变电站在线检测装置技术研究

1/8变电站在线检测装置技术分析高压电气设备的主要设备包括电力变压器、电容型设备、氧化锌避雷器、断路器等。电容型设备的主要监测工程有：电容型设备的电容、电容电流、介质损耗角、不平衡电压等。氧化锌避雷器的全电流、阻性电流、功耗等参量。针对电力变压器的在线监测工程有：油中的气体测量与分析，局部放电工程，有载开关的触头磨损及机械和电气回路的完整性测量。断路器的监测内容有：操作回路的完整性、绝缘性能、开断能力、机械特性。1容性设备在线检测装置电容型设备是指绝缘结构采用电容屏的设备，它包括电流互感器、套管以及耦合电容器等。一般这种设备的数量要占变电站设备总台数的40%~50%，是容易发生事故且预防性实验工作量大的设备。其运行的可靠性在很大程度上取决于绝缘状况。电力系统的容性设备在正常工作时会产生一定的泄漏电流，泄漏电流中包含了容性分量和阻性分量，容性分量对设备的安全运行不会产生危害，阻性分量产生的有功功率，表现为设备发热，达到一定程度将危害设备的安全运行。的大小是由容性设备的介质损耗及决定的，因此动态地监测介质损耗的变化是保障电力系统安全运行的一项重要措施。1.1面临的主要问题介质的在线监测属于高电压、微电流、小角度的精密测量范畴，对测量方法和硬件的要求很高。其中，影响在线监测精确度和稳定性的主要因素有：1.传感器角差及电压采样信号与一次实际运行电压信号之间的角差是影响测量精度和稳定性的一个主要影响因素。传感器角差随着时间、环境温度、振动、电磁干扰等因素而飘移，而角极小，若不将因传感器、电压采样而产生的角差考虑在内，则角测量精度及稳定性无法保证。同时，要求传感器角差和电压采样角差相对设备本身的角而言很稳定，以确保准确反映设备本身的相对变化2.电磁干扰的影响。在运行电压状态下进行介质在线监测，而现场采样信号电流信号）处于mA级，电磁干扰对的测量精度和稳定性影响很大主要是对采样信号相位的影响）。为了减少外界电场干扰对测量的影响，应采取多种切实可行的抗干扰措施。3.谐波的影响。实际运行的电力系统中，谐波是大量存在的。因谐波造成的被测信2/8号失真，如零漂、过零点不稳定等问题，都将是测量结果出现极大误差4.在线装置本身存在的精度及稳定性问题5.绝缘诊断的方法还不完善。绝缘监测数据受环境温、湿度的影响非常大，以介损监测数据为例，从容性设备运行现场监测到的数据存在周期性变化，但这种变化很难判断出是由环境温湿度的周期性变化影响所致还是容性设备本身绝缘劣化所致。摘自《基于DSP的容性设备绝缘在线监测装置的研制》1.2测量技术介质损耗测量相关技术发展迅速，其检测方法和原理有很多种，在对所测得的数学信号进行处理和分析方面形成了两大分支：其一主要靠硬件实现，以过零点相位比较法，过零点电压比较法和改进西林电桥法为代表。在前端信号滤波效果良好的情况下，可以达到较高的精度和分辨率。但由于过零比较法和西林电桥法是基于硬件处理的方法，其硬件处理环节过多，在测量过程中受电磁干扰、谐波干扰等十分明显，会造成较大的误差和分散性。其二主要依靠软件来实现的检测方法，其典型代表是谐波分析法，其给予信号处理的思想可以避免增加硬件线路设计的难度和复杂性，是目前探索和未来发展的方向。摘自《容性设备分布式绝缘在线监测系统及介损值算法研究》1.3相关函数法经过采样、滤波后得到的泄漏电流信号和绝缘两端的电压信号，其中已经进行了90度的移相，为测量频率与实际系统频率的差值，为两信号的相位差即介损角，为系统频率，A和B分别是电流和电压信号的幅值系数。当波形无延时时，其自相关函数和互相关函数为：式中：为整周期，为电流信号的自相关系数，为电压信号的自相关系数，为电流和电压信号的互相关系数。由此根据相关函数法得出，即介质损耗角。3/8相关函数法要求整周期采样，未具体要求采样点数。如果采用相关函数法可适当减少采样点数的约束。摘自《容性设备分布式绝缘在线监测系统及介损值算法研究》1.4谐波加窗改进法介质损耗值计算中的谐波分析，通常是通过快速傅立叶变换实现的。