王 賦,王 任,王作松

(云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院,昆明 650217)

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一種容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置全系統(tǒng)校驗(yàn)方法研究及校驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

王 賦,王 任*,王作松

(云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院,昆明 650217)

在總結(jié)分析容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)有校驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上,提出一種新型的全系統(tǒng)校驗(yàn)方法,并開發(fā)相應(yīng)的校驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置離線條件下泄漏電流和介損值準(zhǔn)確性的全量程校驗(yàn)以及在線條件下實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)的校驗(yàn)。通過量值溯源和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn),證明該校驗(yàn)系統(tǒng)的介損測(cè)量絕對(duì)誤差<0.1%,電容比率測(cè)量相對(duì)誤差<2%,滿足校驗(yàn)需求。

高電壓測(cè)量技術(shù);容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置校驗(yàn);介質(zhì)損耗;泄漏電流

電力系統(tǒng)中,高壓容性設(shè)備約占變電站設(shè)備總量的40%～50%,其絕緣狀態(tài)是否良好直接關(guān)系到整個(gè)變電站能否安全運(yùn)行,因而對(duì)其絕緣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有重要的意義。長(zhǎng)期以來,絕緣監(jiān)測(cè)的主要方法是在設(shè)備停電的基礎(chǔ)上進(jìn)行常規(guī)預(yù)防性試驗(yàn)。近年來,隨著電力系統(tǒng)朝著高電壓、大容量方向發(fā)展,容性設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)較之傳統(tǒng)的預(yù)防性試驗(yàn)在提高系統(tǒng)供電的可靠性、提高電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益、增加人身安全性等方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì),因此被廣泛安裝和應(yīng)用[1-4]。但從目前國(guó)內(nèi)容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置的安裝和運(yùn)行情況來看,效果并不理想[5],尚存在許多技術(shù)問題亟待進(jìn)一步解決:

(1)傳感器通常采用高導(dǎo)磁材料作鐵芯的高靈敏度電流互感器,此類互感器為提高小信號(hào)測(cè)量的靈敏度,大多采用軟磁芯,因此,其磁性易受外界條件(如溫度、壓力、沖擊等)影響,進(jìn)而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性[6-7]。

(2)介損測(cè)量穩(wěn)定性差和重復(fù)率高,測(cè)量誤差大。

(3)由于在線監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)連續(xù)性,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中強(qiáng)烈的電磁干擾一直是影響在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要因素。

因此,為對(duì)容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行情況,尤其是測(cè)量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行有效評(píng)價(jià),對(duì)其開展校驗(yàn)勢(shì)在必行。

1 容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置的校驗(yàn)方法現(xiàn)狀分析

容性設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中存在許多干擾因素,造成測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差,對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)是校正誤差的有力手段。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置的校驗(yàn)尚處于探索階段,已有的校驗(yàn)方法可歸納為以下幾種[8-10]:

(1)傳統(tǒng)校驗(yàn)方法,采用實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)的方法。在高壓實(shí)驗(yàn)室通過電容、電阻組成的串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模擬容性設(shè)備,通過改變阻容網(wǎng)絡(luò)參數(shù)改變?cè)诰€監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)量(如泄漏電流、介質(zhì)損耗等)的大小,將阻容網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)值(介損、電容等)與在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比,從而判斷在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量的準(zhǔn)確性及靈敏度,試驗(yàn)原理如圖1(a)所示。此種方法由于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境相差甚遠(yuǎn),無法考核在線監(jiān)測(cè)裝置的現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力。且由于電容的接入,不可避免地對(duì)電網(wǎng)的諧波進(jìn)行放大,進(jìn)而對(duì)校驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

圖1 容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置校驗(yàn)原理圖

(2)在變電站現(xiàn)場(chǎng)將高壓容性設(shè)備退出運(yùn)行,并在其末屏串接阻容網(wǎng)絡(luò),對(duì)容性設(shè)備進(jìn)行10kV離線絕緣試驗(yàn),利用高壓電橋等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備測(cè)得實(shí)際絕緣狀態(tài)參數(shù),試驗(yàn)接線原理如圖1(b)所示。另用在線監(jiān)測(cè)裝置同測(cè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),試驗(yàn)接線原理如圖1(c)所示。將兩次得測(cè)得結(jié)果進(jìn)行變化量的對(duì)比,從而判斷在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量的準(zhǔn)確性及靈敏度。此種方法雖在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行,但由于承受一定的電壓后,末屏對(duì)地的絕緣呈現(xiàn)非線性特性,造成測(cè)量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)不穩(wěn)定性,為測(cè)量結(jié)果帶來較大的誤差。

(3)在帶電情況下通過斷開被試設(shè)備末屏線,串接電阻器件,改變被試容性設(shè)備的介損值大小,然后將理論值與線監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)量值對(duì)比,判斷在線監(jiān)測(cè)裝置的準(zhǔn)確性及靈敏度,試驗(yàn)原理如圖1(d)所示。由于末屏耐受電壓值有限,此種方法串接的電阻器阻值允許范圍很小,因此測(cè)量點(diǎn)選取非常有限(至多2～3個(gè)點(diǎn)),無法對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行寬范圍或全量程測(cè)試。

