（无线电物理专业论文）变电站绝缘在线监测系统研究与应用.pdf

硕士学位论文 h l u 盯r 。sl i l e s i s ! ! ! ! _ 竺! ! ! ! ，- ! l ! ! ! ! ! ! ! ! ，! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ，! 摘要 油田电网长期以来一直沿用着传统的定期停电检修模式，这种计划检修模 式是在设备停电的条件下进行的，其科学性、时效性差，检修具有一定的盲目 性；设备停电次数多，测试周期长；无法对运行中电力设备的绝缘进行跟踪测 试，不能及时发现设备内部的故障隐患；且停电作介质损耗、泄漏等预防性试 验时，试验施加的电压远远低于运行电压，对某些缺陷的反应也不够灵敏。 基于以上背景，本人向局有关部门提出了在油田魏岗1 l o k v 变电站实施绝 缘在线监测。本课题的研究目标是在魏岗变电站实现全自动的绝缘监测，对该 站耦合电容、主变、1 l o k v 电压互感器、1 l o k v 电流互感器和避雷器的绝缘状 态进行实时监测，对每台设备的不同绝缘参数进行数据处理、存储及越限值报 警，实现数据远传。为此，本人设计了系统的部分硬件，研制出取样精度较高、 抗干扰能力强的零磁通电流传感器、信号总线控制器，现场安装了信号调理器， 装设了与变电站接地系统相隔离的接地系统及接地电极( 接地电阻为1 0q ) ， 与该系统的软件部分结合，实现了通过局域网进行电网设备绝缘在线监测数据 采集和远程传输。 本文首先介绍了目前电网设备的检修现状，分析了定期检修的特点和不 足，简要介绍了电网设备在线监测的发展状况及其先进性。接着，本文给出了 总体设计的系统框图并详细介绍了该在线监测系统的信号采集部分，包括电流 传感器和信号总线控制器。随后，本文还简要介绍了信号调理器、保护屏蔽接 地与电源、计算机接口、信号处理等。最后，介绍了该在线监测系统的使用情 况并重点分析了几个案例。 关键词：变电站，绝缘，在线监测，介质损耗 硕士学位论文 m a s l r s t | l e s j s a b s t r a c t t h eo i lf i e l de l e c t r i cn e t w o r kh a sb e e na d o p t i n gt h et r a d i t i o n a l p e r i o d i c a l d o w n t i m ef o rm a i n t e n a n c ee v e rs i n c e n i sm a i n t e n a n c em o d eh a s m a n y d i s a d v a n t a g e s ：i tw a s d o n eu n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h ep o w e rw a so f f , a n dt h a tt h e m a i n t e n a n c ew a su n s c i e n t i f i ca n dn o tr e a l t i m ea n ds o m e w h a t a i m l e s s ；t h e p o w e r o f fw a s t o of r e q u e n ta n dt h et e s tc y c l ew a st o ol o n g ；i tc o u l dn o tc a l t yo u t t r a c i n gt e s to nt h ei n s u l a t i o no fr u n n i n ge l e c t r i cf a c i l i t i e s ；i tc o u l dn o tf i g u r eo u t w i t h o u t d e l a yt h ep o t e n t i a lm a l f u n c t i o no f t h ei n t e r i o ro ft h ef a c i l i t i e s ；w h e np o w e r w a so f ff o rp r e d i c t i v em a i n t e n a n c es u c ha sl e a k i n g ，e t c ，t h et e s tv o l t a g ew a sm u c h l o w e rt h a nt h e r u n n i n gv o l t a g ea n dt h er e s p o n s e f o rs o m ed e f e c t sw a sn o ts o s e n s i t i v e i nv i e wo ft h ea b o v e ，t h ea u t h o r s u g g e s t e dp e r f o r m i n go n - l i n e i n s u l a t i o n m o n i t o r i n g a t w e i g a n g 1l o k