智能化變電站氧化鋅避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀

申葳 房立騰 黃華 詹龍成

摘 要：該項目基于“智能化變電站氧化鋅避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀”研制的新型智能變電站電子式互感器數(shù)字轉(zhuǎn)換技術。研制全新的同步電壓采集裝置，具備光纖接口、光信號解碼模塊，用來接收合并單元發(fā)出的光纖信號；增加同步對時裝置，由于一次電壓經(jīng)電子式電壓互感器采集，再轉(zhuǎn)換到合并單元發(fā)出這一流程存在延時問題，為保證電壓與電流信號同步，需增加同步對時裝置，以保證電壓電流信號的同步，從而對智能變電站開展氧化鋅避雷器帶電測試試驗。

關鍵詞：變電站；避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀；互感器

中圖分類號：TN06 文獻標志碼：A

0 引言

隨著著現(xiàn)代社會發(fā)展的需要，我國的電壓等級和電網(wǎng)的容量也在不斷提高，隨之而來的就是對電力的需求也越來越多，為滿足日益增長的供電需求，再現(xiàn)有供電容量的前提下，必須保證設備的可靠運行；同時減少停電的次數(shù)和時間，因此帶電檢測和在線監(jiān)測技術得到了越來越多的重視。

當今的維修體系主要是以狀態(tài)檢修為主的維修體制，然而維護系統(tǒng)的前提是實現(xiàn)高電壓設備的在線檢測。因此就要求在線檢測系統(tǒng)的運行能準確及時地反應設備的狀態(tài)；從而判斷設備有沒有故障，保證電網(wǎng)能高效、穩(wěn)定地運行。

隨著智能變電站的不斷建設和普及，傳統(tǒng)的互感器已由原來的模擬量輸出改為光纖信號輸出，這就導致傳統(tǒng)的氧化鋅避雷器泄漏電流分析儀，無法采集采用光纖信號的互感器上的信號，進而導致其無法在智能變電站開展避雷器帶電測試工作，因此該課題提出并研發(fā)了符合智能變電站數(shù)字信號互感器的產(chǎn)品。

1 氧化鋅避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀系統(tǒng)任務與功能需求

1.1 避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀系統(tǒng)任務

避雷器檢測測量過程中需要測量母線電壓，從而計算避雷器的阻性電流，以此來反映避雷器運行的情況。目前智能化GIS變電站多采用電子式互感器，電子式互感器是利用光纖傳輸數(shù)字信號至合并單元，因此用傳統(tǒng)的方法無法從二次回路上測得相應的電壓值，也就無法對避雷器的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，因此必須要采用A/D轉(zhuǎn)換技術，把光信號轉(zhuǎn)換成模擬信號提供給測量裝置。

該儀器對所采集到電壓電流信號進行分析，程序能夠?qū)崿F(xiàn)對智能站數(shù)字信息通信協(xié)議IEC61850 9-2協(xié)議的解碼及傳輸，同時能夠獲取同一時間下的電壓電流信號，利用電壓與電流的角度關系計算避雷器阻性電流，進而分析避雷器運行狀況。

將核心的光數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模塊及信號同步模塊安裝到避雷器泄漏電流分析儀上，同時利用最小二乘擬合的算法，設計完成智避雷器泄漏電流分析儀；并將其應用于現(xiàn)場測試實驗中。

1.2 功能及需求

該設備的信號采用光纖采集。采集數(shù)據(jù)可靠、抗干擾。光纖傳輸方式可消除電氣信號在傳輸過程中的衰耗和受擾，同時免受暫態(tài)高壓的威脅，且采用自補償式高精度電流傳感器和先進的數(shù)字濾波技術，較好地解決了介損測試精度及其穩(wěn)定性問題，結(jié)合完善的電磁屏蔽措施和先進的數(shù)字濾波處理技術，可確保介質(zhì)損耗測試結(jié)果不受諧波干擾及脈沖干擾的影響，保證了數(shù)據(jù)的真實性和穩(wěn)定性，同時檢測主機可以對設備狀況連續(xù)或定時進行監(jiān)測，當懷疑設備有缺陷時或跟蹤設備有變化時，可以對設備實現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測和帶電測試時，設備不需要退出運行，人員的勞動強度也大為降低，由于多設備同時在同樣環(huán)境下進行測試，更能真實反映設備狀態(tài)的參量，從而實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)的綜合診斷，隨時掌握設備的劣化趨勢，及時有效地發(fā)現(xiàn)設備缺陷。大大減少了生產(chǎn)成本，增加企業(yè)競爭力并獲得更大的經(jīng)濟效益；便于大面積推廣和安裝，提高在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和真實性，及時發(fā)現(xiàn)運行中電氣設備的絕緣缺陷，防止重大事故的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)的供電可靠性。

信號通過光纖傳輸，傳輸?shù)男盘柌皇茈姶艌龅挠绊?，因此光纖傳輸對電磁干擾、工業(yè)干擾有很強的抵御能力，解決了通信距離和速率的矛盾，同時光纖具有頻帶寬度大、損耗小、重量輕、保真度高、工作性能高等優(yōu)點，解決了信號受到電磁場干擾數(shù)據(jù)不穩(wěn)、跳動大、地電位抬高、雷電破壞、設備容易打壞的難題。

2 氧化鋅避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀結(jié)構(gòu)和工作模式

2.1 避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀結(jié)構(gòu)

避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀結(jié)構(gòu)分為內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和外部硬件結(jié)構(gòu)。

內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由電源模塊、光電信號采集、通信信號協(xié)議傳輸、信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)信息分析、計算、同步、發(fā)送、監(jiān)測診斷等一系列軟硬件系統(tǒng)組成。

