220kV电容式电压互感器在线监测技术研究

引言

近年来,我国的高速铁路事业迅猛发展,舒适安全的高速铁路已经成为我国对外交往的一张名片。保障铁路牵引供电系统安全运行的重要性不言而喻,因此及时获取牵引供变电所内电气设备的运行状态就十分重要。在牵引供变电所内,容性设备的绝缘情况对变电站安全运行具有重要意义。在线监测技术是传感器技术和计算机技术的有机结合,在不影响设备正常安全运行前提下,实现对其绝缘参数的实时获得,进而能够对设备绝缘情况进行有效判断。因为容性设备绝缘老化是一个长期缓慢的过程,选择合适的绝缘监测参数就可以及时发现设备存在的绝缘问题,有效避免突发事件的产生。根据容性设备介质损耗tan6测量原理,借助高精度的电流传感器以及智能监测单元(IED),可以为电容式电压互感器在线监测提供更好的平台保证。

1电容式电压互感器介质损耗监测原理

1.1电容式电压互感器介质损耗的成因

在外部高压环境的作用下,电气设备绝缘材料会产生一系列介质电导和极化的滞后现象,由此不断在其内部发生能量损耗,我们称其为"介质损耗",简称"介损"。介损经过发展会造成电容性设备常见的绝缘受潮和老化问题等,引起局部缺陷或突发故障。介损演变过程只与绝缘设备的组成材料有关,因此测量介质损耗因数tan6和电容量Cx,是反映在役容性设备绝缘状况的主要依据。

在牵引供变电所内,电气设备正常运行时会承受一定的电压,由于介质损耗的存在,设备的电流会产生两个分量,具体如下:

式中,I为电气设备的泄漏全电流:IR为阻性电流,它是泄漏电流的有功分量:IC为容性电流,它是全电流的无功分量。

在设备绝缘性能绝佳的情况下,容性电流IC相位与一次电压U的相位夹角为909。而在介质损耗存在的情况下,设备本身做功产生阻性电流,即IR,此时泄漏电流与一次电压U的相位夹角要小于909。具体原理如图1所示。

6为介质损耗角,909-6的角度为s,即功率因数角。介质损耗产生功率(P)的计算公式为:

式中,U为设备一次电压:I为设备泄漏全电流:coss为电压角频率:C为介质电容量:tan6为介质损耗因数。

计算介损因数的公式如下:

式中,sU为母线电压的基波相位角度:sI为设备泄漏全电流的相位角度。

1.2介质损耗测量方法的研究

容性设备介质损耗因数测量值较小,大约在0U001到0U03范围内,所以测量过程中方法的选择,也决定着其测量的精准性。目前,介损因数tan6的测量分为离线测量法和在线测量法两大类,具体如图2所示。

本文中,笔者主要选用在线式连续监测方法,通过软硬件结合设计在线监测系统,实施完成后的优势体现在两个方面:首先无需对在投运设备进行停电检测,对日常生产工作不会造成影响:其次在线监测设备的运行状况,能更加客观地反映其所处环境的真实数据,对分析设备的介质损耗程度参考性更高。

2在线监测系统整体设计

在线监测系统主要分为四个部分:过程层采集单元、间隔层IED(智能监测单元)、站控层后台系统和云端数据库。其系统结构框图如图3所示,电容式电压互感器在线监测装置采集相应设备的状态数据,通过现场控制单元转换、整理,再经IED规约、汇总,发送到站控层后台系统。站控层后台系统利用网络和数据中心通信,专家软件则利用各种修正理论模型、试验结果和现场运行结果来判断变电站设备的运行状况,及时给出预报警信息,以防止各类事故的发生。

2.1系统的关键部件

在线监测系统依赖于高精度的电流传感器及先进的数字处理系统。系统的整体结构采用模块化设计思路,所有现场的采集装置由四大部分组成,分别是采样传感器模块、A/D采样及信号处理模块、嵌入式数据处理模块和电源管理及通信模块。

2.1.1采样传感器模块

高精度的电流传感器是在线监测系统最重要的部件,直接影响电容式电压互感器监测参数的测量精度。穿心式电流互感器结构简单、体积较小,并能保证信号取样的安全性,通常我们采用零磁通电流传感器,这种带有穿芯结构的电流传感器具有极好的温度特性和抗电磁干扰能力,能够检测的工频电流信号的范围是50uA~700mA,相位变换误差不大于±0.01-。