vt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o no fo u ro i l f i e l d t h e r e s e a r c h i n gs u b j e c to f t h i st h e s i sw a st or e a l i z ef u l l ya u t o m a t i co n - l i n ei n s u l a t i o n m o n i t o r i n ga tw e i g a n g t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ，t ot a k er e a l - t i m em o n i t o r i n go nt h e i n s u l a t i o ns i t u a t i o no f t h i ss u b s t a t i o n sc o u p l i n gc a p a c i t o r , m a i nt r a n s f o r m e r , l l o k v v o l t a g et r a n s f o r m e r , 11 0 k vc u r r e n tt r i m s f o r m e ra n da r r e s t e r s t o p r o c e s s t h e d i f f e r e n ti n s u l a t i o np a r a m e t e r so f e a c hf a c i l i t y , t os a v ed a t a ，a l a r ma n dt r a n s f e rt h e d a t ad i s t a n t l y t h e r e f o r e ，t h ea u t h o rd e s i g n e ds o m ep a r t so ft h eh a r d w a r eo ft h i s s y s t e m ，d e v e l o p e dz e r om a g n e t i cf l o ww i l hh i g h r e s o l u t i o no fs a m p l i n ga n ds u p e r a b i l i t yo fa n t i - j a m m i n ga n db u sc a b l ec o n t r o l l e r , i n s t a l l e ds i g n a ld e b u gd e v i c e ，f i x e d g r o u n ds y s t e ma n dg r o u n de l e c t r o d et h a tw a si s o l a t e dt ot h es u b s t a t i o n sg r o u n d s y s t e m c o m b i n e dw i t ht h es o f t w a r eo f t h i ss y s t e m t h i sh a r d w a r es y s t e mr e a l i z e d t h eo n l i n ei n s u l a t i o n m o n i t o r i n g d a t ac o l l e c t i o na n d t r a n s f e r r i n gt h e mb y l a n t h i st h e s i sf i r s ti n 2 0 d u c e dt h ec u r r e n tm a i n t e n a n e es i t u a t i o no ft h ee l e c t r i c n e t w o r kf a c i l i t i e s ，a n a l y z e dt h ef e a t u r e sa n dd i s a d v a n t a g e so fp e r i o d i c a ld o w n t i m e m m n t e n a n c e ，a n db r i e f l yi n t r o d u c e dt h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no f o n l i n em o n i t o r i n g o fe l e c t r i cn e t w o r kf a c i l i t i e sa n di t sa d v a n c e s i nf o l l o w i n g ，t h ep a p e rs h o w e dt h e s y s t e mi l l u s t r a t i o no f t h et o t a ld e s i g na n di n t r o d u c e dt h es i g n a lc o l l e c t i o np a r to f t h i so