其中:ZT為調(diào)壓器,ST為升壓變壓器,CT為電流傳感器,PT為電壓互感器,R1為分壓器高壓臂電阻,R2為分壓器低壓臂電阻,R1、R2、Rn為阻容網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)準(zhǔn)電阻,Rs為串接的電阻元件,R、C為串接的電阻和電容,C1、C2、Cn為阻容網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)準(zhǔn)電容,Cx為容性設(shè)備。

上述3種校驗(yàn)方法由于各自存在缺陷,均無法對(duì)容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行全面校驗(yàn),且不能有效考核測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾能力,無法評(píng)定現(xiàn)場(chǎng)的干擾對(duì)測(cè)量系統(tǒng)造成的影響。因此,有必要研究一種新的更為行之有效的校驗(yàn)方法,可以兼顧校驗(yàn)過程的整體性、完整性,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的全量程、全系統(tǒng)校驗(yàn)和有效評(píng)價(jià)。

2 容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置的全系統(tǒng)校驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)組成

為實(shí)現(xiàn)容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置的全系統(tǒng)校驗(yàn),開發(fā)了相應(yīng)的校驗(yàn)系統(tǒng),組成原理框圖如圖2所示,校驗(yàn)系統(tǒng)由控制單元、信號(hào)發(fā)生單元及在線測(cè)量單元3部分組成。

圖2 校驗(yàn)系統(tǒng)組成原理框圖

2.2 系統(tǒng)整體技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)整體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置校驗(yàn)系統(tǒng)各組成單元的技術(shù)參數(shù)

2.3 抗干擾技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜,多種干擾因素并存[19],采用有效的措施消除校驗(yàn)過程的干擾,成為校驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)過程的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)。

(1)過采樣抗干擾技術(shù)

在線監(jiān)測(cè)裝置所受到的干擾是一系列的寬頻信號(hào):50 Hz～1 MHz,以往普遍認(rèn)為加裝一級(jí)低通硬件濾波器即可以排除高頻干擾。但是,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)表明:雜散電容與電感引發(fā)諧振,造成被測(cè)量信號(hào)畸變,導(dǎo)致相位測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動(dòng)。校驗(yàn)系統(tǒng)中采取的解決方案為:提高數(shù)據(jù)采集器的采樣頻率至100 kHz/s,對(duì)信號(hào)進(jìn)行過采樣,將高頻信號(hào)濾除,從而得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的結(jié)果。此種技術(shù)可使介損測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性大大提高,介損絕對(duì)值分散性不大于0.03%。

(2)數(shù)字濾波及模擬濾波技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用

由于多種干擾因素并存,欲有效消除干擾,僅靠單一的方法無法達(dá)到理想的效果。校驗(yàn)系統(tǒng)中的在線測(cè)量單元,通過采用高穩(wěn)定濾波和陷波帶通電路相結(jié)合,將大部分干擾信號(hào)被濾過,再利用改進(jìn)的傅利葉數(shù)字濾波方式對(duì)殘余干擾信號(hào)進(jìn)行過濾,最后送計(jì)算機(jī)處理,從而有效濾除干擾信號(hào),提高測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。

圖3 校驗(yàn)系統(tǒng)在線測(cè)量單元濾波電路原理框圖

3 容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置的全系統(tǒng)校驗(yàn)

校驗(yàn)過程分為離線條件下的低信號(hào)全量程校驗(yàn)和在線條件下的實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)校驗(yàn)。

(1)離線條件下的低信號(hào)全量程校驗(yàn)。校驗(yàn)及接線原理如圖4所示。信號(hào)發(fā)生單元由信號(hào)發(fā)生模塊、計(jì)算機(jī)及外圍D/A模塊組成?？刂茊卧煽刂颇K產(chǎn)生所需的數(shù)據(jù),調(diào)節(jié)控制信號(hào)發(fā)生單元輸出不同幅值和相位的電壓和電流信號(hào),送至容性在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)量。由在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)出被測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的絕緣參量(如泄漏電流、介損等),并與模擬信號(hào)代表的電流大小與介損進(jìn)行直接比較。校驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)出的模擬信號(hào),可以覆蓋被試在線監(jiān)測(cè)裝置電流、電壓以及相位的整個(gè)測(cè)量范圍,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)容性在線監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)離線條件下電流和介損值的全量程校驗(yàn)。

圖4 離線條件下的低信號(hào)全量程校驗(yàn)試驗(yàn)原理圖

其中:CT為電流傳感器,U為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào),I為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。

(2)在線條件下的實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)校驗(yàn)

在容性設(shè)備帶電運(yùn)行條件下,利用相對(duì)法,實(shí)際測(cè)量該在線監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)量對(duì)象——容性設(shè)備的介損和電流值,校驗(yàn)接線原理如圖5所示。將校驗(yàn)系統(tǒng)在線測(cè)量單元的測(cè)試值與在線監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比,實(shí)現(xiàn)容性在線監(jiān)測(cè)裝置實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)的準(zhǔn)確性校驗(yàn)。其中:CT、CT1、CT2為電流傳感器,Cx1、Cx2、Cx3、Cxn為容性設(shè)備,PT1、PT2為電壓互感器。