2.1.2A/D采样及信号处理模块

A/D采样及信号处理模块是在线监测系统的重要部件,模块可以同时接入多个通道的交流或直流电压信号,模块还能够进行通道的扩展。

2.1.3嵌入式数据处理模块

嵌入式数据处理模块是整个在线监测系统的核心部件,模块具备强大的数据处理能力,确保采样的数据安全准确。信号处理模块采用性能优良的FPGA+DsP架构设计,该架构设计具有结构灵活、通用性强、适合于模块化设计等优势,完全可以满足在线监测系统的设计需要。

2.1.4电源管理及通信模块

电源管理及通信模块是监测系统的基本部件,模块提供一个光电隔离的通信接口,可以同时挂载多个通信接点,并且包含AC/DC开关电源模块,能够向其他模块提供5V及士12V工作电源。

2.2系统的性能特点

在线监测系统现场采用的是分布式总线结构,并在数据采样及处理、高精度传感器设计以及嵌入式系统应用等方面取得突破性的进展,与以往的在线监测系统相比具备如下特点:

2.2.1安装维护便捷

信号测量采集装置采用模块化结构设计,采集装置的安装以及调试不会影响一次设备的安全运行。可在一次设备带电运行时对采集装置包括传感器在内的所有部件进行维修或更换,具备高度的稳定性、便捷性和通用性。

2.2.2测量数据准确、安全可靠

采用高精度的电流传感器进行数据的采集,利用先进的嵌入式技术进行数字处理,保障了电容式电压互感器测量数据的精度及稳定性,同时现场所有测量采集装置均带有设备自检功能,使系统能够安全稳定运行。

2.2.3配置灵活

监测装置采用分布式结构:可根据需要在通信总线上挂接不同类型及数量的本地测量单元,可就地把被测的电气信号变成数字量,并通过数字化的通信总线传送到系统主机。

2.3介损及电容量测量

电容式电压互感器在线监测的关键技术是如何准确获得并求取两个工频基波电流信号的相位差。在线监测系统采用了嵌入式架构设计,具备极强的数学运算能力,并以快速傅里叶变换(FFT)算法为数学核心,来测量两个工频基波电流信号的相位差,基本原理如图4所示。

首先测量出电流信号In、Ix,再利用高精度电流传感器把电流变换为电压信号Un、Ux,然后由A/D采样及信号处理模块对信号进行整周期采样及快速傅里叶变换处理,获得这两个信号的基波向量及其相位夹角Ph(x士n),最后计算出电容型设备Cx的介质损耗tan6值。该方法对系统的数字处理能力要求较高,因此信号测量采集装置的采样量程及采样频率的精确设定和数据同步控制技术是保证测量精度的关键。

3软件结构设计

软件设计过程中严格遵守了以故障预测为主的故障预测与健康管理(PrognosticandHealthManagement,PHM)体系,除加入了智能化诊断算法外,软件的状态诊断评价体系可有效组织各种资源,通过流程管控实现专家、现场人员、项目经理等角色之间相互配合,以标准化规范来保证评判依据和策略的科学性。根据电力设备状态特征量和状态评价相关导则标准,对反映设备健康状态的各状态量指标项数据进行分析评价,并最终得出设备健康状态等级,为出具相关报告提供依据。

如图5所示,该框架以电力行业状态评价导则和规程为基础,遵循国际通用的MIMOSAOSA-CBM/ISO13374状态检修框架和MIMOSAOSA-EAI企业应用集成规范,通过获取设备带电检测和运行、检修、试验、不良工况等现场数据,结合神经网络、动态规划、遗传算法等智能领域的相关知识,实现对容性电气设备状态预警、故障诊断、状态评价、风险评估、检修决策等全寿命周期的评价与分析。

软件对MIMOSAOSA-CBM/ISO13374标准的六层框架进行了扩展,增加了状态诊断和预测评估模块。

模型数据管理层遵循MIMOSAOSA-EAI标准,通过将来自不同数据源的异构数据转换成统一的MIMOSACRIS数据格式,实现与外部系统的无缝集成。

同时,软件引入的人工智能算法为设备的故障诊断注入了创新思路,其很好地描述了故障特征和故障类型之间的非线性关系,使得电容式电压互感器的故障诊断,由依靠经验的传统诊断逐渐升级为以人工智能技术为特征的高级诊断。因此,软件的诊断环节中可采用kNN算法、BP神经网络算法、CART分类与回归树算法对电力设备状态作进一步分析,并可迅速给出判定结果和分析依据,为系统的使用者准确评估设备健康水平,提供了关键支撑与核心技术。

4结语

论文针对智能化牵引供电系统的发展要求,对电容式电压互感器在线监测的相关技术进行了研究,在电容式电压互感器介质损耗监测原理、嵌入式采集终端、在线监测及故障诊断系统等方面取得了一定的成果,但还是需要基于牵引供变电所实际的运行情况进行进一步的完善和研究。