绝缘在线监测

绝缘在线监测（精选8篇）

绝缘在线监测 篇1

1 概述

GIS是电力生产与输变电设施的主要设备之一, 使用六氟化硫 (SF6) 作为绝缘和灭弧介质, 具有占地面积小, 安装简单、功能全面的特点。随着我国电力工业的发展, GIS的使用还会日渐增多。GIS设备一旦发生故障, 引起的停电时间长, 检修费用高, 损失巨大。现场使用经验表明, 大部分故障是可以预先监测的, 因此采用先进的GIS在线故障诊断技术, 可以大幅度减少GIS的故障率。

2 在线监测意义

GIS在线监测可分为两部分, 一为SF6微水密度在线监测, 二为局部放电在线监测。

2.1 SF6密度微水在线监测

SF6气体的湿度、密度两项物理指标是否处于额定范围之内, 决定着SF6气体的绝缘和灭弧性能的有效与否。

SF6气体含有超标的水分后, 在一些金属物的参与下, 在200℃以上温度时可使SF6发生水解反应, 生成活泼的氢氟酸 (HF) 和有毒的SOF2、SO2F2、SF4和SOF4等低价硫氟化物, 在高温拉弧的作用下, 还将分解产生温室气体之一的二氧化硫 (SO2) 和氢氟酸 (HF) 。它们将腐蚀绝缘件和金属部件, 并产生热量从而导致气室内气体压力的危险升高, 断路器耐压强度和开断容量下降, 严重情况下将导致断路器爆炸,

电力相关规程规定:每日巡回监视气体密度, 每1-2年对SF6气体的含水量进行检测。含水量检测通常采用露点仪进行现场停电检测, 检测时按标准取样气体流量, 即30-40升/小时计算, 一次测试需排放SF6气体约35升。

安装SF6微水密度在线监测可时时监测SF6状态, 提前发现状况, 避免发生事故。

2.2 局部放电在线监测

局部放电是反映GIS绝缘性能的主要参数之一, 它是绝缘劣化的征兆和表现形式, 也是绝缘进一步劣化的主要原因。常规检测需要长时间的停电, 放气, 对电力行业的正常运行造成影响, 安装局部放电在线监测能发现其内部的早期缺陷, 以便采取措施, 避免其发展。

3 在线监测装置组成

3.1 SF6微水密度在线监测

SF6微水在线监测主要分为现场变送、信号传输、后台分析三部分。

现场变送:将SF6密度、微水、温度等参数转化为电信号, 经信号传输电缆传送到后台监测主机, 有后台分析软件分析当前设备运行状态。

3.2 局部放电在线监测

GIS内部发生局部放电, 会在外壳产生微弱电流, 在设备接地线上有高频电流通过, 局部放电还会使气室内压力突然增大, 产生超声波, 并且有电磁信号辐射。这些变化特征都可作为局部放电的检测对象, 目前常用的有以下几种方法。

(1) 耦合电容法:GIS内部产生局部放电时通过分布电容耦合, 在设备接地线上产生脉冲电流, 通过HFCT传感器采集到该信号, 能够检测到设备内部的局部放电状况, 检测频带为100KHz~30MHz。

(2) 超声法:GIS产生局部放电时会产生超声波, 超声波会通过外壳传出, 将超声传感器贴到GIS外壳上, 能够检测到设备内部是否发生局部放电。该方法最大的优势是可以通过电声或声声配合的方法实现对设备内部的放电点定位。

(3) 超高频法 (UHF) :局部放电产生时会向空间辐射特高频电磁波, 可利用UHF传感器接收频带为300MHz-1.5GHz的放电信号, 由于检测频率较高, 受环境的干扰小, 由于GIS封闭式金属外壳, 电磁波不容易传出, 可将UHF传感器安装在盆式绝缘子上, 接收GIS内部产生的局部放电信号。

3.3 在线监测方法的综合运用

由于引起GIS设备绝缘老化的原因有多种, 每种在线监测方法的都有它的优势和局限性, 采用多种监测方法综合运用, 能够提高GIS绝缘在线监测的准确性。

4 数据分析

在线监测是一个长期积累的过程, 通过数据的长期积累, 对检测数据的分析, 评估设备的运行状态, 因此数据的处理尤其重要。下面介绍几种常见的数据处理方法。

(1) 趋势图

将监测数据按时间显示, 可观察设备的运行状态走势, 判断当前设备的运行状态。

(2) 专家识别系统

将典型放电类型定义为一种放电模式, 通过对比, 识别当前局部放电类型, 对设备的运行状态进行评估。

(3) 综合评估系统

将在线监测中微水、局部放电信息集中到一起, 综合评估当前设备运行状态。

5 总结

GIS在线监测实现了GIS运行状态下的状态评估, 减少了以往由于停运检测带来的损失。同时诸多监测方法的运用更加确保了数据的准确性。GIS在线监测是未来电力检修行业的发展趋势。

直流系统在线绝缘监测装置的研究 篇2

发电厂、变电站的控制及信号系统、继电保护及自动装置、电气测量仪表、操作电源等统称为二次设备。它负责厂站全部供电设备的控制、保护、测量、事故判断、发出相应信号。直流电源作为二次设备的供电电源, 是一个十分庞大的多分支供电网络, 其常见的故障是一点接地故障。在一般情况下, 一点接地并不影响直流系统的运行, 但如果不能迅速找到接地故障点并予以修复, 又发生另一点接地故障, 就可能引起信号回路、控制回路、继电保护装置等的误动作[1,2,3,4]。

1 系统整体设计

绝缘检测装置采用高性能8位C8051F040单片机作为CPU, 用来在线检测直流系统的接地故障。通过测量三种状态下的采样电阻的电压, 计算直流母线对地电阻阻值, 检测母线是否存在接地故障;通过漏电流传感器测量各支路漏电流的值, 计算出各支路接地电阻, 检测各支路是否存在接地故障。本设计采用模块化设计思想, 主要有母线绝缘检测部分和支路绝缘检测部分组成。母线绝缘检测部分称为绝缘主机, 支路绝缘检测部分称为绝缘从机[5,6,7,8]。系统结构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 CAN总线通信模块

电厂和变电站的直流系统为所有的二次设备供电, 所以它是一个庞大的多分支供电网。为了能准确检测出接地故障所在的支路, 必须给每个支路都安装电流传感器, 且各支路都带有CPU (形成智能节点) , 用来检测母线各支路的绝缘电阻。本文采用纠错能力强、造价低、实用性强、通信距离超过10km的CAN总线实现数据通讯。

绝缘从机模块的设计中采用了C8051F040单片机, C8051F040内带CAN总线控制器, 节省了独立元件的数量和其它外围电路的开销, 只需外加CAN收发器即可实现CAN通信。通讯接口电路原理图如图2所示。

2.2 传感器模块

传感器电路主要用来检测支路的漏电流[9]。主要有线圈、振荡电路、整形电路组成。传感器电路原理图如图3所示。其工作原理:电线从线圈的中心通过, 当有电流流过电线时, 振荡电路输出的矩形波的占空比就会发生变化, 通过整形电路将波形整定到0V~3V的矩形波, 单片机通过捕捉单元来捕捉高、低电平时间, 就可以计算出漏电流值[10]。

