电气设备在线监测.

第四章电气设备在线监测第一节绝缘电阻及泄漏电流的在线监测一、绝缘电阻的在线监测绝缘电阻是反映绝缘性能的最基本的指标之一，通常都用摇表来测量绝缘电阻。对绝缘电阻进行在线监测时，一般是先检测出电气设备的泄漏电流，再通过欧姆定理算出其绝缘电阻。二、泄漏电流的在线监测电气设备在运行电压下，总有一定的泄漏电流通过绝缘体到低电位处或流入大地。只要这种电流不超过一定的数值，电气设备的使用仍然是安全的。但是当电气设备中的绝缘材料老化、电气设备受潮或存在故障时，这种泄漏电流将会明显增大，绝缘体损耗增大，它可能造成火灾、触电或损坏设备等事故。电力设备绝缘系统老化、吸潮、过热等导致发生故障的因素，都会反映在绝缘体电容CX和损耗因数tgδ的变化上，因此，在线监测泄漏电流，是诊断绝缘状态的有效手段之一。而且，高压电气设备绝缘在线监测是在电气设备处于运行状态中，利用其工作电压来监测绝缘的各种特征参数。因此，能真实的反映电气设备绝缘的运行工况，从而对绝缘状况作出比较准确的判断。变电站的电力设备户外绝缘泄漏电流受电压、污秽、气候三要素综合影响，污秽严重时就可能发生污秽闪络。下面通过变电站电力设备户外绝缘泄漏电流在线监测系统的运行情况监测数据并分析泄漏电流的变化规。一般泄漏电流信号的采集可在设备的接地线中串入取样电阻或微安表，在接地线上加套电流传感器等。但通常设备接地线不易拆开，故图4－1中的系统利用泄漏电流沿面形成的原理，在绝缘子串铁塔侧的最后一片绝缘子上方安装一开口式的引流装置卡，将泄漏电流通过双层屏蔽线引入到数据采集单元中。采用该引流器，无需停电即可安装，不影响线路正常运行。设计了适用于泄漏电流采集的传感器之后，采用一种基于高速数据采集卡的计算机数据采集系统，本系统的特点是采集和处理都由上位机完成。为了提高报警的可靠性，提出一种模糊报警模型。第二节介质损耗角正切值的在线监测绝缘在线监测损耗因数tgδ的方法很多，如电桥法、全数字测量法等，常用的方法是监测绝缘体的泄漏电流及PT信号，通过计算泄漏电流和电压的相角差而得到损耗因数tgδ的数值。其测量原理大都使用硬件鉴相及过零比较的方法。目前的绝缘在线监测产品基本都是用快速傅立叶变换（FFT）的方法来求介损。取运行设备PT的标准电压信号与设备泄漏电流信号直接经高速A/D采样转换后送入计算机，通过软件的方法对信号进行频谱分析，仅抽取50Hz的基本信号进行计算求出介损。这种方法能消除各种高次谐波的干扰，测试数据稳定，能很好地反映出设备的绝缘变化。但由于绝缘体的泄漏电流非常微弱，而且现场的干扰较大，要准确监测绝缘体的泄漏电流比较困难。因此，要实现绝缘损耗因数tgδ的在线监测，必须解决微弱电流的取样及抗干扰问题。一、电桥法电桥法在线监测tgδ的原理图如所示，由电压互感器带来的角差，可通过RC移相电路予以校正。然而角差会随负载大小等因素的影响有所变动，所以校正也不可能是很理想的。电桥中R3，C4的调动可以手动，也可以自动。由于是有触头的调节，为了长年的使用，必须选择十分可靠R3，C4可调节元件。电桥法的优点是，它的测量与电源波形及频率不相关；其缺点是，由于R3的接入，改变了被测设备原有的状态。为了安全，还要装有周密的保护装置GPTCoC4R4R3CxCx——试品；C0——标准电容器；PT——电压互感器；G——指零仪二、全数字测量法又称数字积分法。这是一种用A/D转换器分别对电压和电流波形进行数字采集，然后根据傅里叶分析法的原理进行的数字运算，最终可以求得tgδ值。被测设备的电压信号由同相的电压互感器PT提供，或再经电阻分压器输出。电流信号由电容式套管末屏Cx2接地线或设备接地线上所环绕的低频电流传感器CT获得。由后者把电流信号转换为电压信号。这种CT需要特殊设计，以使所产生的角差极小。由于获取电流信号方面的限制，全数字测量法仅限于使用在电容型设备上。下图表示电压和电流信号的拾取。(b)(a)IIxCxCx2CTPTUR2R1C2C1（a）电压信号的拾取；（b）电流信号的拾取实际的电压波和电流波是含有谐波的周期性函数。