然而，在数据采集时，如果不是同步采样将会带来泄露效应及栅栏效应，使算出的信号参数即频率、幅值和相位等不准，尤其是相位误差很大，从而无法满足准确的谐波测量要求。为了提高FFT算法的精度，目前主要是采样插值的方法，通过查找准确的信号频率，进而提高各种参数的计算精度。在此基础上利用海宁窗、KaiserBessel窗、BlackmarrHarris窗等减小泄露，减少谐波间的相互干扰。摘自《容性设备分布式绝缘在线监测系统及介损值算法研究》1.5总结总结上述两个算法，同步采样是提高介质损耗值计算精度的主要问题，这一方面要提高采样密度实现，另一方面需要在算法上实现插值。此外，由于电流信号很小，需要很好的滤波算法，滤出干扰信号。目前，尚未找到该种装置的标准，以及如何对精度进行验证的方法。2避雷器在线检测装置2.1漏电流监视一般认为MOV的总泄露电流包括阻性泄漏电流和容性泄漏电流，阻性泄漏电流是引起MOV阀片劣化的主要原因，对MOV运行状况的判断，主要是根据阻性泄漏电流的变化来分析的。根据对采集到的总泄露电流的处理方法的不同，MOV的在线监测方案有如下几种：1.全电流法：该方法测量每台避雷器的全泄露电流，通过全泄露电流的大小变化对MOV的运行状况进行判断。由于MOV的泄漏电流的容性分量基本不变，因此可以简单地认为全电流的增加能在一定程度上反应阻性电流的增长情况。但由于阻性电流在全电流中仅占10%~20%，因此灵敏度较低。2.三次谐波阻性电流法：也称为零序电流法，三次谐波阻性电流通过三相接地线上4/8的小CT测取。当系统电压不含谐波时，三相电流中的基波容性电容和基波阻性电流相互抵消，接地线上只剩下三次谐波阻性电流。正常时，很小，当一相或三相避雷器出现问题时，三相电流的不平衡将导致增大，且中含有基波成分。这种方法简单，便于实现，但存在比较明显的缺点：当监视到发生变化时，很难判断是哪一相出现了问题。其次当电网电压中含有三次谐波成分时，将引起较大的测量误差。3.容性电流补偿法：该方法将全电流中的容性电流补偿掉，以得到阻性电流。补偿的过程是将MOV容性电流波形相同的补偿信号，经过增益可调放大器自动反馈控制，得到与MOV的容性电流幅值相等的补偿电流信号的过程。4.基波阻性电流法：由CT和PT分别提取MOV的全电流和运行电压，通过FFT运算得到基波电流和基波电压的相位和幅值，将基波电流在基波电压上投影得到基波阻性电流。该方法受电网谐波影响小，准确度较高。但由于当MOV阀片受潮时，基波阻性电流明显增大，而阀片老化时，高次谐波阻性电流增大明显。因此该方法对受潮情况比较有效，但不能有效反应MOV阀片的老化情况。2.2放电次数《JB/T2440-1991避雷器用放电计数器》避雷器用放电计数器是用来监视避雷器放电动作的一种高压电器，其构造由非线性电阻、电磁计数器和一些电子元件组成。在正常运行电压下，流过计数器的漏电流非常小，计数器不动作，当避雷器通过雷电波、操作波和工频过电压时，强大的工作电流从计数器的非线性电阻通过，经过直流变换，对电磁线圈放电而使计数器吸动一次，来实现测量避雷器动作次数的装置。在结构上采用电阻片取压，电磁线圈动作，计数器显示，透明玻璃罩、密封橡皮垫、底版及法兰等进行卡装密封，高压出线端从底板中心引出。目前有专门的避雷器放电计数器的监测仪3油色谱在线监测原理油色谱在线监测装置是一种精密仪器，核心部件是一个特殊设计的油气分离膜、气相色谱分析柱和传感器，可以用来测量反映变压器故障信息的六种变压器故障气体。气体采集方式为：变压器油中气体通过渗透而得用于储油柜式和充油式变压器）。典型的安装是安装在变压器的预留孔，或安装在变压器冷却油回路的低温侧。信号采集器直接与变压器本体或回油管道连接。信号采集器安装了一个“油气分离膜”的装置，其作用是将变压器油中溶解的气体渗透进入气室。进入气室的气体通过载气氮气）进入气相色谱柱，把各种特征气体分离出来，再经气敏传感器检测得到信号。信号处理器将获得的信号经过AD转换、处理后输出至主控计算机。由主控计算机5/8完成运算、显示、存储、报警、打印等功能。