n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gc u r r e n tt r a n s f o r m e r , b u sc a b l ec o n t r o l l e r t h e ni tc a n l et h es i g n a ld e b u g d e v i c e ，p r o t e c t i n gs h i e l da n dp o w e rs o u r c e ，c o m p u t e r c o n n e c t i o n ，s i g n a lp r o c e s s a tl a s t ，t h ep a p e rp r e s e n t e dt h eu s i n gs i t u a t i o no f t h e o n l i n em o n i t o r i n gs y s t e ma n da n a l y z e ds o m ei m p o r t a n tc a s e s k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r s u b s t a t i o n ，i n s u l a t i o n ，o n l i n em o n i t o r i n g ，m e d i u ml o s s 1 1 1 硕士学位论文 m s i e r st ll e s i s 第一章绪论 1 ，1 电气设备检修的发展阶段 自有检修以来，至今大致可分为三个阶段，或者说经历了两次改革，即事 故维修定期维修状态维修，第一阶段是指第二次世界大战前，那时是 设备坏了才检修。第二阶段，就世界范围而言，大致可说是延续到7 0 年代， 检修特征是实施预防性检修( p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ) ，即按事先规定的时 间进行大修。从第二阶段转变进第三阶段的检修方法，要以一种革新的观点和 策略，一种称之谓可靠性为中心的检修( r e l i a b i l i t y c e n t e r e d m a i n t e n a n c e ) ， 来取代原先定期进行的预防性检修，并辅之以预测性检修( p r e d i c a t i v e m a i n t e n a n c e ) ，也称之谓状态检修( c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ) 。检修的 时间间隔是根据对设备的历史运行检修状态和连续监测数据，分析其趋势加以 预测诊断确定的，其中监测定义为在线的数据收集，包括传感器技术、测量技 术以及数字信号处理技术：诊断定义为对所有在线和离线数据的全面判断。 1 2 电气设备在线监测技术的发展阶段 变电站电气设备在线监测技术的发展，大体经历了以下3 个阶段。川： 带电测试阶段。这一阶段起始于7 0 年代左右，当时人们仅仅是为了不停 电而对电气设备的某些绝缘参数( 主要是泄漏电流) 进行直接测量，其结构简 单，测试项目极少，而且要求被试设备对地绝缘，测试的灵敏度较差，所以应 用范围较小，未能得到普及应用。 从8 0 年代开始，出现各种专用的带电测试仪器，使在线监测技术开始从 传统的模拟量测试走向数字化测量，摆脱将测试仪器直接接入测试回路中的传 统测量模式，而代之以利用传感器将被测量转换成数字仪器可直接测量的电气 信号。同时，还出现一些其他通过非电量测量来反映设备状况的测试仪器，如 远红外装置、超声装置等。这一时期具有代表性的带电测试仪器是日本的l c d 一4 型避雷器泄漏电流测试仪。 硕士学位论文 m a s le r si i s i s 从9 0 年代开始，出现以数字波形采集和处理技术为核心的微机多功能在 线监测系统。利用先进的传感器技术，计算机技术、数字波形采集和处理等高 新技术，实现更多的绝缘参数( 如介质损失角正切值t g6 、电容量、泄漏电流、 局部放电、色谱等) 在线监测。这种监测系统可以实时连续的巡回监测各被测 量，因此，监测内容丰富，信息量大，处理速度快，对监测结果可显示、存储、 打印、远传及越限报警，实现绝缘监测的全部自动化，代表了当今在线监测的 发展方向”。 1 3 定期检修的现状及存在的问题 1 3 1 定期检修的现状 电力系统中各种高电压设备经常处在不同电压等级的工作环境中，这些设 备在一段时期内会引起一些绝缘特性的变化，只有定期地按照有关标准对这些 参数进行严格测试，才能确保电力系统可靠正常地工作，因此称这些定期的试 验为预防性试验。计划预修制度是1 9 3 2 年由原苏联奥尔忠尼起则工厂提出的， 于1 9 5 4 年开始引进我国，对建立我国科学的设备管理制度起到了重要作用“。 计划预修制度的主要内容是：日常维护、定期检查、计划修理等，它属于以时 间为基础的“定期维修”预防维修制度。这种制度的典型特征是设备运行了一 定时间( 规定周期) 后，无论设备有无缺陷或问题都要停下来检查、试验、修 理，也就是“到期必修”。这种管理制度的显著弊端是极大的盲目性，不是修 试过剩就是修试不足。