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SIM-1绝缘在线监测系统设计原理和技术特点

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SIM-1绝缘在线监测系统设计原理和技术特点北京圣泰实时电气技术有限公司(2003年11月)
高压电气设备的绝缘在线监测作为状态检修的重要手段,愈来愈被受到重视,但作为实现这一重要手段的设备,即绝缘在线监测系统至今尚未得到广泛应用,主要是由如下几个方面的原因所致.
a.测量精确度,即所测量的数据是否能真实有效地反映出被测设备绝缘性能的变化.
b.系统稳定性,即在长期的监测过程中、监测系统是否能够稳定,可靠地进行工作.
c.监测安全性,即监测系统的安装及信号取样是否安全可靠,不会影响电网运行.
经过多年的研究,试验以及对以往监测系统运行经验的总结,本公司于1999年开发出SIM-1型变电站电气设备绝缘状况在线监测系统.该系统的技术特点主要表现在如下几个方面:
一、系统的结构形式和测量原理以往的绝缘在线监测系统,都非常重视信号取样方式及测量原理,用户对此也极为关心、其道理也很简单,如果取样方式不安全,测量原理不过关,该监测系统又如何能在运行中发挥作用呢但却忽视了监测系统结构形式的重要性,认为结构形式的差异,只会对监测系统的生产成本,安装方式及运行维护产生影响、甚至认为是厂家出于宣传方面的考虑.其实这种认识是不全面的,特别是针对电容型设备的介质损耗监测系统,例如:
以往的绝缘监测系统均采用集中测量结构,即将所有的被测信号汇集在一处,由主机逐一进行测量,也就是常说的巡检测量方式.尽管这种巡检方式被广泛采用(如多点温度的监测等)、但在用于电容型设备绝缘在线监测系统中时,却存在如下几个方面的问题.
①被测模拟信号的长距离传输问题变电站内存在着强烈的工频电磁场干扰,利用屏蔽电缆长距离传输模拟信号,虽然可抑制工频电场的干扰问题,但对工频磁场的干扰却几乎不起作用,这是一个经常被忽视的问题.对电压,电流、电容等常规参数的检测来说,信号经过长距离传输以后所受到的微弱干扰(例如0.5%)也许不会引起特别的重视,但对电容型设备的介质损耗检测来说,由于所测量的是一个微小的相位参数,这种工频干扰所造成的影响却是非常明显的,例如0.5%的幅度干扰可造成0.5%的介损测量误差,且这个误差通常也是不稳定的,而被测电气设备的介损值本身就低于0.5,显然这是不能接受的.
采用目前大家普遍认可的频谱分析测量方式,同样也无法消除工频干扰的影响.因为频谱分析法的基本原理是将所采集的信号按单一频率展开、然后仅抽取基波分量(即50HZ)进行分析,而将其它各次谐波去除,从而达到抑制谐波干扰的目的.如果干扰信号为50HZ的工频信号,势必会影响测量数据准确性或稳定性.
②无法判断被测设备的真实绝缘状况变电站运行现场、有很多因素会影响系统监测数据准确性和稳定性,除工频干扰因素外,还有如下原因:a.测量介损所选取的基准信号都取自PT的二次侧电压,而PT本身是存在误差的;b.二次回路负载的变化会导致PT误差的变化;c.环境温湿度的变化及表面泄漏电流的影响等.这些因素发生变化时,监测数据都会随之发生波动,且无规律可言、而原有的监测系统往往不能正确地进行识别判断、当然也就无法了解被测设备绝缘的真实状况.
③运行可靠性差,故障率极高这是原有绝缘监测系统的通病、原以为是系统部件或器件的质量问题,或是环境温湿度变化造成的,其实不然.变电站内的变压器或线路的投切操作,往往会产生较强的冲击电流、导致不同的接地点之间存在较高的电位差,也就是我们通常说的地电位抬高问题.如果监测系统采用单点接地方式,可以有效地防止地电位抬高对测量部件的不良影响、但由于目前所有的巡检式监测系统需要把多个被测信号从设备运行现场汇集到主机、基于运行安全及抗干扰方面的要求,在工程上往往难以解决电气测量回路的单点接地问题,监测系统在运行中一旦受到地电位冲击,瞬间产生的共模电压很可能造成电子器件的损坏.这就是有些监测系统在实验室中可以很好地运行、而在安装到变电站以后却频繁发生故障(例如电流传感器中的放大电路损坏),即使经过多次维修更换也无法正常运行的原因.