3 系统软件设计

传感器模块的软件主要包括:支路实时检测和与绝缘主机进行通信。

支路实时检测:检测各直流支路漏电流传感器的输出信号, 判定各支路是否出现接地故障或传感器是否自身故障[11]。

与绝缘主机进行通信:采用CAN总线通信, 通过中断接收绝缘主机的命令, 根据动作命令进行相应检测步骤, 并将检测的结果通过CAN总线发送给绝缘主机。传感器模块的主程序流程图如图4所示。初始化包括开全局中断、标志赋初值、端口初始化、看门狗初始化等。

传感器模块负责测量各支路的漏电流传感器的输出信号, 检测传感器是否有故障, 同时计算出各支路回路中的电流值, 以此来判断支路是否出现接地故障。

4 装置测试结果

漏电流传感器是本方案的重要组成部分, 由于本设计是工程项目, 要对老电厂、变电站的直流系统绝缘装置进行改造[12,13], 所以不能采用闭环式的漏电流传感器。考虑到以上因素, 本设计研制出了一种开环式、可拆装、漏电流传感器, 并对其进行了详细的研究和测试。测试原理图如图5所示。

测试结果如表1所示:规定K1闭合、K2打开时, 流过传感器的电流值为正。

根据测试结果, 本设计研制的传感器可以准确的测出0.1mA的小电流, 即能检测出直流系统支路绝缘电阻200千欧以上。且检测误差小于10%, 完全满足设计要求[14]。

5 结论

绝缘在线监测 篇3

电气设备的绝缘监测技术对电力系统的安全稳定运行有着重要意义，保证绝缘在线监测是保障电力系统安全稳定运行的关键，因此这项技术成为了国内外高电压技术人员所研究的重点，同时在电力系统的状态检修方式也是一个比较热门的研究课题。

随着这项技术的广泛运用，能够有效监测出电气设备在早中期绝缘方面的问题，从而延长设备使用期限，并最终降低一些不必要情况的发生。

1 绝缘在线监测技术的发展历程

1.1 带电测试时期

绝缘在线监测技术主要起始于带电测试时期，最早是在20世纪的六、七十年代，当时的研究人员通过一些比较简单的设备仪器来对带电设备的绝缘参数进行测量。

不过，受到技术不成熟、仪器设备落后等局限性因素，导致其进行测试的灵敏度偏低，而且所测试出来的结果也不够精准，所需开展的工作难度较大，很难获得广泛的推广和应用[1]。

1.2 传感器测试时期

绝缘在线监测技术的发展阶段是传感器测试时期，主要是从20世纪80 年代开始，随着科技和社会不断的进步和发展，出现了很多专用的监测仪器，那时人们从传统的模拟试验直接步入了数字化的发展时代，可以真正实现不重复的将仪器和相关的回路进行连接，而传感器只需要将被监测的数据参数全部转化成电子信号，这样操作起来比较简单、安全、可靠。

1.3 微机多功能绝缘在线监测时期

在20 世纪90 年代，随着计算机技术的迅速发展，在这一时期当中已经出现并使用微机多功能的绝缘在线监测，同时计算机和相关的传感器也直接有效的结合在一起，这就真正实现了针对更多绝缘参数数据的在线监测，而且各种监测测量的方式都能够被这种监测系统进行循环测量和审查，满足了电气设备检测量大、监测速度快以及用途广泛的要求，真正实现了自动化绝缘监测，这是一种技术上的飞跃[2] 。

2 绝缘在线监测系统的构成及特点

2.1 在线监测系统组成技术

电气设备的在线监测系统的组成技术主要有：

(1) 在线监测传感器，传感器是在线监测系统当中的最重要的组成部件，在进行配备时，必须选择那些质量优异的传感器来配备安装，这样才能真正提高其测量结果的精准度，不过需要注意的是，在传感器步入工作状态时，必须要确保传感器的正常灵敏度。

传感器在传输信号的过程当中必须保证信号的正常传输，且不能将其失真的转换成被测信号。

常用的在线监测传感器主要是穿磁通技术传感器、光纤传感器以及自补偿式零磁通电流传感器等。

(2)通信技术，绝缘在线监测将计算机和自动化技术相结合，从而形成了现代先进性的通信技术以满足通信的要求。

通常计算机在进行多路选通开关间需要将通信程序设置得更加的简单来保证其稳定性和可靠性。

在数据波形的采集装置当中则需要将计算机的串口和端口两者紧密连接在一起，以进行较为正常的在线监测技术，并对其加以应用[3]。

(3)数据处理技术，数据处理主要依赖计算机来进行，通常数据处理技术可以使用傅立叶变换和小波变换等方式来进行，这两种方式的共同点是都能够保证从一些复杂的干扰信号波当中将某些不规则的信号直接略去，因此也可以称之为一种滤波技术。

通过滤波技术来将相应的干扰信号去除，并将所需的所有正确检测信号从中提取而出，因为这种数据处理的方式较为精准，所以真正运用起来比较广泛。

(4)数据分析技术，数据分析是整个工作当中的重点内容，首先需要将监测系统所采集的数据直接传输至信息分析处理系统中，并通过相应的计算机来对信号中的故障进行分析和处理，然后将分析处理的各种故障结果通过数据和图像的形式表现出来，这样将帮助工作人员更好的对数据和图像作出最直观的判断和分析。

(5)电气设备非电量绝缘在线监测技术，在进行状态检修时，如果只是通过电量来进行在线监测技术是远远不够的，还应当从实时性和进行投资的保障性来进行考虑，所以在目前的状态检修当中，就需要将一些非电量的在线监测技术有机的结合在一起，这样才能真正的满足工作测量的要求，并促使其实现意想不到的效果。

如今最常用的非电量在线监测技术主要有超声波探测技术、远红外测温技术以及介质分析技术等，这些技术都能够有效的促进在线监测技术的快速发展。

2.2 电气设备在线监测系统的特点

电气设备绝缘在线监测在进行状态检修的同时，通常具有较为明显的特点，主要表现在：

(1)停电时间以及开关控制相应减少，通过这种设置能够有效的提高电力系统的持续供电，从而为后续工作的顺利开展提供极大的便利，也间接的提高了经济方面的效益。

(2)在进行状态维修的同时合理安排时间进行维修工作，能够有效的避免此类维修问题的发生，从而减少相应的劳动力及维修间，并节约了维修资金。

在进行监测的工作当中能够及时的发现绝缘当中出现的缺陷和问题，从而减少突发性事故，加强其安全性和可靠性。

高压绝缘子在线监测系统应用 篇4

对超高压线路的运行绝缘子暂无可靠的监测数据来指导安排清扫周期。绝缘子在使用过程中, 不断地受到强电场, 高温日照, 机械应力, 湿度, 污秽物影响, 当在线运行中的绝缘子表面附盐密度达到一定的程度, 就会降低绝缘子的绝缘性能, 增加绝缘子的表面放电系数, 导致绝缘面行成固态行电小桥, 引起闪络, 出现火花, 导致整条电力传输线以及整个配电网发生故障。据统计, 国内的大多数110kV以上的线路发生了不明原因的闪络, 导致了线路的重合闸动作失败, 其所占比例高达22%。对电力系统的稳定性带来了不良的影响。以下对高压绝缘子的传统监测方法和在线监测方法进行分析。

2 绝缘子监测方法

2.1传统监测方法

1) 离线的盐密监测法:

将待测绝缘子从现场取回后, 对表面的污物用蒸馏水 (或去离子水) 清洗, 用电导率仪测其电导率, 同时测量污液温度, 然后换算成标准温度 (20℃) 下的电导率值, 再通过电导率和盐密的关系, 计算出等值含盐量。

2) 绝缘电阻测定法:

用高电阻接至带电的绝缘子上, 使测量绝缘电阻的绝缘电阻表处于地电位, 从测得的绝缘电阻中减去高电阻杆的电阻值, 即为被测绝缘子的绝缘电阻值, 检测“零”或“低”值绝缘子有相当的准确性。然而, 利用绝缘电阻表检测零值或低值绝缘子也有一些弊端。对少数绝缘子进行检测较方便, 但对大量绝缘子进行检测则工作量太大。另外, 绝缘电阻的测量必须在空气相对湿度低于80%、绝缘子表面无凝露的条件下进行, 监测数据不准。

3) 分布电压测定法:

用测定电压分布的方法检出劣质绝缘子, 必须与相应电压等级下良好绝缘子串的标准分布电压值作比较。应在空气的相对湿度低于80%、且绝缘子表面无凝露的条件下测量。否则, 潮湿的绝缘子串其电压分布要改变, 特别是绝缘子表面具有污秽且又潮湿的情况下, 绝缘子串上的电压分布将不按电容分布, 而按电阻分布。污染与潮湿度愈均匀, 绝缘子串上的电压分布也愈均匀。

4) 交流耐压法:

是判断绝缘子抗电强度教好的方法。可以利用它检验前述几种方法的有效性和鉴别检出劣质绝缘子的真伪。这种方法需要一套高压试验电源, 且需要将试品从运行现场卸下来测量, 对于输电线路绝缘子的检测工作量太大。

5) 超声波劣质绝缘子检测法:

将绝缘子串电压分布的实测结果与良好绝缘子串的标准电压分布相比较, 检出劣质绝缘子, 由于该装置的抗干扰的能力较强, 且输入电容量较小 (实测为l～2PF) , 因此可以在500kV输电线路上进行测量, 且能保证测量的精度。但该方法需登塔与探头和瓷绝缘子接触, 500kV绝缘操作杆较长, 对耐张申的劣质绝缘子的检测很不方便。

综合上述方法:在以往的离线监测方法对绝缘子的性能作一定的评测, 但是工作量非常大, 测量精度不够高。不能实时获得绝缘子的实际应用状况。还不能达到对绝缘子的安全监测, 科学安排生产, 减少线路维护费用。

2.2 在线监测系统

工作原理图简单说明:

系统对运行绝缘子的泄漏电流采样从绝缘子的第二片将泄漏电流截取 (如图1所示, 如用户使用的是合成绝缘子, 可加装一片瓷绝缘子来截取泄漏电流) , 泄漏电流经过具有很强抗干扰性能的专用铠包电缆, 到系统的主保护单元, 再经过保护和传感单元进行A/D转换, 再到微处理器进行分析, 运算, 见图1。

2.2.1 系统数据分析

1) 数据采样:数据采样分为电气量和非电气量, 电气量包括了绝缘子在线运行时的泄漏电流, 绝缘子表面局部放电脉冲;非电气量包括了绝缘子串所处环境的温度、湿度、雨量测量。

a.电气量测量:该系统的数据采样传感单元根据需要, 采用阶段性不间断采集绝缘子表面泄漏电流, 和局部放电脉冲, 见图2。局部放电脉冲装置是通过一个特定同步的时钟装置将不同时间内叠加在泄漏电流上的局部放电脉冲经过门槛设定值记录, 原理见图3。

b.非电气量的测量: 绝缘子表面的泄漏电流、局部放电脉冲在线运行时受到绝缘子所处的环境因素影响较大, 系统在分析数据时将综合考虑, 计算盐密。

2) 系统软件:由于本系统配备了自动应答的手机调制解调器, 该系统的分析软件能进行自动、手动的远程数据下载, 同时也可进行远程参数设定, 如数据的采样时间、采样频率等。 同时, 系统软件界面可进行预设报警设置, 当瓷绝缘子的等值附盐密度达到0.1时, 绝缘子表面的平均泄漏电流大约为30mA见图4, 同时, 据图5所示, 在系统电压下发生闪络的可能性非常大。由此, 能简单地进行系统软件的简单设定。

实际应用举例:

3 结束语

绝缘的可靠性、安全性是满足电力系统的安全运行条件, 该系统采用直观的泄漏电流、局部放电脉冲参数取代了国内原先离线的盐密测量方法, 对电力系统的安全生产提供了保障。

摘要：对目前高压绝缘子安全监测方法做一介绍, 对在线监测系统作简单阐述。

关键词：高压绝缘子,在线监测,泄漏电流,局部放电,闪络,科学安排生产

参考文献

[1]商国才, 电力系统自动化[M].天津大学出版社, 1998.

[2]杨奇逊, 变电站综合自动化技术发展趋式[J], 电力系统自动化, 1998, (10) .

高压电气设备绝缘性能在线监测 篇5

1 高压电气设备绝缘性能在线监测技术的发展

绝缘性在线监测技术从70年代就已经存在了, 伴随着绝缘性在线监测技术的不断发展, 已经出现了很多不同的监测方法, 以前是运用传感器以及数据采集系统进行在线监测的, 但是速度相对来说是非常慢的, 而且效果不是特别的好。近几年, 它的发展是极为快速的, 随着芯片的出现, 它可以直接与计算机相互连接, 然后利用计算机进行在线监测, 这种监测技术效率高, 还可以对一些参照数据进行打印和审核以及数据的远传和越线报警等, 从本质上已经实现了变电站电气设备监测的自动化, 目前在电力系统设备中还是被广泛的运用, 一直都在发挥着巨大的作用。

2 电气设备绝缘性能在线监测基本原理

在目前变电站的绝缘性能监测中普遍采用的还是以氧化锌避雷器来进行绝缘的, 但是不再是用串联间隙的方式, MOA在运行过程中难免会有一些漏电, 然而漏电的电流通过了阀片, 就一定会加快阀片的老化, 通过在线监测数据处理算法就会能够及时的了解电流情况, 通过电流就可以看出MOA的现在绝缘状况, 如果在监控中已经发展MOA已经严重的老化和漏电, 那么就要及时对这些存在的隐患进行尽快的修复和维护。如果当阀片老化了以后, 避雷器受潮, 内部绝缘件就会受到严重的影响, 这样容性电流的变化就不是很多, 对电流的阻性反而大大的增加。所以一定要预防氧化锌避雷器在运行中漏电的情况, 及时的掌握绝缘方面的信息。

3 高压电气设备绝缘性能在线监测的应用案例

在变电站已经安装了一套在线监测装置, 在高压设备绝缘状态的选择中已经选用了一定的变压器套管, 电容式电压互感器, 以及电流互感器, 还有氧化锌避雷器以这些设备来作为主要被测的设备, 其中避雷器测量泄露全电流以及其容性和阻性分量, 变电压套管, 电容式电压互感器, 电流互感器测量其漏电流和介质损耗相对变化量, 铁心检测漏泄电流, 同时检测和记录现场的温度, 根据以上问题来对运行情况进行一定的分析和探讨。