在电路原理中已阐明，当一个周期性函数f(t)，在满足狄里赫利条件时，它可以展开成三角形式的傅里叶级数：0nnn1f(t)a(acosnt+bsinnt)0nnn1f(t)AAsin(nt+)或式中，ω为基波角频。现只取基波，即只取n=1的一个项，其中幅值22111Aab各有关电路原理的书籍中均已证明了系数T102af(t)costdtT其中，T为周期。系数T102bf(t)sintdtT111arctan(a/b)对于流过试品的电流i（t）和加在试品上同一个相的电压u(t)的两路信号，分别可以通过上式求得各自的电流及电压基波幅值I1，U1和基波相位θi和θu。这样可得介质损失角正切iutan()2所测介质的电容为x11CIcos/(U)在理想条件下，根据采样定理的概念，A/D的采样率不必取得很高，即可达到足够的准确度。在此条件下，求系数a1和b1时的数字积分的运算工作量不大。但是电力系统的频率f允许在一定范围内变动（我国为（50±0.5）Hz），尽管采样率可以很准确地达到一定值，但真正要实现同步采样是比较困难的。同步采样是指被采样信号的真正周期T等于等间隔采样周期Ts的整数倍。不能实现同步采样就会产生非同步采样误差。为了解决或减小这一误差，需在软件或硬件上另行采取措施，例如采样方法可采用准同步采样。本法的优点是硬件系统比直接测量介质损耗角δ的方法简单。此外，因只对基波进行运算，故等于对谐波进行了比较理想的数字滤波。第三节局部放电的在线监测一、绝缘内部局部放电在线监测的基本方法局部放电的过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生电磁辐射、超声、发光、发热以及出现新的生成物等。因此针对这些现象，局部放电监测的基本方法有脉冲电流测量、超声波测量、光测量、化学测量、超高频测量以及特高频测量等方法。其中脉冲电流法放电电流脉冲信息含量丰富，可通过电流脉冲的统计特征和实测波形来判定放电的严重程度，进而运用现代分析手段了解绝缘劣化的状况及其发展趋势，对于突变信号反应也较灵敏，易于准确及时地发现故障，且易于定量，因此，脉冲电流法得到广泛应用。目前，国内不少单位研制的局部放电监测装置普遍采用这种方法来提取放电信号。该方法通过监测阻抗、接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，获得视在放电量。它是研究最早、应用最广泛的一种监测方法，也是国际上唯一有标准（IEC60270）的局放监测方法，所测得的信息具有可比性。下图为比较典型的局部放电在线监测（以变压器为例，图中CT表示电流互感器）原理框图随着技术的发展，针对不同的监测对象，近年来发展了多种局部放电在线监测方法。如光测量、超高频测量以及特高频测量法等。利用光电监测技术，通过光电探测器接收的来自放电源的光脉冲信号，然后转为电信号，再放大处理。不同类型放电产生的光波波长不同，小电晕光≤400nm呈紫色，大部为紫外线；强火花放电光波长自400nm扩展至700nm，呈桔红色，大部为可见光，固体、介质表面放电光谱与放电区域的气体组成、固体材料的性质、表面状态及电极材料等有关。这样就可以实现局部放电的在线监测。同样，由于脉冲放电是一种较高频率的重复放电，这种放电将产生辐射电磁波，根据这一原理，可以采用超高频或特高频测量法监测辐射电磁波来实现局部放电在线监测。日本H.KAwada等人较早实现了对电力变压器PD的声电联合监测（见图4-5）。由于被测信号很弱而变电所现场又具有多种的电磁干扰源，使用同轴电缆传递信号会接受多种干扰，其中之一是电缆的接地屏蔽层会受到复杂的地中电流的干扰，因此传递各路信号用的是光纤。通过电容式高压套管末屏的接地线、变压器中性点接地线和外壳接地线上所套装的带铁氧体（高频磁）磁心的罗戈夫斯基线圈供给PD脉冲电流信号。通过装置在变压器外壳不同位置的超声压力传感器，接受由PD源产生的压力信号，并由此转变成电信号。