综上所述,对于一个测量原理正确的绝缘在线监测系统,如果没有一个较好的结构形式与之配合,不但会影响监测数据的有效性,在保证系统的运行连续性方面也是较为困难的.针对变电站运行现场的复杂性,以及被测绝缘参数的特殊性, SIM-1型绝缘在线监测系统采用了一种与以往监测系统完全不同的结构形式,较好地解决了现场干扰问题及运行可靠性问题.
SIM-1绝缘监测系统采用全分布式结构,就地测量,数字传输,彻底杜绝了被测信号的长距离传输问题及地电位冲击问题,监测系统的具体结构形式如下图所示.
整个监测系统由若干个能独立工作的本地测量单元(LC)及一个中央监控器(SC)构成.所有本地测量单元均就近安装在被测设备运行现场、能够实现以往监测系统中主机才能完成的全部工作,换句话说,就是可以就地获得被测电气设备的绝缘参数.每个本地测量单元(LC)可对一组电气设备(3相)进行监测,可根据监测要求自由进行配置.测量单元采用模块化结构,互换性好,高可靠性的工业级芯片可保证在户外环境下稳定运行.
图:SIM-1绝缘在线监测系统组成及结构示意图中央监控器SC(相当于主机)通过数字总线(RS485或CAN)控制各个本地测量单元的工作状态、并接收测量单元发送过来的测量数据.在对测量数据进行汇集处理以后,通过局域网或电话线等通讯方式把监测数据远距离传送到用户的PC计算机.
中央监控器(SC)与所有本地测量单元(LC)的联接,仅依靠两对普通的双绞电缆实现.其中一根用于向各个测量单元提供交流工作电源,另一根用于数据通讯.本地测量单元的数据通讯接口及电源输入接口均采用光电隔离或电磁隔离,相当于使电源线及通讯线处于悬浮状态、而被测信号又通过穿心式电流传感器进行隔离,因此可保证各个本地单元的电气接地完全独立,相互之间没有电气联系,这样既解决了抗干扰,抗冲击等方面的问题,又不会改变被测电气设备原有的接地方式,使运行安全性得到保证、每个测量单元均可在运行现场直接接地.
监测系统采用这种分布式结构以后,由于各个测量单元同时进行测量,即在同一时刻完成对变电站内所有被测电气设备的测量,有利于排除外界因素变化对测量结果所造成的影响、这是因为变电站内所有的被测设备在同一时刻所受到的影响因素是相同的,测量数据具有较强的可比性,特别是对于那些结构相同的电气设备来说.通过对测量数据的纵向或横向比较、可把各种干扰因素在这一时刻所造成的测量误差(原来是不可确定的)当作一个确定的误差剔除,得到被测设备本身绝缘状况的真实变化,这是以往绝缘监测系统不能也无法做到的.因为以往的监测系统都是采用巡检方式,逐个进行测量,完成全部设备的测量往往需要较长甚至很长的时间,由于测量时间的不同、每台被测设备所受外部环境因素的影响也不同、作为测量基准的PT二次侧的电压信号也会发生变化,因此各个被测设备之间的测量数据通常不具备可比性.
二、穿心式电流传感器电流传感器是绝缘在线监测系统的关键部件,直接影响介损参数的测量精度及稳定性.为保证信号取样的安全性,现场通常要求采用穿心结构的电流传感器.如果把传感器设计成串接式结构,例如采用多匝输入的传感器或者采用电容分压的取样结构,虽然会给整个设计的带来方便,但任何一个环节出现问题,都有可能导致一次设备的接地开路,甚至把故障电压引入到主控室,故在SIM-1监测系统坚决放弃了这种存在安全隐患的串接取样方式.