比如在直流耐压试验中, 在对试验的电压选取时, 要根据绝缘的工频交流耐压试验电压和交直流击穿强度的比例进行选取。发电机定子绕组应当以2-2.5倍额定电压为准;而对于10KV的电缆, 则需要选择5-6倍的额定电压;对20-35KV的电缆则应当选择4-5倍额定电压;35KV以上的电缆则应当选择3倍额定电压。当进行直流耐压试验时, 使电流持续5分钟, 则可以通过电流数据来判断其存在的缺陷。由此也可以判断出, 直流比交直流耐压性更强大。

实行绝缘在线监测系统中是分为三个部分的, 第一部分是关于信号采集, 第二部分是关于前台处理, 而第三部分是为远程数据分析的。还有传输系统的, 前台处理系统坏死通过工业总线控制的, 它是以多种形式显示的, 是由内部局域网对远程数据进行分析和传输的, 可以诊断软件通过远程下载变电站当前、以及历史数据, 并可接入某个地区超高压公司的系统当中, 然后协助有关专业人员作出管理和分析。在传感器方面是分为绝缘信号传感器还有电压信号传感器的。在传感器的问题上, 一定要准确的选择和应用, 容易受温度和压力等外界环境影响的稳定性比较差的, 是影响系统精度还有系统稳定性的重要原因, 电磁的烦扰情况, 因为电气设备处在电场非常强的环境中, 一定会给数字采集系统带来一定的影响和状况, 所以要控制电磁的干扰, 在设备问题中, 在目前的电气设备中有很多还没有实行和运用在线监测, 因为缺少设备不足的现象存在, 所以无法全方位的实行绝缘监测。

4 高压电气设备绝缘性能在线监测数据处理算法功能及特点

4.1 必须拥有多种多样测试功能, 这样可以对电容型设备和一

些电容量进行及时的检查和测试, 还可以通过对比来测试氧化锌避雷器的电流参数。

4.2 在设计中一定要设置一定的高功率的电流传感器, 然后采

用特别的自检技术, 自行的对传感器进行自动的校验和检查, 然后通过在外部连接的一些电阻所测量的参数, 从而实现对电压信号的测量。

4.3 电流的传感器一定要采用穿透的结构, 阻抗外力的能力一

定要强, 能够承受一定量的电流。的冲击, 从而满足可以实行在线监测和分析。

4.4 提供至少两种以上的在线检测方法, 这样可以同时对几个不同的电容形设备进行监测和对比, 从而来实现监测的目的。

4.5 完善一定的电磁干扰措施, 掌握一定的数字处理方法, 只有

保持这样的方式和方法, 才能够保证测试的结果和参数不被干扰, 才能够保证参数的准确性和真实性。

4.6 必须提供两种以上的电阻监测方法, 保持一定的电阻监测

方法, 才能够在数据传播过程中进行更好的测试和监测, 能够准确测量MOA的全电流、容性电流、阻性电流及其基波与三次谐波分量等多种参数。

4.7 运用先进的数字化处理方法, 来完成避雷器容性电流的补

偿, 很在很大程度上降低了MOA端电压谐波分量对阻性电流峰值测试结果的影响。

4.8 具有互相干扰自行补充能力, 在电场测试中要遵行一定的

规则, “一”字形排列避雷器, 可正确测得两个边相的阻性电流及其基波分量的峰值。

4.9 补充自我校验功能和高效率高精度电流传感器, 为了能够确保测试结果真实可靠, 检测精度基本不受环境温度变化的影响。

4.1 0 采用方便携带的方式进行操作, 必须让操作简单化, 合理

化, 能够让机器可以在电池的帮助下可以完成长时间的工作。从而来满足现场监测和维护的工作。

5 结束语

为了能够让变电站电气设备绝缘性能在线监测数据处理法更好的运用和实行, 保证我们的供电安全性以及可靠性, 我们通过一些科学合理的办法, 来对我们的电气设备运行进行有效的监测和控制, 希望这种方式能够得到更快的发展, 在我们今后的电气设备运行中多做贡献。

摘要：高压电气设备在电网中运行时, 如果其内部存在因制造不良、老化以及外力破坏造成的绝缘缺陷, 会发生影响设备和电网安全运行的绝缘事故。因此, 在设备投运后, 传统的做法是定期停电进行预防性试验和检修, 以便及时检测出设备内部的绝缘缺陷, 防止发生绝缘事故。文章论述了高压电气设备绝缘性能在线监测技术的发展, 电气设备绝缘性能在线监测基本原理等, 最后指出了高压电气设备绝缘性能在线监测数据处理算法功能及特点。

关键词：变电站,绝缘性能,在线监测,数据处理

参考文献

[1]《Q/CSG10007-2004电力设备预防性试验规程》.中国南方电网有限责任公司发布.[1]《Q/CSG10007-2004电力设备预防性试验规程》.中国南方电网有限责任公司发布.

[2]严璋.电气绝缘在线监测技术[M].北京电力出版社, 1995.[2]严璋.电气绝缘在线监测技术[M].北京电力出版社, 1995.

绝缘在线监测 篇6

目前, 用于电力电缆绝缘监测的方法主要有: 低频叠加法、直流分量法、电缆介质损耗法、直流电压叠加法、局部放电法等[2]。而煤矿供电系统中对电力电缆的在线监测方法多采用基于附加低频电源的监测方法即低频叠加法[3], 但由于此方法叠加的是交流信号, 因此系统杂散电容特别是杂散电容较大时会影响检测效果及检测灵敏度, 并且给正常运行的电缆注入外加信号, 长此以往, 同样会对电缆的寿命造成影响。

局部放电法是国内外专家以及电力权威机构一致推荐的用于XLPE电力电缆绝缘状况监测的最佳方法[4], 局部放电法已在城市电网得到了一定的范围的推广, 效果显著。但由于煤矿的复杂环境影响, 基于局部放电法的矿用高压电缆的在线监测系统一直处于探究阶段。本文研究设计了一种矿用高压电缆局部放电的无损在线监测系统, 提出了形态学滤波与小波阀值相融合的滤波方法, 并从理论分析、系统介绍、实验室模拟实验以及现场测试等方面进行讨论。与煤矿常用的低频叠加法相比, 该方法能够在不影响电缆正常运行的情况下, 根据电缆实时的局部放电信息, 真实地反映出电缆绝缘的损坏状况。

1 监测系统的基本原理与结构

系统的设计以电磁耦合原理的局部放电法为基础, 系统不与高压线路直接连接, 不改变正在运行电缆的结构, 通过安装于屏蔽接地线或电缆本体上的高频电磁耦合传感器, 来感应电缆屏蔽层中的局部放电 ( PD) 脉冲信号。监测系统采用模块化设计, 由高频电磁耦合传感器、采集与处理模块、通信模块和上位机4 部分组成。通过光纤双回路通信技术, 可以有效防止由通信故障造成的监测中断, 实现变电站电缆的同步远程在线监测。由于矿用高压电缆多采用MYJV型交联聚乙烯铜芯电缆, 所以将互感器 ( HFCT) 安装在电缆外层, 系统结构如图1 所示。

2 高频电磁耦合传感器

由于局部放电 ( PD) 脉冲信号具有持续时间短, 频谱宽等特点, 所以传感器应具有良好的灵敏度以及较宽的工作频带。该系统设计采用以自积分形式的罗氏线圈为基础的卡钳式高频电磁耦合传感器, 其结构与等效原理如图2 所示。