从供电企业设备来看，当前的主要倾向是修试过剩，以 至造成大量的人力、财力、物力的无效投入，影响供电企业可靠性的提高，甚 至增加了人身事故和误操作事故的几率”1 。 引起绝缘老化的因素很多，一些是制造时潜伏下的，另一些是运行在外界 作用的影响下发展起来的，外界作用有工作电压、过电压、大气影响( 如潮湿) ， 机械力、热、化学等。为早期发现电气设备绝缘劣化，电力系统经常进行预防 性试验，及时发现缺陷，可减少事故的发生。 2 硕士学位论文 m a s i f r s 1 i i e s i s 1 3 2 定期检修存在的问题 但这种传统的预试存在如下缺点”3 ： ( 1 ) 试验时需要停电。目前，我油田电力供应还比较紧张，今年尤其如此， 即使是计划性停电，也会给原油生产带来一定的影晌，甚至有时为了保证重要 生产线路的原油产量而无法停运待检修设备。 ( 2 ) 试验时间集中、工作量大。我油田的绝缘预防性试验大部分集中在春 季，由于要在很短的时间( 通常为2 个月左右) 内，对数百甚至上千台设备进 行试验，- n 劳动强度大，二则难以对每台设备都进行十分仔细的诊断，对可 疑的数据未能及时进行反复研究和综合判断，以致酿成事故。 ( 3 ) 试验电压低( 远低于设备的运行电压) 、诊断的有效性值得研究。油田 r =r = 变电站现行的变电设备中有很大部分的运行相电压为6 k v q 3 1 l o k v 4 3 ，而 传统的诊断方法的试验电压一般在l o k v 及以下，即试验电压远低于工作电压。 由于试验电压低，不易发现缺陷。 ( 4 ) 周期长，不能及时发现设备劣化。在某些情况下，当由于系统运行的 要求设备无法停运时，往往造成漏试或超周期试验，这就难以及时诊断出绝缘 缺陷。 ( 5 ) 受环境温湿度影响大，受现场强电场干扰大。变电设备停电后设备温 度降低测试结果有时不能反映真实情况，研究表明，约有5 8 8 的设备难以 根据低温度试验结果做出正确判断，并且设备停电后本身会受到变电站内电磁 场的影响，从而导致测量数据的偏差。 1 4 在线监测技术的先进性 供电设备采用在线监测系统后，可逐步向状态检修过渡，状态检修与传统 的定期检修方式相比其优越性主要体现在以下几个方面”3 ： 适时检修缺陷，可以预防设备事故的发生，提高运行的安全可靠性： 提高检修的质量和效率，增强检修的针对性，节省大量的人力物力； 可以延长检修周期，提高设备可用系数，减少停机时间和开停机次数，延 硕士学位论文 m as f f r si 】l e s i s 长设备的使用寿命。 美国电力研究院( e p r i ) 和工业设备维护公司( c s i ) 的统计次数表明“1 ： 在电力系统实施状态检修可以提高设备利用率2 1 0 ，节约检修费2 5 3 0 ； 延长设备使用寿命i 0 1 5 。电力部d l t 5 9 6 - 1 9 9 6 电力设备预防性试验规 程4 9 ”。中也已经明确规定“如经实用考核证明，利用带电测量和在线监测技 术能达到停电试验的效果，经批准可以不做停电试验或适当延长试验周期。” 由此可见，开展状态检修将为电力企业带来巨大的经济和社会效益，是检 修发展的必然方向。绝缘在线监测技术是一种新科技，是状态检修不可缺少的 技术手段之一。“”1 。 1 5 本文的组织 本文共分五章： 第一章：绪论。主要阐述了电网设备检修的发展阶段，分析了定期检修的 现状和不足，介绍了电网设备在线监测的发展状况及其先进性，以及本文的组 织结构。 第二章：总体设计。介绍了糇个课题的系统框图、主要功能、特点及测试 指标精度。 第三章：现场信号的采集。详细介绍了精度较高的有源穿芯电流互感器的 设计，信号总线控制器的设计。 第四章：信号处理及计算机接口。简要介绍了信号调理器、保护屏蔽接地 与电源、温湿度传感装置、计算机接口电路以及信号处理的计算方法。 第五章：工作总结与展望。阐述了本次研究的在线监测系统在油田变电所 的应用情况、典型案例分析及需要进一步做的工作。 4 硕士学位论文 m a s r l e r s i e 5 i s 第二章总体设计 2 1 系统框图 整个系统包括两大部分，前台信号采集系统和后台监控分析系统。如图2 - 1 所示。前台信号采集系统由现场信号采集部分和计算机测试部分组成，两部分 之间通过双屏蔽带铠电缆连接，其中信号采集部分主要由传感器、信号总线控 制器完成：计算机测试部分主要由高压保护、数据采集、信号调理、计算机接 口、电源系统、计算机系统等组成，同时还配有打印机和网络适配器。前台采 集的数据可通过网络传输到后台监控分析系统，由技术人员或设备管理人员进 行在线监测数据的浏览和分析。 当需要测量某一设备时，检测计算机发出设备地址号，由信号总线控制器 进行通道切换，将被测信号切换到相应的测试总线上；当测试完毕后，计算机 发出命令将被测信号与测试总线隔离。在进入检测计算机前，总线上的信号首 先经过高压保护，以防止过电压对系统的冲击，然后再经过信号调理放大到适 当的电平，由数据采集部分将波形录入计算机，经过信号分析和信号处理，完 成频率、运行电压、泄漏电流、等值电容、介质损耗、温湿度等参数的采集。 