環(huán)節(jié)可以達(dá)到相當(dāng)高的準(zhǔn)確度,系統(tǒng)采用12MHz的高頻脈沖進(jìn)行測(cè)量,系統(tǒng)的分辨率可高達(dá)0.0025%,可以說(shuō)這一環(huán)節(jié)在tanδ的測(cè)量中幾乎不會(huì)產(chǎn)生額外的誤差。2.4.4拉格爾內(nèi)拉格爾內(nèi)最大的時(shí)延在過(guò)零點(diǎn)比較法中需要許多門電路完成邏輯轉(zhuǎn)換,它們會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)延,但一般來(lái)說(shuō)門電路的時(shí)延都在納秒級(jí),各級(jí)門的總時(shí)延也不會(huì)超過(guò)lμs,因此它們?cè)趖anδ的測(cè)量中產(chǎn)生的誤差不會(huì)超過(guò)0.03%。2.4.5試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試誤差較大時(shí)造成的錯(cuò)誤,若過(guò)零比較器的失調(diào)電壓較高,則比較器的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻與實(shí)際過(guò)零時(shí)刻將有差別,并且這種差別與信號(hào)的大小有密切關(guān)系,信號(hào)較小時(shí)誤差較大,信號(hào)較大時(shí)誤差較小,因此在不同的電壓下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)所得到的結(jié)果差別較大,這也是實(shí)際中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。為消除這種誤差,必須盡可能減小比較器的失調(diào)電壓,同時(shí)還應(yīng)對(duì)輸入信號(hào)作適當(dāng)?shù)姆糯蟆?.4.6信號(hào)零誤造成的測(cè)量誤差本介損測(cè)量系統(tǒng)從原理上講應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)的工頻正弦波下進(jìn)行tanδ的測(cè)量,通過(guò)捕捉基波過(guò)零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)相位和時(shí)間的轉(zhuǎn)換。但在實(shí)際的tanδ測(cè)量中常會(huì)由于零點(diǎn)漂移和波形畸變而導(dǎo)致信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的偏移,以致產(chǎn)生測(cè)量誤差。當(dāng)系統(tǒng)接地不當(dāng)時(shí)會(huì)發(fā)生信號(hào)零點(diǎn)漂移以致出現(xiàn)交流信號(hào)正半周和負(fù)半周不相等的情況。如果兩路信號(hào)的零點(diǎn)偏移程度不同,就會(huì)產(chǎn)生極大的測(cè)量誤差,這可通過(guò)采用正確的接地方式(如接地線不宜過(guò)長(zhǎng)、接地線不成回路等)來(lái)解決。2.4.7油紙粘連中帶風(fēng)壓法由于被測(cè)設(shè)備周圍環(huán)境每天都有周期性的變化,而絕緣介質(zhì)的損耗因數(shù)會(huì)受到環(huán)境的影響,周圍環(huán)境溫度對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)在線監(jiān)測(cè)的測(cè)量結(jié)果有較大影響。在一天之內(nèi)測(cè)量值隨溫度呈周期性變化,白天隨溫度上升而增大,夜晚隨溫度下降而減小;在一年之內(nèi)一般夏季測(cè)量結(jié)果最大,冬季最小。研究表明,一般在-40～60℃的溫度范圍內(nèi)油紙絕緣的tanδ沒有明顯變化,而超過(guò)60℃時(shí)tanδ便隨溫度的上升而增加。大量停電試驗(yàn)和專門針對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)和溫度關(guān)系的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明,絕緣狀態(tài)良好時(shí)電容型設(shè)備的介質(zhì)損耗因數(shù)與溫度沒有明顯的關(guān)系。長(zhǎng)期濕度過(guò)高容易引起絕緣受潮,從而使tanδ變大。這是因?yàn)槿绻諝庀鄬?duì)濕度較大,會(huì)使絕緣表面有低電阻導(dǎo)電支路,從而對(duì)tanδ的測(cè)量形成空間干擾。綜上所述,為盡量減小溫度和濕度變化對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)監(jiān)測(cè)值的影響,在通過(guò)介質(zhì)損耗因數(shù)對(duì)設(shè)備絕緣狀況進(jìn)行絕緣診斷時(shí)應(yīng)采用相對(duì)比較法,通過(guò)對(duì)處于同一環(huán)境中、同一母線下的其它同類型設(shè)備之間的介質(zhì)損耗因數(shù)進(jìn)行比較來(lái)判斷被測(cè)設(shè)備是否發(fā)生故障。此外還應(yīng)采用趨勢(shì)分析法,繪出被監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的曲線,并對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行分析,同時(shí)應(yīng)監(jiān)測(cè)溫度、濕度隨時(shí)間的變化。若監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在整體上呈現(xiàn)出緩慢而持續(xù)性增長(zhǎng)的趨勢(shì),則設(shè)備可能存在潛伏性故障;若監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)與溫度、濕度的變化趨勢(shì)一致,則說(shuō)明監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化是由外界溫度、濕度變化引起的。3政府機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)西林電橋法是離線測(cè)量介質(zhì)損耗的有效方法,通過(guò)與其對(duì)比試驗(yàn)可以檢驗(yàn)本文方法的準(zhǔn)確性,其原理如圖7所示。利用電橋平衡原理,當(dāng)通過(guò)檢流計(jì)的電流為零時(shí)電橋平衡,從而測(cè)得試品介質(zhì)損耗因數(shù)為筆者在實(shí)驗(yàn)室搭建了介質(zhì)損耗測(cè)試電路,通過(guò)改變與被測(cè)電容串聯(lián)的電阻值得到不同電容值的試品,用本文方法與西林電橋法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。4基