根据上述等效电路图, 采用高频小信号并联谐振回路理论对电缆局部放电信号进行分析[5], 可得其工作频率上下限分别为fH与fL, 见公式 ( 1) ( 2) 。

根据公式 ( 1) 、式 ( 2) 以及煤矿特殊环境的限制, 该套设备的高频电磁耦合传感器最终选用MnZn铁氧体材料的钳口形式, 线圈匝数为8 匝, 积分电阻为40 Ω, 其理论灵敏度为5 V/A; 外形尺寸分别为高50 mm、外径100 mm和内径60 mm; 适合于100kHz ~ 5 MHz的中频段局部放电测试。

3 数据采集与处理单元

数据采集与处理单元为系统的核心所在, 选用Xilinx公司生产的XC6SLX150 型号FPGA为主处理芯片, 采集后的信号先经过前置的形态学滤波电路的初级调理, 接着采用基于Sqtwolog ( 即长对数阀值法) 的小波阀值滤波法进一步去除白噪声干扰和窄带信号干扰[6,7,8]。

3. 1 形态学滤波器

形态滤波器 ( MF) 利用数学形态学变换把信号中的复杂成分分解为多个具有物理意义的部分, 使信号与背景分离并保持其全局或局部的主要形态特征[9,10,11]。MF的实现是基于数学形态学, 其中数学运算应用到信号和结构元素 ( SE) 中, 从而提取形态特征。设xn为一维信号x = ( 0, 1, 2, …, M - 1) , sn为结构元素s = ( 0, 1, 2, …, M - 1) ; 定义为腐蚀运算;为膨胀运算;为开运算;·为闭运算。

设计采用开—闭和闭—开滤波器组成交替混合滤波器来滤除白噪声和脉冲噪声。其定义如式 ( 7) 所示:

3. 2 基于Sqtwolog函数的小波阀值

长对数阀值法 ( Sqtwolog) 是一种统一阀值去噪的方法, 原理是: 如果多维独立正态变量联合分布时, 在维数上就会趋向于无穷, 然后在最值估计的限制条件下得到阀值的最优值, Sqtwolog阀值的计算公式为:

式中, N为待分析细节层的小波系数个数;为噪声标准差估计。

采用软阀值法对小波系数dnj的处理方法如下:

4 系统的实验室及现场性能测试分析

4. 1 实验室模拟实验分析

在实验室环境下, 建立6 kV矿用电缆放电模型 ( 图3) , 对所设计的监测系统进行模拟实验研究。

从图4 所示的实验波形可知, 由于实验室环境安静, 噪音干扰很小, 可以得到清晰的放电痕迹, 所以实验室模拟主要检验系统对局部放电信号监测的准确性。通过实验室模拟实验, 充分证明了该系统对PD监测的有效性与可靠性。

4. 2 现场调试效果分析

将监测系统安装于平煤股份十矿变电所, 并分析了系统降噪能力和绝缘监测系统的整体性能。图5 ( a) 为互感器安装图, 图5 ( b) 为现场监测系统整体调试图。

通过在6 kV配电柜正常运行的电缆上安装监测系统装置, 得到如图6 所示波形。由滤波前后效果对比, 以及现场数据的采集分析, 在最终显示的PD信号中, 噪声得到了很好抑制, 证明了监测系统具有很好的降噪能力。通过现场长时间的运行测试, 表明该检测系统整体运行稳定、性能良好。

5 结语

本文设计了一种矿用高压电缆无损在线绝缘系统, 并提出了形态学滤波器与小波阀值相融合的降噪方法。经过实验室以及对平煤股份十矿在运行电缆的现场测试, 表明该监测系统能够提高信噪比, 有效地去除矿用高压电缆局部放电的噪声干扰, 较好地保留了局部放电的宽频带特性, 提高了在线绝缘检测的可靠性, 能够满足煤矿复杂环境下在线连续绝缘监测的应用条件。

参考文献

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绝缘在线监测 篇7

关键词：XLPE电缆,在线监测,非线性最小二乘拟合,Levenberg-Marquardt算法

0 引言

交联聚乙烯(XLPE)电缆由于绝缘电阻高,耐压、耐热性能好,介电常数和介质损耗小[1],工艺简单,安装方便等优点而被广泛应用。XLPE电缆在线监测的对象主要包括电缆的绝缘电阻、介质损耗、局部放电、直流成分、接地电流等[2]。监测装置的稳定性和精度是制约其在电力系统中实用化的主要因素之一。对于高电压等级的电缆,在较恶劣的电磁环境中,有些监测方法对微小参量的测量就变得更加困难[3]。此外,在周期信号的交流采样中,同步技术也是影响采样质量的主要因素。许多算法都是建立在同步采样的基础上。但在实际工程中,由于电网谐波及频率波动等干扰因素的影响,难以实现同步采样。例如,用离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)计算各次谐波含量时,同步误差会产生截断效应,造成频谱泄漏,使数据分析的准确性和监测的精确度受到影响。为了减小非同步采样所带来的误差,国内外对这方面的研究较多,提出了准同步算法[4]、补偿算法和特殊窗法等[5,6]。

现对XLPE电缆绝缘在交流电压作用下的参数模型进行分析,提出根据XLPE电缆交流绝缘参数[7]及其变化趋势来判断绝缘的劣化程度。并设计了电缆绝缘在线监测装置。在数据处理方面,为提高被监测参数的精度及系统的抗干扰性,采用基于LM(Levenberg-Marquardt)算法的非线性最小二乘拟合法,从电压、电流采样信号中提取基波分量的参数,计算出电缆的绝缘工作电阻、等值电容及介质损耗因数tanδ。通过监测这3个参数及其变化量,从多参数角度考核电缆的绝缘状况,达到提高电缆运行可靠性的目的。另外,还对影响测量精度的相关因素进行了分析。

1 XLPE电缆的绝缘参数

电压等级超过35 k V的XLPE电缆一般为单芯电缆,其结构如图1所示。

单芯电缆可以看作是一个圆柱形电容器。导电线芯和接地的金属屏蔽层(或金属护套)构成了电容器的2个电极,内外屏蔽层及电缆的主绝缘构成了等效电容器的绝缘介质[8]。

在交流电压的作用下,电介质会发生极化现象。图2为电缆绝缘在交流电压作用下的等效电路及相量图。其中,总电流I!主要包括瞬时位移极化所引起的电流I∞、松弛极化电流I′及漏导电流IR。I′的分量Irr与I∞构成了总电流I!的无功分量Ir,I′的分量Ira与IR构成了总电流I!的有功分量Ia。当电缆绝缘中发生局部放电时,有功分量中还应包含这部分游离放电所产生的损耗。因此,可用一个电容与电阻的并联形式表示电缆在交流电压作用下的等效电路。如图3所示,R为电缆的工作绝缘电阻,C为电缆的等值电容,δ为介质损耗角。

XLPE绝缘电缆因其材料非极性的特点,在绝缘未出现老化的情况下,松弛极化电流非常小,此时绝缘层与屏蔽层之间的夹层极化占优,I′主要是由分界面上的吸收电荷所造成。当电缆发生老化、受潮或在绝缘中存在水树等情况时,会使绝缘内部的极性基团及空间电荷的数量增多[9,10],松弛极化增强,绝缘的相对介电常数(极化率)增大,表现为电缆的等值电容增大;同时,松弛极化的增强,也会导致有功电流增大,表现为电缆的工作绝缘电阻降低。因此,电缆的工作绝缘电阻、等值电容蕴含着电缆绝缘劣化的信息。而介质损耗因数tanδ是反映电缆绝缘内功率损耗大小的参数,它表征了电缆绝缘单位体积的介质损耗,而与绝缘的体积无关。当绝缘发生老化时,tanδ也会相应增大。因此,可用上述3个参数及其变化趋势作为电缆绝缘状况的监测指标。