现场值号来集 计篁机测试 网培 后台监控 图2 - 1 系统框图 硕士学位论文 a s ie r s 【】l e s i s 2 2 主要功能 2 2 1 系统监测的设备和项目 本课题研究的在线监测系统主要用于中型、大型变电站，对主变套管、耦 合电容器、电流互感器、电压互感器、主变铁芯、主变中性点套管、各种避雷 器、断路器等高电压设备的绝缘状况进行在线监测。 主要监测项目有：介质损耗、泄漏电流、等值电容、母线电压、频率、铁 芯对地电流、零序泄漏电流、谐波分析等。 系统监测的设备和项目如表2 - 1 所示： 表2 - 1 系统监测的设备和项目览表“ 设备名称主要监测项目 电容式电流互感器介质损失角t g 6 电容式电压互感器t g6 的变化率a t g 6 耦合电容器等值电容量c 电容式主变套管等值电容量变化率c 运行电压u n 末屏对地电流i n频率f 主变铁芯铁芯对地电流i环境温度 电磁式p t激磁电流、激磁阻抗 环境湿度 氧化锌避雷器总泄漏电流i n 阻性电流i r 系统可以用局内m i s 网将现场运行的主机与班组或办公室的微机连接起 来，在班组或办公室就可以操作现场设备的测试，而且可以在监控中心的多台 微机上分析现场各设备的运行状况，自动化程度很高。 2 2 2 绝缘介质损耗的概念 绝缘中的介质损耗是以介质损失角的正切值t g6 表示的，介质损耗值的 6 硕士学位论文 h u s l e r sl i l ：s i s ! ! ! ! ! ! ! _ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! _ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 一 监测对于判断设备绝缘状况具有特别重要的意义。实践证明，介质损失角试i 一 是评价高压电气设备绝缘状况的有效方法之一，通过介质损失角试验可以发现 有缺陷电力设备的绝缘受潮，绝缘中含有气体以及浸渍物和油的不均匀或脏污 等缺陷，可有效预防事故的发生f 1 2 i f l 3 j 。 i 鞭j r x j r i 旺 cx 图2 2 绝缘的等值电路和相量图 图2 2 表示在交流电压下绝缘特性。流过介质的电流由两部份组成： 芒为电容电流分量，：为有功电流分量，其中电压产和产的夹角的 余角称为介质损失角。通常i c x i 。，6 甚小。 t g6 = i “i c x = 1 ( ) r x c x 介质中的功率损失p = u i 。= u 。= 扩c x t g6 。通过测量t g6 ， 可以反映绝缘的一系列缺陷：如绝缘受潮、油或浸渍物脏污或老化变质，绝缘 中有气隙发生放电等，这时流过绝缘体的电流中有功电流分量i 。增大，t g 6 也加大。因介质损失要在绝缘内部产生热量，所以介质损失越大，绝缘内部产 生的热量越多，从而使介质损失进一步增加，如此循环，可能最后在绝缘较弱 点形成击穿，故测量t g6 对于判断绝缘状况有着特别的意义。 t g8 与工作电压、工作频率、温度、湿度等因素有关，实践证明，试验温 度小于0 c 或在天气潮湿( 相对湿度 8 5 ) 进行绝缘t g6 测量，往往不能得到 反映绝缘状况的测量结果，因此一般不能用低温下的t g8 值来估算实际绝缘状 况，现场测量应在较高的温度( 或每次温度都在2 04 c 左右或相近温度) 和天气 干燥的条件下进行“。 2 2 3 现有几种介质损耗测量方法的比较 介质损耗的测量属于精密测量，通常t g6 很小( o 。1 _ 1 ) ，特别是在高压 7 硕士学位论文 k l & s i e r s f i i e s s 预防性实验条件下，它是对被试品两端加以工频( 5 0 h z ) 高压( 1 0 k v ) ，使被 试品中流过一个极其微小的电流( 通常在几十ua 几十【i a 的范围内) 。假定 这个微弱的电流与高电压间的夹角为巾，则在试验条件一定的情况下，它的余 角5 的正切值t g6 ，即可反映被试品介质损耗大小。由于在试品正常的情况下， 绝缘基本呈纯容性，故6 角一般在l o 以内。由此我们看到，这种高电压、微电 流、小角度的精密测量，不仅要求测量系统具有很高的灵敏度、准确度、抗干 扰能力，而且其测量方法的选择也是要求很高的。 介质损耗测量的传统方法有电桥法、谐振法、伏安法，但是这些方法在实 际应用中均没有取得令人满意的结果。 ( 1 ) 电桥法硬件复杂，工艺要求很高，一般不易实现，目前我国预试中普 遍采用的仪器是q s l 型高压西林电桥，价格昂贵，且易受外界电磁场等不稳定 因素的干扰。 ( 2 ) 谐振法不易满足高精度测量的要求。 ( 3 ) 伏安法的实现，复数除法是必不可少的，然而用硬件电路，要实现矢 量运算以及精确的计量是相当困难的。 ( 4 ) 在线监测法 在线监测系统测量介质损耗值时采用的方法 lp t 电压信号l _ 叫 高精度高 【泄漏电流信号l + 速全隔离 计算机 a ，d 图2 - 3 介损测量方框图 采用自适应频谱分析法，不受谐波影响、无元器件漂移影响，且数据稳定， 可实现测量的精确度、高稳定度。 这种方法的精度非常之高( 准确度为0 1 ) 与q s l 型介损电桥相当，且现 场在线测量时不受干扰( q s l 介损电桥在现场测量时经常受到干扰，甚至无法 工作) 。 