油色谱在线监测装置结构示意如下：4局部放电信号监视所谓局部放电是指在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电而并没有形成贯穿性放电通道的一种放电。产生局部放电的主要原因是电介质不均匀时，绝缘体各区域承受的电场强度不均匀，在某些区域电场强度达到击穿场强而发生放电，而其他区域仍然保持绝缘的特性。变压器的局部放电会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、光，并引起局部过热。油中放电还将分解出气体，产生能量损耗等。因此，相应地出现了电脉冲测量、超高频测量、超声波测量等若干种测量方法：1脉冲电流法：通过检测阻抗来检测变压器套管末屏接地线、外壳接地线、铁心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，而获得视在放电量。脉冲电流法6/8是最早研究的，并且是迄今为止最广泛应用的一种检测方法，我国于1985年首次在《GB1094.3-85电力变压器》中规定了变压器局部放电的测试方法。脉冲电流法灵敏度高、实时性好、可以测量放电量、放电重复率、平均电流以及放电能量等，但由于电流互感器输出信噪比低，尤其是在在线检测时，局部信号易被现场其他干扰所湮没，使得后续信号处理过程中的信号识别和干扰抑制比较困难。2化学检测法：主要对变压器油的色谱进行分析。局部放电发生时会引起变压器油中化学成分的改变，尤其是一些溶于油中的特殊气体。通过对变压器油的定期抽样分析，可以判断变压器局部放电的发展水平。该方法的最大优点是不存在复杂的抗干扰问题，但实时性较差。3超声波检测法：用于检测变压器内部放电时产生的超声脉冲。声发射传感器通常固定在变压器外壳，利用压电晶体作为声-电换能器，将声波信号转换为声信号，并进一步放大后通过电缆传送给监测系统。该方法不存在严重的电磁干扰，主要用于定性地判断局放信号的有无，以及结合电脉冲信号或直接利用超声信号对局放源进行物理定位4超高频测量法：测量放电产生的电磁辐射，其频段在300MHz至3GHz之间。具有灵敏度高、对外界干扰的抑制能力强以及能反映放电脉冲真实波形等优点。已永载电机以及一些固体绝缘设备电缆、干式变压器等）中的局放检测。5断路器断路器的在线监测内容有：泄露电流、气体密度、开断次数、开断电流、振动波形、分合闸线圈电流波形、动触头行程、操作机构油压等监测内容。5.1分合闸线圈电流电磁铁是高压断路器操作机构的重要元件之一，高压断路器一般都是以电磁铁作为第一级控制元件。当线圈中通过电流时，在电磁铁内产生磁通，铁心受到电磁力作用吸合，使断路器分闸或合闸。线圈的电流包含很多信息，反映了电磁铁本身以及所控制的锁闩或阀门以及连锁触头在操作过程中的工作情况。7/85.2动触头行程监测目前测量高压断路器的行程——时间特性，多采用光电式位移传感器与相应的测量电路配合进行，常用的有增量式旋转光电编码器或直线光电编码器。直线光电编码器安装在断路器直线运动部件上，或者把旋转光电编码器安装在断路器的操作机构的主轴上，通过传感器测量分合闸操作时动触头的运动信号波形。5.3振动信号监测对于高压断路器，在分合闸操作过程中，振动信号中包含丰富的机械状态信息，甚至机械系统结构上某些细微变化也可以从振动信号发现出来。因此，以外部振动信号为特征，可以对高压断路器的机械状态进行监测。具体做法是在断路器适当部位，采集振动信号经处理后作为诊断的依据。8/86总结上面对变压器、断路器、容性设备、避雷器的状态监测进行了概述，其共同技术在于：1.微弱信号检测2.数字信号处理，包括滤波器、小波分析等等从技术上看，断路器、变压器的测量相对简单，但涉及到许多传感器技术以及如何与装置本体配合的问题。如变压器的油气分离、气敏传感器等。容性设备以及避雷器的状态监测涉及内容相对简单，其主要难点是所需检测信号过于微弱，要达到高精度具有一定的困难。建议：抽用一人开始对微弱信号检测、小波分析等理论进行研究，实现仿真分析，尽量完成样机。与此同时参与状态检测工程的规划实施，熟