1.1 工作绝缘电阻的计算

电缆绝缘在交流电压下的电阻为电缆的工作绝缘电阻[11],其大小反映了电缆绝缘有功损耗的状态。

设电缆上所加的电压为

流过电缆绝缘的泄漏电流为

则电缆的工作绝缘电阻为

式中U、φu分别为施加电压的有效值和初相角;I、φi分别为泄漏电流的有效值和初相角;ω为系统的角频率。

由上述分析可知,在工作电压作用下,介质损耗是各种形式损耗的综合,包括电导损耗、游离损耗以及极化损耗。介质损耗特别是介质损耗的变化表征了介质的状态。相比较而言,若在直流下测量电缆的绝缘电阻,则不存在极化损耗,所测得的绝缘电阻值也要高于电缆的工作绝缘电阻。所以在运行电压下,监测电缆的交流电阻及其变化量更能有效地发现电缆绝缘的劣化信息。

1.2 等值电容的计算

等值电容是电缆绝缘的另外一个重要参数,也可用来检查绝缘质量的变化。

由此可得电缆的等值电容:

由式(3)和式(5)可知,电缆的工作电阻以及等值电容取决于电压和电流有效值的比值,所以在电缆绝缘未发生变化的条件下,它可以消除由于电网电压幅值波动而带来的影响。

1.3 tanδ的计算

在并联等效电路中,介质损耗因数可表示为

通过对它的测量,能够反映电缆绝缘的整体缺陷。如果绝缘内的缺陷是集中性的,tanδ有时反映就不够灵敏。另外,当电缆整体老化或受潮时,表现为电缆的C增大,R减小[12,13],由式(6)可知,监测tanδ也并不能灵敏反映电缆绝缘状态的变化。所以除了监测tanδ这项参数外,分别监测电缆的工作绝缘电阻R及等值电容C,更能有效地发现电缆绝缘的变化趋势。通过对这3项参数的监测,以增强电缆绝缘状态评定的准确性和电缆运行的可靠性。

2 测量装置的基本原理

以被监测电缆的一相为例,测量原理图如图4所示。电压传感器P从变电站中的电压互感器TV获得电缆的运行电压信号。穿心式电流互感器TA从电缆屏蔽的接地线上获取泄漏电流信号,无需改变系统的接线。信号经过滤波放大后,采集卡对这2路信号进行同步采样。

由于系统电压谐波分量的存在,根据泰勒展开将采样得到的2路信号表示为

从采样信号中提取出电压、电流信号的基波参数,按式(3)(5)(6)即可求得电缆的各被监测量。

3 采样信号处理

为提取信号中的老化信息,消除微弱分量的干扰,把采样信号中的基波分量作为分析的主体。采用基于LM算法的非线性最小二乘拟合算法提取采样信号中的基波参数,并计算出电缆绝缘的被监测量。

3.1 非线性最小二乘拟合

根据采样信号的特点,建立拟合函数如式(9)所示:

式中a0为直流分量;An、φn分别为n次谐波分量的

幅值和初相角;f0为信号的基波频率。

由此构成了待求向量x:

对采样后得到N个数据对(tm,ym)进行最小二乘的拟合,即令采样信号与拟合函数残差的平方和最小。

令

则式(11)可表示为

由于将系统的基波频率f0作为变量,所以ri(x)是关于x的非线性方程,即转化为非线性最小二乘的最优化问题。本文采用LM算法对此进行求解,通过优化拟合函数的参量x,使S(x)达到最小。

对采样信号进行最小二乘拟合,并将电网频率作为未知量[14],其优点是可以利用拟合得到的基波分量的幅值、初相角以及采样时的电网频率来计算电缆的绝缘参数。从原理上减小频率波动、直流分量以及谐波含量对测量的影响。

3.2 LM算法

LM算法是一种求解非线性实数多元函数局部最小值的迭代算法,可以看作为是最速下降法和GN(Gauss-Newton)法的结合[15]。通过引入一个有效的阻尼因数,使其能够在较大的初值范围内收敛。其迭代格式为

dk为搜索方向:

式中J(xk)为r(xk)在xk处的Jacobi矩阵;I是单位

矩阵;μk(μk>0)为阻尼系数。

μk在每次迭代过程中会根据S(x)的变化情况自动调整。若S(x)的值减小不大,则增大μk,使其向最速下降方向移动。若通过迭代使S(x)接近局部最小值时,则减小μk,使算法接近于GN法,表现为快速收敛的特性。当迭代次数或目标函数的精度达到预设值时,迭代结束。最新的向量参数x则作为最优化的结果。

选取较好的迭代初值,会确保LM算法具有快速的收敛速度和全局收敛性。文献[16]也有一些关于其迭代初值选取方法的讨论。本文根据采样信号的特点,将FFT得到的谐波分析结果作为LM算法的迭代初值,该初值与x的真实值较为接近,将其作为迭代初值可以进一步提高LM算法的收敛速度。

3.3 仿真计算

在仿真中,以110 k V XLPE电缆为例,将电缆的集中参数电路等效为一个电阻和一个电容并联,如图3所示。令R=15 MΩ,C=0.2μF,电缆上施加的基波电压幅值为89.815 k V。若频率为49.7 Hz时,由式(6)可得,tanδ的理论计算值为0.0010674。

根据高压电网各次谐波的含有率,建立被拟合数据的原始模型如式(16)所示。由于信号在拟合之前要经过低通滤波及带通滤波的信号处理,所以在模型中,只考虑最高含有3次谐波的情况。

由式(17)可求得泄漏电流的仿真信号:

由于数据采集卡的输入范围为±5 V,所以需要把u、i信号调整到±5 V范围之内,然后再进行采样、量化、拟合等步骤,最终求出电缆的被监测参数。

当基波频率为49.7 Hz,采样频率为12.8 k Hz,采样位数为14位,采样点为1024个点时,拟合的仿真结果如表1所示(表中数据仅保留到小数点后6位)。电压、电流迭代次数分别为2和3。

根据拟合结果,得到的电缆的工作绝缘电阻R、等值电容C及tanδ分别为

从计算结果可知,该算法收敛速度快,且具有较高的精度,可以满足在线监测实时性的要求。

4 相关影响因素的分析

为检验使用该算法时各影响因素对被监测参数的影响,进行了3种仿真分析。

4.1 频率波动对测量精度的影响

将式(16)所示的电压作为电缆的工作电压,当电压的频率在49.5~50.5 Hz范围变化时,对被监测参数影响的仿真结果如图5所示。记R、C及tanδ的相对误差分别为eR、eC、etan,其范围分别在±0.1%、±(6×10)-5%、±0.1%之内。

4.2 直流成分含量对测量精度的影响

由于测量系统中的硬件部分会存在一定的零点漂移,所以在采样信号中可能含有直流分量。图6显示了直流含量λDC的大小与被监测参数误差的关系。R、C及tanδ的相对误差eR、eC、etan分别在±0.3%、±(3×10-4)%、±0.3%之内。