硕士学位论文 n u s e r s r i i e s i s 2 3 系统特点 2 3 1 取样传感器采用穿芯式零磁通传感器 工作原理为零磁通传感技术，传感器内部采用特殊先进电路，辅以优良的 电磁屏蔽结构，不受温度、环境等影响，可达到高灵敏度、高精度和高稳定度， 又可避免设备接地回路串入传感元件带来的不安全因素。 2 3 2 信号总线控制技术 本系统总线采用独占工作方式，信号通道彼此完全独立，现场用一根电缆 将所有被测设备的传感器连接起来，也就是说，不管被测设备有多少台( 如1 0 0 台) ，信号电缆也是只有一根，只需通过选通将信号切换到测量总线上，并且 信号某一分支电缆可长至5 0 0 米，在特大型变电站运行依然保证高精度和高稳 定度。 2 3 3 隔离和限压保护 对所有输入线路均采取了隔离和限压保护措施，保证了系统的安全性。集 中式总线控制方式，采用一根双屏蔽电缆，提高了设备的抗干扰能力和设备的 可靠性，具有施工简单，可靠性高、抗干扰能力强、安全性好、维护方便等优 点。 2 3 4 自适应信号处理技术 采用自适应频谱分析法，具有较强的抗谐波、抗干扰和自适应能力，不受 谐波影响、无元器件漂移影响，数据稳定可信。 2 4 主要测试指标精度 系统电压 系统频率 o 5 0 0 1 h z 9 硕士学位论文 m a s f r sl e b l s 泄漏电流 等值电容 介质损耗 零序泄漏电流 避雷器全电流 避雷器阻性电流 o 5 1 o 1 9 6 2 2 5 1 0 硕士学位论交 m a sr e r lsi j l 巧i 第三章现场信号采集 3 1 电流传感器的设计与实现 3 1 1 概述 信号的拾取是整个在线监钡| i 系统非常重要的组成部分，它从信号源一级保 证了带电在线绝缘介质的精确测量，担负着信号获取、转换的任务，因此，零 磁通传感器是本绝缘在线监测系统的核心组成部分。一般的传感器是直接串联 接入设备末屏的，这样有可能造成设备末屏接地或接地线开路，危及设备的安 全运行，比如避雷器设备就不允许在接地线上串接任何阻抗元件。另外方面， 由于传感器安置在一次设备上，处于强电磁干扰环境下【1 5 】，同时又受到温度、 湿度等外界环境的影响，这些因素都会影响信号的采集，造成系统测量精度的 不稳。而我们研究的零磁通传感器，有效地解决了在线监测系统对信号传感器 的要求，其电流测量范围为1 0 n l a 1 0 a ，在要求的范围内有着良好的线性度。 图3 - 1 电流传感器组成框图 m k q i e r 鼢st i e 文s 、 高压设备泄漏电流一般很小，m a 级的泄漏电流要求传感器磁芯必须采用 高导磁率材料制造，如坡莫合金、非晶态合金等。一般传感器采用普通互感器 原理，传感器工作在磁滞回线上很短的一个区域，这个区域可以近似为一条斜 线，它们极易受材料内应力以及温度的影响，造成磁滞回线变化，测试数据极 不稳定，零磁通传感器是由一个。型线圈、一个i 变换器和一组放大器组成。 结构如图3 1 所示，原边线圈流过电流i 时，在磁环内产生一个磁通b ，检测 线圈检测到该磁通后，便控制电流源向补偿线圈中提供一个补偿电流，其产生 的磁场大小与b 相同，而方向相反，与b 相抵消。若抵消不完全，则剩余的 磁通会被检测线圈检测到，进一步调节补偿电流的大小和方向。这是一个典型 的自动负反馈系统，其最终平衡点是补偿后磁环中的磁通为零( 故称为零磁通 传感器) ，此时经i v 变换后u = k i 。此传感器的关键在于整个传感器工作在磁 通为零的这个工作点，而不象传统传感器工作在一条磁滞回线上，所以避免了 传感器的特性随温度漂移、非线性不好等缺点。 3 1 2 电流传感器的电路图 j i ：1 a g m2 + 1 2 v3 信号董一1 2 v ：l2 撞测线凰。3 1 4 反馈醐嘲 图3 - 2 电流传感器的电路原理图 硕士学位论文 m r s i e r s 1 i t e s i s ( 1 ) 检测线圈来的电流信号经过u ：放大电路产生一个反馈线圈电流，这个 电流通过反馈线圈产生反向磁力线来抵消原有的磁力线。 ( 2 ) u 。、u 组成检测信号放大电路，通过对流经反馈线圈的电流信号进行i v 转换、信号放大，得到检测信号，经过接插件j l 的3 脚传至总线控制器。 3 1 3 电流传感器的结构设计 电流传感器由三部分组成： ( 1 ) 电流互感器 选用坡莫合金作为磁芯材料，它具有高导磁率、线性度好、稳定性好等优 点。 其内径= 2 5 r a m 外径= 3 2 r a m ( 2 ) i v 变换器电路板 物理尺寸= 9 8 5 4m i l l ( 3 ) i v 变换器屏蔽壳 屏蔽壳采用流线型结构设计，材料选用钢质铝合金。 其长度= 1 8 0 r a m 宽度= 1 1 0 r a m 高度= 5 2 r a m ( 4 ) 物理引线 电流传感器与信号控制器的连线有四根：+ 1 2 v 、一1 2 v 、地线、信号线等。 传感器有一个或三个引线孔，根据设备的相序和安装方式选择。 3 1 4 电流传感器的屏蔽和保护 由于电流传感器安置在一次设备附近，处于强烈的电磁干扰环境下。