在自动监测器中设置光信号发生器，并向图中所示的CD及各个MC发出光信号。最常用的是，用PD所产生的脉冲电流来触发监测器，在监测器被触发之后，才能监测到各超声传感器的超声压力波信号。后由其中的光信号接收器接收各个声、电信号。综合分析各个传感器信号的幅值和时延，可以初步判断变压器内部PD源的位置。如果像下图所示的波形及时延情况，则可判断PD源离MC2的位置更近一些。由于现场存在大量的干扰，故在线测量的PD灵敏度要比屏蔽的实验室条件下测量的灵敏度低得多。IEC要求新生产的≥300kV变压器在制造厂的实验室里试验时，PD的视在放电量应小于300pC～500pC。一般认为现场大变压器的PD量在≥10000pC时，应引起严重关切。所以PD的监测灵敏度至少应达到5000pC。然而即使是这样一个要求，在进行在线测量时，也并非一定能够实现。(c)(b)(a)tttt1t2PD点NPMC5MC2RCRCOF套管HVCDOF局部放电自动监测器铁心绕组图电力变压器PD的在线声电联合监测CD—电流脉冲检测器；MC—超声压力传感器；RC—罗戈夫斯基线圈；NP—中性点套管图电力变压器PD的在线监测时获得的电流脉冲及超声信号(a)来自某RC；(b)来自MC2；(c)来自MC5RC—罗戈夫斯基线圈；NP—中性点套管二、局部放电在线监测中的抗干扰措施简介局部放电在线监测系统主要采用脉冲电流法，但是，实际应用效果往往不够理想，因为现场环境中局部放电信号的提取较为困难，干扰有时比局部放电脉冲信号强2～3个数量级，而且局部放电测量中的干扰信号是多种多样的，按频带可分为窄带干扰和宽带干扰，而按其时域波形特征可分为连续的周期性干扰、脉冲型干扰和白噪声3类，连续的周期性干扰包括：电力系统载波通信和高频保护信号引起的干扰、无线电干扰。此类干扰的波形通常是高频正弦波，有固定的频率和频带宽度。脉冲型干扰信号包括：供电线路或高压端的电晕放电、电网中的开关及晶闸管整流设备闭合或开断引起的脉冲干扰、电力系统中其他非监测设备放电引起的干扰、试验线路或邻近处的接地不良引起的干扰、浮动电位物体放电引起的干扰、设备的本机噪音和其他的随机干扰。此类干扰在时域上是持续时间很短的脉冲信号，而在频域上是包含多种频率成分的宽带信号，具有与局部放电信号相似的时域和频域特征。白噪声包括各种随机噪声，如变压器绕组的热噪声、配电线路及变压器继电保护信号线路中由于耦合进入的各种噪声以及监测线路中的半导体器件的散粒噪声等。因此，如何有效地识别和抑制干扰，获得可靠的局部放电信号就成为局放在线监测中需要解决的问题。局部放电在线监测抗干扰措施已有很多方法，有的已应用于监测系统，由于干扰是多样的，表现出的特性也不同，用一种方法来有效地抑制所有的干扰是不可能的，针对不同的干扰源，需采取不同的措施，综合运用，达到抗干扰的目的。抑制干扰的措施有消除干扰源、切断干扰途径和干扰的后处理三种方法。对于因系统设计不当引起的各种噪声，可以通过改进系统结构、合理设计电路、增强屏蔽等加以消除；保证测试回路各部分良好连接，可以消除接触不良带来的干扰；提供一点接地，消除现场的孤立导体，可以消除浮动电位物体带来的干扰；通过电源滤波可以抑制电源带来的干扰；屏蔽测试仪器，可以抑制因空间耦合造成的干扰。而对于其他的通过测量传感器进入监测系统的干扰，则需要通过各种硬件和软件的方法，进行干扰的后处理来抑制。这些措施主要包括频域开窗和时域开窗。频域开窗利用周期型干扰在频域上离散的特点对其加以抑制；时域开窗利用脉冲干扰在时域上离散的特点来消除。对于这两种处理方法，应采用频域开窗在前、时域开窗在后的原则。近年来，小波分析的发展，又开辟了通过时—频分析来抑制干扰的新思路。三、存在的问题目前抑制干扰的方法和思路虽很多，但真正成功地用于监测系统的不多，有的效果并不理想。需要在理论和应用方面作进一步的研究，如噪声干扰的特性，特别是对排除了载波干扰和无线电干扰等已知的且较易排除的强大干扰后的其它干扰的特性、局部放电脉冲在