无源电流传感器具有简单,可靠等优点、早期被广泛使用,但由于被测电流信号通常为毫安级,且又必须采用穿心结构,其精度通常难以满足介损测量的要求.采用硬件补偿或软件修正的方式,虽然可以调整传感器的误差,使其在某段测量范围内的相对精度得到提高,但却很难保证这种相对精度的稳定性,因为精度及稳定性是密不可分的两个概念,评价一个传感器的测量精度是否满足要求,首先要考虑其误差的稳定性,具体说来就是考核测量误差是否受温度变化的影响、是否可以互换使用.
采用有源零磁通设计技术,是提高小电流传感器检测精度的唯一途径,但由于零磁通技术是一种传感器的工作原理而不是一种设计方案,具体实施起来还是有相当的难度,并不意味着只要采取零磁通工作原理,传感器的精度就一定能够得到保证.许多绝缘监测系统中所使用的电流传感器,尽管采用较大尺寸的铁芯介面和较小的穿心孔径,并且采用了有源零磁通的工作原理,但仍然无法解决传感器的互换使用性问题,需要根据预试数据在现场进行修正,即使测量精度暂时得到改善,稳定性问题却很值得怀疑.
SIM-1监测系统采用了新颖的自补偿式零磁通电流传感器,除了选用导磁率较高,损耗较小的坡莫合金作铁芯外,还采用了独特的深度负反馈补偿技术,能够对铁芯的激磁磁势全自动跟踪补偿,保持铁芯在每一时刻都工作在接近理想的零磁通状态、具有很高的测量精度和较好的稳定性.传感器的穿心孔径为Φ30mm,测量70μA~700mA 范围内的工频电流信号时,相位误差均不超过±0.01°,具有优良的温度稳定性和抗电磁干扰能力.传感器按照标准化工艺生产,不需要进行误差修正或补偿,整个绝缘在线监测系统中所用的电流传感器均可互换使用,且不需要在现场进行修正,较好地解决了电容型设备末屏电流信号的精确取样问题,并且简化了现场调试工作.
此外,在其它各部分的设计中、凡有可能与一次设备有关连的进、出口,都采用了由传统器件和最新器件共同组成的多能保护电路,使得整个监测系统在出现任何故障的情况下,都不会危及变电站的运行安全.
三、监测系统的完整性监测系统的完整性和产品化始终是SIM-1设计的重中之重、设计时充分考虑到用户的使用需求,系统的可维护性及监测结果的带电验证等问题.例如,SIM-1监测系统提供了一套较为新颖的数据诊断功能,可根据绝缘参数特征值的相对变化量,筛选出绝缘异常的电气设备,自动生成包括绝缘参数变化趋势图在内的相关信息报告,极大地方便了用户的使用和管理工作.与传统的绝对值判断法相比、采用相对值比较判断法可有效地削弱外部因素的影响、提高绝缘状态诊断结果的可信度,并且遵循DLT〖电力设备预防性试验规程〗中提出的试验结果应与该设备历次试验结果相比较、与同类设备试验结果相比较、参照相关的试验结果,根据变化规律和趋势,进行全面分析后做出判断、例如:
a.对于同母线,同相别、同类型的两个电容型设备,母线PT的误差对介损及电容量监测数据的影响程度相同、其介损差值或电容量比值基本与PT角差或比差的变化无关.
b.对于结构相同的两个电气设备,外部环境因素对监测数据的影响程度相似,其介损差值或电容量比值与环境温湿度的变化基本无关.
c.对于同一组电气设备,变电站运行方式的变化对三相监测数据的影响程度基本一致,其监测结果具有较为相似的变化趋势.
SIM-1绝缘监测系统还具备较为完整的自检功能,可以在输出监测数据的同时给出该数据的置信度,有效杜绝了由于监测系统故障所产生的错误数据.如果某个本地测量单元出现异常、监测系统会立即把相应的故障信息反映到用户的计算机中、不会输出错误的测量数据.