4.3 3次谐波含量对测量精度的影响

采样信号虽然经过信号调理电路中的低通滤波以及数字带通滤波处理,谐波仍不能完全消除,信号中还会有谐波分量的存在。以3次谐波为例,其含量与被监测参数测量误差的关系如图7所示。当谐波含量在20%以内时,R、C及tanδ的相对误差eR、eC、etan分别在±0.5%、±(5×10-4)%、±0.5%之内。

从以上3种仿真结果可以看出,使用该算法能够很好地抑制频率波动、直流成分以及谐波含量变化时所带来的影响,电缆绝缘的被监测参数具有较高的精度。

5 结语

XLPE电缆的工作绝缘电阻、等值电容以及介质损耗因数是评定电缆绝缘状况的重要参数,它们从不同的层面反映了电缆绝缘劣化的信息。

当电缆绝缘发生劣化时,电缆的工作绝缘电阻降低,等值电容及介质损耗因数增大。通过监测这3个参数及其变化趋势,从多参数角度评定电缆绝缘的状态,从而提高监测结果的可靠性。

绝缘子污秽状态紫外在线监测研究 篇8

输电线路和变电站的绝缘子长期暴露在空气中,经常遭受工业污秽或自然盐碱、灰尘、鸟粪等污染。当空气湿度较高时,绝缘子表面的污秽将被湿润,在运行电压作用下其表面电导率和泄漏电流将大大增加,从而导致污秽绝缘子表面电气性能降低甚至发生全面闪络[1]。因此,实时掌握绝缘子的污秽状态对电力系统的安全运行具有重要意义。

目前,监测绝缘子状态的方法主要有泄漏电流法、电场测量法、红外成像法、紫外成像法以及声波或超声波检测法等[2,3,4,5]。以上方法各有优缺点,如电场测量法可以检测出绝缘子的内部缺陷,但需要的测量点较多且操作复杂。红外成像法可以检测绝缘子的局部放电,但是设备复杂,且检测结果受天气影响较大。紫外成像法能够直接检测出设备异常温升之前的放电过程,具有观察直观、预见性好、观测距离远等优点,但是紫外成像设备价格高昂而且难以实现在线监测,所以迄今没有被广泛地应用。超声波检测法可准确检测出开裂绝缘子,但此方法对未开裂的劣质绝缘子检测无效,且信号检测受背景噪声影响很大。

绝缘子放电时会辐射出紫外线,且随着放电强度的加剧,紫外线辐射强度也随之变大。重庆大学电工理论研究所研制了基于紫外脉冲法的污秽绝缘子紫外在线监测系统,通过现场实验证明了该系统具有灵敏度高、响应速度快等特点[6]。但是,当绝缘子串中存在劣质绝缘子时,绝缘子表面也会产生放电现象。因此,应用紫外脉冲法监测绝缘子污秽状态必须区分紫外脉冲产生的原因。本文拟通过模拟试验,掌握污秽绝缘子和劣质绝缘子与紫外放电强度的关系,以便排除劣质绝缘子对污秽状态评判的影响。并采集恶劣条件下污秽绝缘子的紫外放电脉冲数据,为评判标准的建立提供参考。

2 绝缘子紫外检测方法

在交流电网中,绝缘子处在导线和横担之间的极不均匀电场中,由于对地电容和导线电容的存在,使得绝缘子串的电压分布不均匀,靠近导线的部分承受电压降最大,随着离开导线距离的增大,电压降变小,直到接地的横担附近电压降又有所增加,大致呈“U”型分布。

2.1 绝缘子放电的紫外检测原理

染污绝缘子沿面放电时,根据电场强度的不同会产生电晕、电弧或闪络。电离过程中,空气中的电子不断获得和释放能量。当电子释放能量时,会辐射出光波和声波,还有臭氧、紫外线、微量的硝酸等。紫外线的波长范围是10nm~400nm,太阳光中也含有紫外线,但波长小于280nm的部分几乎全部被大气层中的臭氧所吸收,所以辐射到地面上的紫外线波长都大于300nm。而绝缘子沿面放电时会辐射出部分波长为日盲区230~280nm的紫外线,且电场强度增加时,紫外线辐射强度也随之增加。因此,利用工作波长为日盲区的紫外传感器,检测这部分紫外线强度的变化,可以为分析绝缘子污秽状态提供依据。

文献[7]通过试验得到了拟合公式(1),反映了污秽和湿度对绝缘子绝缘性能的影响。

式(1)中,UC为50%起晕电压;h为相对湿度;w为绝缘子表面污秽等值附盐密度,mg/cm2;u(hx)为单位阶跃函数;K为电晕电压系数,K{},是一个服从正态分布的随机参数,与绝缘子的型号、生产厂家有关。

环境温度将对绝缘子表面湿润污秽层的电导率产生影响,温度每变化10℃,交流污闪电压将随之变化5%左右,直流污闪电压将随之变化7%左右,绝缘子污闪电压与环境温度的关系如式(2)所示[8]。

式(2)中Uf为污闪电压,t为环境温度,n为环境温度影响特征指数,交流时n=0.2,直流时n=0.33。

公式(1)、(2)说明了绝缘子放电强度除与污秽相关之外,还和环境温度、湿度密切相关。因此,本系统还采集了绝缘子所处环境的温度、湿度,以便综合分析绝缘子的污秽状态。

2.2 干扰因素

当绝缘子串中存在劣质绝缘子时,该片绝缘子的阻值降低,承受的电压减小,良好绝缘子上承受的电压相应增加,紫外放电强度增强。在应用紫外脉冲法监测绝缘子污秽状态时,需分析绝缘子紫外放电强度增加的原因。当存在劣质绝缘子时,绝缘子串的电压分布极不均匀,紫外放电强度将始终保持在较高水平。而绝缘子表面污秽的积累是一个渐变的过程,且同一杆塔不同相之间的绝缘子串污秽情况相似,污秽积累引起的紫外放电强度的增强与环境温度和湿度相关。在大雾和毛毛雨的天气情况下,绝缘子表面污层湿润后,其表面电导率增加,泄漏电流增大,紫外放电强度增强。但天气晴朗时,由于绝缘子表面污层电阻增大,泄漏电流减小,紫外放电强度又回归到较弱的水平。通过分析紫外放电脉冲和气象条件的关系,比较不同相绝缘子串之间紫外放电脉冲的差异,可基本排除劣质绝缘子对污秽状态评判的影响。

3 系统设计

监测系统由污秽紫外监测终端、无线通讯系统和监控中心分析平台构成,有效检测距离为3m左右,与传统的绝缘子在线监测装置相比成本较低。监测终端由紫外传感器及其驱动电路、温湿度模块、摄像模块以及无线通信模块等部份构成,结构如图1所示。

紫外传感器是监测终端的核心部件,必须满足较高的灵敏度和可靠性,而且还能够避免可见光的干扰。经比较,本系统选用了HAMAMATSU公司的R2868型传感器,该传感器的波长响应范围在日盲区185~260nm,水平和垂直检测范围最大可达60度。当入射紫外光波长为200nm,功率为10p W/cm2时,该传感器的灵敏度为5000cmp。实测中发现该传感器的有效检测距离和工作电压有很大关系。电压较低时,可检测距离变短。电压较高时,可检测距离变远,但系统功耗增加。多次测试确定,应用于110 k V电压等级的绝缘子监测时,紫外传感器工作电压为315V,直线监测距离在3m以内即可。如果监测距离较远,可适当提高紫外传感器的工作电压以增大监测距离。系统电源由功率为20W的多晶硅太阳能电池板提供,并配备了备用电池,保证系统在恶劣气象条件下可正常工作。