这种 电磁干扰主要来源于高压设备所产生的电场、局部放电等，这些都会带来测试 中很难处理的随机误差，所以需要给i v 变换器加上屏蔽，采取有效的措施防 止高压对系统的影响。 ( 1 ) 防水防锈蚀 1 3 硕士学位论文 m a ! 汀e r s1 i 【e s i s 材料选用钢质铝合金防水防锈蚀。传感器外屏蔽壳、引线孔和p v c 管处 加弹性橡胶密封垫片和垫圈。 ( 2 ) 保护 采用m o v 压敏电阻，能有效地防止因雷击出现的高压对系统产生的破坏。 3 1 5 出厂前老化 由于传感器长期置于户外，工作环境相当恶劣，出厂前所有传感器都要模 拟现场使用情况，进行严格的温湿度老化试验。传感器老化试验要求和方法参 照g d 6 5 8 7 - - 8 6 系列国家标准“。 温度试验：g b 6 5 8 7 2 - 8 6 高温6 0 。c ，4 h ：4 0 2 ，1 6 h ( 通电) 低温- - 4 0 ，4 h ；一1 0 ，1 6 h ( 通电) ； 湿度试验：g b 6 5 8 7 3 - 8 6 5 0 。c ，9 0 r h ，2 4 h ( 通电) 所有传感器都要经两次老化处理，第一次对印刷电路高低温和湿度老化： 老化后检验传感器波形和相位调整；调好的电路板再用环氧树脂全密封浇注、 整体装配，然后再进行第二次温湿度老化。 3 1 6 性能测试 ( 1 ) 实验室低压测试 实验室采用图3 3 的电路进行测试“。 t 王国 隔离变压器 图3 - 3 实验室低压测试电路 理想电路的介质损耗据曲= 历1 函，改变r 、c 的值可得到不同的介质损耗 1 4 硕士肇位论文 h l 、s l lh 1sl f i i s i s 值。 这里取c = o 3 3 3uf ，改变电阻r 的值，将理论值与测量值进行比较，如表 3 一l 所示： 表3 - i 实验室测量 理论值 0 1 4 0 2 5 9 60 4 0 测量值 0 1 1 0 2 2 o 4 1 ( 2 ) 高压大厅1l o k v 测试“7 1 测试电路如图3 4 所示： 试品 图3 4 高压大厅试验电路 被试品选用耦合电容器，电容量为0 0 0 9uf ，标准介质损耗测量仪器为 2 8 0 1 电桥。 试验数据如表3 2 和表3 3 所示： 表3 - 2 运行电压7 3 k v 对比试验 介质损耗 r = o qr = 3 5 k q r = 1 0 0 k q 标准介质损耗 0 3 5 6 8i 5 4 23 7 5 4 ( ) 测量介质损耗 0 3 7 1 5 73 7 8 ( ) 硕士学位论文 m a s n m s l t i m s , 表3 - 3 运行电压8 0 k v 对比试验 介质损耗 r = 0 0r = 3 5 k qr = 1 0 0 k q i 标准介质损耗( )0 3 5 9 11 5 3 43 6 6 8 l 测量介质损耗( ) 0 3 41 5 43 7 4 ( 3 ) 现场对比试验“” a ) 试验原理 在c t 的末屏串接不同的电阻，将会改变电流电压的矢量关系，设备的介质 损耗也应发生相应的变化。 b ) 试验方法 测试电路如图3 5 所示： 图3 - 5 现场对比试验接线图 在被测高压设备的末端( 或者末屏) 串联容量恰当而阻值不同的电阻r t 、r 。、 r 。、r 。等，使其呈现的介质损耗值改变，先安排在停电状态下用高压电桥进行 测量，可得出一组数据；然后对设备送电，由在线监测装置进行测量；将两者 的结果互相比较，就可以确定在线监测装置所测数据的准确性和真实性。 c ) 试验电阻阻值和功率的选择方法 串联不同的电阻可得到相应的介质损耗变化量。由于在做对比试验时，电 阻上所旌加的电压很高，长时间工作，电阻的工作特性会发生变化，所以试验 过程中，必须充分注意所用电阻的热稳定性，应在两方面予以考虑：首先电阻 的容量应足够大；其次测试持续时间应该较短，测试完毕，应立即测量电阻的 1 6 硕士学位论文 m s i e r sl l 慢s 【s 匾面i 一葛硬手芬菥每不百匾磊丽葡面再萄i 忑 电阻功率为实际计算值的4 倍，这主要考虑试验中电阻的热稳定性。一般选 择5 0 w 。为使串接电阻后设备的介质损耗量发生较大变化，对于电容量大的容 性设备，r ，、r ：、r 。、r 。根据实际情况选取适当的阻值。 d ) 试验过程和具体操作方法 试验过程中，先将刀闸合上，测得r = o k q 时的数据并记录： 然后将夹子夹在b 点，断开刀闸，测得串联电阻r = r 。时的数据并记录。 刀闸合上，将夹子夹在c 点，断开刀闸，测得r = r 十r ：时的数据并记录。 刀闸合上，将夹子夹在d 点，断开刀闸，测得r = r 。+ r 2 + r 。时的数据并记录。 刀闸合上，将夹子夹在e 点，断开刀闸，测得r = r 。+ r 2 + r 。+ r 。时的数据并记录。 以上步骤在停电时，由电桥先操作一次，送电后再由绝缘在线监测系统操 作一次，将两次数据进行记录，整理和比较。 设备需再次停电，拆除电阻及连接线，恢复设备正常运行状态，对比试验 结束。 