监测系统的运行寿命及可靠性毕竟比不过被测的电气设备,因此在设计时充分考虑了系统的可维护性问题.例如,监测系统中的所有本地测量单元均采用完全相同的硬件模块,可以互换使用,用户经过简单地培训即可进行维修更换.即使取样用的电流传感器损坏,也可在电气设备的运行过程中安全,方便地进行更换,不需要为此专门申请停电时间.
四、系统特点及技术指标配置灵活采用全分布式现场总线设计思想,扩展性能极强、增加或减少监测设备和监测项目均不需要改变系统结构,可根据需要在中央监控单元提供的通讯总线上挂接不同类型及数量的本地测量单元、实现对变压器,互感器,耦合电容器,避雷器,套管等电气设备的监测和诊断.
安装简便把被测信号就近与本地测量单元的对应端子联接,然后通过2根双芯屏蔽电缆,把本地测量单元的通讯接口及电源接口挂接到中央监控单元提供的通讯总线及电源总线上即可,现场不需要对每个本地测量单元的检测精度进行调节.
测量准确采用高精度及高稳定性的穿芯式零磁通电流传感器,配合先进的就地检测处理及数字化通讯传输技术,彻底解决了电容型设备介质损耗测量和避雷器设备阻性电流测量的精度及稳定性问题,并且能够保证不同电气设备监测结果的同时性,使得监测数据具备较强的可比性,可有效消除外部环境因素的影响、提高诊断结果的可靠性.
数据可靠本地测量单元具备较为完善的自检功能,可及时反映出测量单元自身的工作状况.测量信号全部采用数字通讯方式传输,彻底消除了因工频电磁干扰所导致的模拟信号传输失真问题,提高了介损监测数据的准确度和可信度.
功能齐全数据管理系统采用MS SQL大型数据库,具备较强的分析和诊断功能,能够根据监测数据自动筛选出绝缘参数异常的电气设备,发出报警并自动生成包括绝缘参数变化趋势图在内的相关监测信息及监测报告.
维护简单所有的本地测量单元均采用模块化结构设计,对于使用数量较多的电容型设备及避雷器测量单元、则采用完全相同的硬件结构(包括电流传感器),具备高度的通用性和互换性,可在设备带电运行的条件下对包括传感器在内的所有部件进行维修或更换.
安全可靠所有容性设备的末屏电流信号均采用穿芯结构的电流传感器进行取样,不会改变设备原有的电气接线.整套监测系统的所有模块均采用工业化标准生产,全部经过高温老化和电磁兼容试验、并且选用德国进口机箱,具有较好的密封、防腐性能,满足长期运行的要求.
设备名称监测参数测量范围测量精度系统电压母线电压谐波电压
3,5,7次2%系统频率电容型设备末屏电流介质损耗-100~100%±0.05%等值电容MOA避雷器泄漏电流阻性电流容性电流电力变压器油中氢气10%铁芯电流顶层油温0℃~100℃±0.5℃环境参数污秽电流环境温度-20℃~80℃环境湿度
五、结束语综上所述,国内从绝缘在线监测系统研制至今已有近20年的历史,从早期的过零比较法测量原理到现在的频谱分析法测量原理,从原先的无源电流传感器到现在的有源零磁通传感器,从原来的巡检式测量结构到目前的分布式就地测量结构,以及从绝对值判断法到目前相对比较判断法,每一次的改进都不是一种简单的形式上的变化,更不是一种为争取市场而变换的花样,它是随着各种技术的不断发展和进步,对以往运行经验的不断总结的结果.
在我们推出这种类似于现场总线结构的监测系统以后,很短时间内得到了同行及广大用户的认可.第一套监测系统从2001年3月在天津陈塘庄220kV变电站投入运行、至今已连续3年,至今没有发生任何系统故障,无论是在测量精度还是在运行稳定性方面均达到实用化要求,并且积累了许多宝贵的运行经验.2002年7月在昆明供电局青山220kV变电站安装的SIM-1监测系统,目前已发现5起CT介损严重超标缺陷,实时跟踪到绝缘裂化的全部过程,并且在得到色谱及停电试验的验证后及时把设备退出运行、避免了重大事故.
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