通過綜合分析離線和在線條件下的校驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)被試在線監(jiān)測(cè)裝置的基本準(zhǔn)確度和抗干擾能力的給出整體評(píng)價(jià)。

圖5 在線條件下的實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)校驗(yàn)試驗(yàn)原理圖

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 校驗(yàn)系統(tǒng)的量值溯源和誤差試驗(yàn)

為檢驗(yàn)研發(fā)的校驗(yàn)系統(tǒng)各參量測(cè)量的準(zhǔn)確度等級(jí)是否滿足現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)需求[23],進(jìn)行相應(yīng)的量值溯源和誤差對(duì)比試驗(yàn)。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生單元,發(fā)出一系列的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),將高精度的KMSB30電橋與校驗(yàn)裝置的測(cè)量單元并聯(lián)后,一并連接到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生單元輸出端,同時(shí)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,分別記錄KMSB30電橋與校驗(yàn)裝置的測(cè)試數(shù)據(jù),試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 校驗(yàn)系統(tǒng)的量值溯源和測(cè)量誤差試驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位:%

由表2可以看出,校驗(yàn)系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生單元的介損絕對(duì)誤差<0.05%,電容比率相對(duì)誤差<0.5%;校驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量單元的介損測(cè)量絕對(duì)誤差<0.07%,電容比率測(cè)量相對(duì)誤差<1%。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)

選取三岔變電站220 kV開關(guān)站的6組電流互感器作為被試品,利用校驗(yàn)系統(tǒng)的在線測(cè)量單元對(duì)進(jìn)行在線狀態(tài)下的介損、電容比值進(jìn)行測(cè)量,用以驗(yàn)證在線條件下對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)校驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可行性。校驗(yàn)中,以211作為參考項(xiàng),其余為被測(cè)項(xiàng),每次測(cè)量可得到兩個(gè)電流互感器的介損差值和電容比值。測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示,其中,CN為標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng),CX為被測(cè)項(xiàng),(tanθ2-tanθ1)為實(shí)測(cè)介損差值,C2/C1為實(shí)測(cè)電容比值,(tanθ20-tanθ10),C20/C10為相應(yīng)的設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)值。

比較兩種不同的方法所測(cè)結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:與傳統(tǒng)的預(yù)防性試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較,校驗(yàn)系統(tǒng)的介損測(cè)量誤差不大于0.05%,電容比值誤差不大于2%。因此,用此種校驗(yàn)方法和相應(yīng)的校驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置開展校驗(yàn)工作是可行的。

表3 三岔變電站現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行現(xiàn)狀,提出了一種新型的容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置的全系統(tǒng)、全量程校驗(yàn)方法,并開發(fā)了相應(yīng)的校驗(yàn)系統(tǒng)。較之以往的校驗(yàn)方法,具備以下優(yōu)點(diǎn):

(1)對(duì)于目前主流的兩種容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置(絕對(duì)法和相對(duì)法),校驗(yàn)方法均適用;

(2)通過調(diào)節(jié)校驗(yàn)系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生單元的幅值和相位,可實(shí)現(xiàn)對(duì)容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置的全范圍、寬量程校驗(yàn);

(3)校驗(yàn)系統(tǒng)準(zhǔn)確度較高,能滿足現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的需求[3]。校驗(yàn)系統(tǒng)介損測(cè)量絕對(duì)誤差<0.1%,電容比率測(cè)量相對(duì)誤差<2%。

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王賦(1964-),男,漢族,學(xué)士,高級(jí)工程師,主要從事高電壓技術(shù)的試驗(yàn)及研究工作,wangjing_765@sina.com;

王任(1982-),女,漢族,遼寧沈陽(yáng)人,碩士,工程師,主要從事高電壓技術(shù)的試驗(yàn)及研究工作,wangren9@163.com;

王作松(1968-),男,漢族,學(xué)士,高級(jí)工程師,主要從事高電壓技術(shù)的試驗(yàn)及研究工作,1308472901@qq.com。

ResearchofaNewCalibrationMethodfortheWholeSystemofCapacitiveEquipmentOn-LineMonitoringDeviceandDevelopmentofItsCorrespondingCalibrationSystem

WANGFu,WANGRen*,WANGZuosong

(Yunnan Electric Power Test and Research Institute,Kunming 650217,China)

On the basis of analysis of the existing calibration methods for the capacitive equipment on-line monitoring device,a new calibration method is proposed and its corresponding calibration system is developed in order to evaluate the capacitive equipment on-line monitoring device. The calibration process is completed by detecting the measurement accuracy of the leakage current and dielectric loss factor for the full measurement range off-line and the specific actual value of that on-line. It has been verified that the calibration system meets the requirements. The absolute error of dielectric loss of this system is less than 0.1%,and the relative error of capacitance ratio is less than 2%.

high voltage measurement techniques;calibration of capacitive equipment on-line monitoring device;dielectric loss factor;leakage current

2013-11-05修改日期:2013-12-02

TM835

:A

:1005-9490(2014)06-1215-06

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.041