e ) 试验数据如表3 4 和表3 5 所示： 表3 4 使用标准电桥的介质损耗测试结果 末屏电阻测试电压 t g6 ( ) 电容量( p f ) 0 k ql o k v0 3 0 4 6 5 9 9 4 k ql o k v0 5 3 9 6 5 9 9 6 k q l o k v0 6 5 86 5 9 8 9 k ql o k v0 8 3 46 5 9 8 1 2 k q l o k v1 0 1 16 6 0 2 表3 5 使用在线监测的介质损耗测试结果 末屏电阻测试电压t g6 ( )电容量( p f ) o k q2 2 0 k v 0 2 8 4 26 5 9 9 i 4 k q2 2 0 k v0 5 8 9 6 6 6 0 4 4 6 k q2 2 0 k v0 7 6 9 8 6 6 0 i 0 9 k q 2 2 0 k v0 9 8 2 5 6 6 0 2 7 1 2 k q 2 2 0 k v1 2 1 6 1 6 5 7 7 1 硕士学位论文 m as i e r si i 正s s f ) 萌薪丽焉甄 本系统经实际测试和现场应用证明，其传感器测量准确度和长期稳定度以 及数据的可靠性都非常高。 以下为魏岗变电站1 # 变1 l o k v 套管a 相为例，采用抗干扰电桥测得标准介 质损耗0 3 1 0 ，电容量为1 8 9 o p f ，本系统现场测量情况见表3 6 表3 6 魏岗变电所1 # 变1 l o k y 套管a 相在线测量数据 序号测试时间t g6 ( )电容量( p f ) l 2 0 0 3 0 4 1 5 o 3 1 2 91 8 7 2 5 2 2 0 0 3 0 5 15 0 3 0 1 21 8 7 8 2 3 2 0 0 3 0 2 2 8 0 3 0 9 31 8 8 7 1 4 2 0 0 3 0 7 1 9 0 3 2 8 61 8 9 2 6 52 0 0 3 0 8 0 60 3 2 7 21 8 8 9 3 该数据表明本系统具有较高的测试准确度和测量数据的稳定性。 3 2 信号总线控制器 3 2 1 概述 为克服目前在线监测电缆数目过多，施工量大等问题我们采用总线式集中 监测方案，在设备现场安装多个信号总线控制器，它的作用是完成信号的切换， 即当需要测量某一设备时，总线控制板接收主控制系统的命令，将信号切换到 测量总线上。为提高系统的可靠性，总线控制板的c p u 采用a t m e l 公司的 a t 8 9 c 2 0 5 1 “”芯片，通讯芯片采用m a x i m 公司的m a x l 4 8 7 “，该控制器具有可靠 性高、通信距离远等优点。 t 8 硕士学位论文 m a s i e r s 【1 1 i s i s 3 2 2 电路框图 r x t x 竺- 臣里弘 i 3 2 3 工作原理 图3 - 6 总线控制器电路框图 1 2 v 1 2 v 线路传输差分信号，数据收发由m a x l 4 8 7 完成，电路控制、译码由 a t 8 9 c 2 0 5 1 完成。当接收到地址码选中命令后，a t 8 9 c 2 0 5 1 执行继电器吸合命 令，同时给控制系统发出应答信号，表明已经执行；当接收到中断命令时， a t 8 9 c 2 0 5 1 执行继电器断开命令，被测信号与测量总线隔离，同时回答应答信 号；当接收到测试命令时，只回答应答信号，表明控制系统正常。整个总线控 制板的电源分成数字电源和模拟电源，它们互相隔离，不共地，避免数字地对 模拟信号产生干扰。 ( 1 ) 绝缘在线监测系统启动检测工作时，首先让现场总线上电源得电、现 场各总线控制器上的数字控制部分运行，等待检测主机发出指令。 ( 2 ) 检测主机通过4 8 5 通讯线同现场各总线控制器上的单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 进行通讯，通讯线路传输差分信号，数据收发由m a x l 4 8 7 完成。当a t 8 9 c 2 0 5 1 接到主机发出的地址码选中指令后，a t 8 9 c 2 0 5 1 完成继电器吸合动作，使总线 控制器上的模拟电路得电，并把该总线控制器上的检测信号通道接入总线，同 1 9 硕士学位论文 n b k s ie r s7 i i i e s 【s 时给检测主机发出应答信号，表明动作执行完成。 ( 3 ) 当接到检测主机发出检测指令后，a t 8 9 c 2 0 5 1 首先对指令进行译码，由 p 3 2 、p 3 3 、p 3 4 、p 3 5 端口输出的控制信号经过光电隔离，对多路模拟选择 开关d g 5 0 6 进行选通，这样，所对应的检测信号通过d g 5 0 6 输出和运放0 p 2 7 的驱动，经过现场总线，送入控制室中的计算机检测系统。 ( 4 ) 当a t 8 9 c 2 0 5 1 接到主机发出的停止指令后，a t 8 9 c 2 0 5 1 执行继电器断开 动作，停止划总线控制器上的模拟电路供电，并把该总线控制器上的检测信号 通道和总线隔离，同时给检测主机发出应答信号，表明已经执行。 3 2 4 原理分析 ( 1 ) 微控制器a t 8 9 c 2 0 5 1 我们采用的单片机是a t 8 9 c 2 0 5 1 ，它是一种8 位单片机，内部采用高速c m o s 工艺，低功耗、i o 口驱动能力强。主要性能如下： a ) 1 5 根双向i o 口 b ) 功耗低 c ) 内部r a m1