本系统采用了SHT1l型传感器以采集现场温度、湿度数据。SHT11是一款具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器,采用了工业化CMOS技术,具有极高的可靠性和稳定性。利用带图像压缩功能的红外摄像头拍摄现场图片,保证了夜间的拍摄效果。

在实际应用中,监测终端通过固定支架安装在杆塔上,紫外传感器正对绝缘子中部。采集的紫外脉冲数、温度、湿度等数据通过短消息的方式发送到监控中心,利用基于模糊综合评判方法的上位机软件对数据进行综合分析,最终获得绝缘子的污秽状态。紫外脉冲数超过规定阈值时,系统自动拍照,并将现场图片发送给监控人员,提供运行参考。

为了验证本系统的可靠性,作者在重庆市电力公司的110k V杆塔上进行了现场试验,如图2所示。通过试验,证明了监测终端在现场条件下可有效检测绝缘子表面的紫外放电脉冲,系统在野外条件下可连续、正常工作。

4 试验与数据分析

为了验证本方法的可行性,笔者于2009年5月在重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室的大型人工气候实验室和高压大厅进行了模拟试验。

4.1 人工气候实验室试验

为了采集极端恶劣条件下污秽绝缘子的紫外放电脉冲数据,获取绝缘子临近闪络状态的紫外脉冲阈值,建立绝缘子污秽状态评判标准,笔者在人工气候实验室进行了模拟试验。采用复合绝缘子FX-BW-110/70,盐灰(氯化钠/高岭土)比为0.2/0.1(mg/cm2),上下表面不均匀度1∶1。在试验过程中,通过输出电压为5V的开关电源向紫外监测终端供电。绝缘子和监测终端的水平距离为3m。

试验开始前,首先向人工气候实验室中充入高温水蒸气,并控制放气时间,使绝缘子表面污秽刚好均匀受潮又不至被水珠冲刷掉。首先,采用升压法获得该串绝缘子的闪络电压为212k V。然后,将电压升至200k V保持耐压5分钟,测量绝缘子每30s的紫外放电脉冲数。同理,将电压依次调至130k V、120 k V、110 k V,重复上述试验。数据如图3所示。由于每次试验均保持耐压5分钟,则测量绝缘子每30 s的紫外脉冲数可分为10组。

在试验过程中,监测终端测得人工气候室内的温度基本恒定为32.08℃,相对湿度为88.9%。从图3的试验数据可以发现,在试验电压为200k V,环境温、湿度较高的条件下,绝缘子临近闪络状态,其表面放电异常剧烈,每30s的紫外脉冲均值为1555。电压降至130k V以后,紫外放电脉冲数明显减少,每30s的均值为279。在电压分别降至120k V、110 k V后,测得每30 s的紫外脉冲均值为227和122。分析数据可知,在绝缘子表面污秽较重,环境温、湿度较高的条件下,其表面电导率增大,泄漏电流增加并产生局部电弧,每30s的紫外脉冲均值在120以上,且随着电压的升高而明显增加。在临近闪络条件下,每30s的紫外脉冲数在1500以上。通过本次试验,证明了紫外脉冲强度和绝缘子放电强度之间存在相关性,通过其值可以量化绝缘子放电强度,为绝缘子污秽状态评判标准的建立提供数值依据。

4.2 高压大厅试验

为了分析绝缘子串中存在劣质绝缘子和绝缘子表面积污两种情况的紫外放电强度差异,笔者在高压试验大厅进行了模拟试验。用10片良好且洁净的XP-160型瓷质绝缘子和两片同型号的零值绝缘子组成绝缘子串,模拟220k V线路的运行情况。考虑到接近高压端的绝缘子承受电压较高,最容易损坏,试验时将两片零值绝缘子放置在高压端。试验电压为交流127k V,此时,该串绝缘子等效为运行于实际220k V三相电路中的一相绝缘子。此外,将12片同型号的良好绝缘子均匀涂污,盐灰(氯化钠/高岭土)比为0.03/0.18(mg/cm2),上下表面不均匀度为1∶1,待表面污秽自然干燥后开始试验。绝缘子串和监测终端的水平距离为3m。在测量完污秽干燥状态下的紫外脉冲后,又利用喷雾器将洁净的水均匀喷洒在绝缘子表面,使污秽层充分湿润,再次重复上述试验。试验数据如图4所示。

试验过程中,监测终端测得高压大厅的温度为25.61℃,相对湿度为67.4%。通过图4的数据可知,当该绝缘子串存在两片零值绝缘子时,每30s的紫外脉冲强度介于18-28,均值为21。同种型号的12片良好绝缘子,涂以污秽并自然干燥后,每30 s的紫外脉冲强度介于15-22,均值为19。两种情况的紫外放电脉冲数相近,难以区分绝缘子放电的原因。但是,当绝缘子表面污秽湿润以后,其表面泄漏电流增加,每30s的紫外脉冲均值为36,比污层干燥情况下的紫外脉冲均值增加近一倍。上述数据对比,反映了湿度对绝缘子绝缘性能的显著影响。因此,在监测绝缘子污秽状态时必须密切关注湿度的变化。

如图4,虽然污秽绝缘子表面污层干燥和绝缘子串中存在零值绝缘子两种情况的紫外脉冲均值较接近,但污层湿润后,两者的紫外放电脉冲差异明显,变化规律不同。而且实际运行中,A、B、C三相绝缘子处在同一环境条件下,三者积污情况相似,污秽积累所引起的紫外放电脉冲数相近,通过三相绝缘子紫外放电脉冲数的横向比较,可排除劣质绝缘子对绝缘子污秽状态评估的影响。

5 结论

通过理论分析和模拟试验,验证了污秽绝缘子和劣质绝缘子与紫外放电脉冲的关系,获得了在重度污秽条件下绝缘子临近闪络状态的紫外放电脉冲数据。本系统采用非接触的方式监测绝缘子紫外放电脉冲信号,监测距离远,信号干扰成分少。通过采集紫外脉冲数以及现场温度和湿度数据,可以跟踪绝缘子的污秽发展状态,以便运行人员采取措施,预防绝缘子闪络事故的发生,可广泛用于对输电线路和变电站绝缘子的在线监测。

摘要：在环境污染严重的地区,绝缘子污闪事故时有发生,严重威胁着电力系统的安全运行。为了实时监测绝缘子的污秽状态,本文设计了基于紫外脉冲法的污秽绝缘子在线监测系统,采用FX-BW-110/70型复合绝缘子和XP-160型瓷质绝缘子进行模拟试验,采集了不同运行电压、污秽程度以及存在劣质绝缘子时的紫外脉冲。试验结果表明,紫外脉冲强度可以表征绝缘子的污秽放电程度,分析紫外脉冲变化规律可区别劣质绝缘子的影响。本系统采用非接触的方式采集现场数据,监测距离远,信号干扰成分少,可广泛应用于对输电线路和变电站绝缘子的在线监测。

关键词：绝缘子,污秽,沿面放电,紫外线,在线检测

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