外部結(jié)構(gòu)則是金屬機箱、控制面板、狀態(tài)顯示按鈕、通信接口、電源開關等。

整體小巧易攜帶，且操作簡單實用，效率高，安全穩(wěn)定。

2.2 避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀工作模式

對光纖信號進行采集，同時能夠利用IEC61850通信協(xié)議將光信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，并進行實時傳輸；同步單元將采集到的電壓電流信號，同步至某同一時間點，從而計算電壓電流之間的角度差。避免由于非同一時間信號帶來的誤差；初步利用最小二乘擬合算法，實現(xiàn)對避雷器泄漏電流的采集及分析，其計算精度能夠滿足現(xiàn)場測試需求；基于分布式測量結(jié)構(gòu)，采用光纖以太網(wǎng)，彌補了傳統(tǒng)信號傳輸受距離、工頻電磁場干擾、抗電壓沖擊能力差、故障率高的不足。現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)布線簡單，接口統(tǒng)一，且可給測量結(jié)果加上時基；基于數(shù)字傅里葉變換的工頻基波相位角測量，從而計算介損參數(shù)。監(jiān)測系統(tǒng)采用高精度（64 bit）并行采樣技術，具備完善的程控增益及相位自校功能，測量基波信號的相位精度高達±0.002°以上，完全滿足現(xiàn)場測量的要求。

另外監(jiān)測系統(tǒng)基于相對值數(shù)據(jù)診斷功能，可根據(jù)絕緣參數(shù)特征值的相對變化量，篩選出絕緣異常的電氣設備，自動生成包括絕緣參數(shù)變化趨勢圖在內(nèi)的相關信息報告，供管理人員做出分析和判斷。

采用容性電流補償法測量阻性電流，采用基波分量檢測法檢測阻性電流基波分量。與其他檢測方法（象三次諧波法、電場感應法法）相比，阻性電流基波分量檢測法可有效避免電網(wǎng)諧波的影響，測量精度也相對較高。

3 避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀時間同步與光電轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)

3.1 時間同步

變電站時間同步系統(tǒng)是站內(nèi)系統(tǒng)故障分析和處理的時間依據(jù)，也是提高電網(wǎng)運行管理水平的必要技術手段。目前我國智能化變電站均采用的基準時鐘源，主要是全球定位系統(tǒng)導航衛(wèi)星（GPS）發(fā)送的無線標準時間信號。

智能站的對時方式應用最廣泛的是脈沖對時和B碼對時的方式。秒脈沖的方式是有秒脈沖信號硬對時方式。其中，秒脈沖是利用GPS所輸出的每秒一個脈沖方式進行時間同步校準，上升沿時刻的誤差不大于1 μs。獲得與UTC同步的時間精度，上升沿時刻的誤差不大于3 μs。由于三相電之間互差120°，及電氣設備中的元器件的原因使電流和電壓之間存在一個固有的角度，從而不能達到一致的輸出，無法滿足測量的需要，基于此種情況，需要有時鐘的同步從而使電流和電壓達到固有的角度，滿足設備測量的需求。

通過變電站GPS時間同步系統(tǒng)，可為系統(tǒng)故障的分析和處理提供準確的時間依據(jù)。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，既可實現(xiàn)全站各系統(tǒng)在統(tǒng)一時間基準下的運行監(jiān)控，也可以通過各保護動作、開發(fā)分合的先后順序及準確時間來分析事故的原因及過程。電子式互感器的應用更需要在各個互感器同一間隔之間、不同間隔之間采取時鐘同步手段保持采樣同步。

由于一次電壓經(jīng)電子式互感器采集再轉(zhuǎn)換到合并單元發(fā)出這一流程序存在延時問題，為保證電壓與電流信號同步，需增加同步對時裝置，以保證電壓電流信號的同步，避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀采用秒脈沖方式與主站時鐘同步，以此來保證獲取的信號和實際信號一致，從而保證測試數(shù)據(jù)的實時性和準確性。設備本身利用光纖與主站時鐘連接，基于IEC61850通信規(guī)約，利用主站時鐘發(fā)出的秒脈沖來實現(xiàn)和主站的時間同步。通過主站的時間同步后使數(shù)字分析儀與互感器保持同步，從而達到測試的目的，保證測量的準確性。

3.2 光電轉(zhuǎn)換（數(shù)模轉(zhuǎn)換）

光電轉(zhuǎn)換也可稱作數(shù)模轉(zhuǎn)換，是把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程。隨著光電技術的不斷成熟，其在智能變電站系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，電子式互感器就是其中之一。電子式電流（電壓）互感器二次部分采用新型的電子元器件，并采用先進的電磁兼容設計，可直接與數(shù)字化儀表和智能綜合測量保護裝置及計算機相連，較好地解決了計算機技術對電流電壓完整信息進行全過程數(shù)字化處理的要求，進而完成了對電網(wǎng)電氣設備的在線狀態(tài)監(jiān)測、控制和保護。相較傳統(tǒng)的電流、電壓互感器，電子式電流互感器和電子式電壓互感器具有不含鐵芯、沒有磁飽和、頻帶寬、動態(tài)測量范圍大、測量準確度高、測量保護范圍內(nèi)完全線性、傳輸性能好等優(yōu)點，且體積小、重量輕。特別是電流互感器二次開路不會產(chǎn)生高電壓，二次幾乎工作在開路狀態(tài)，電壓互感器二次短路不會產(chǎn)生大電流，也不會產(chǎn)生鐵磁諧振，根除了電力系統(tǒng)運行中的重大故障隱患，保證了人身和設備安全。但是在變電站的設計中電子式互感器輸出的信號直接到合并單元，傳統(tǒng)的測試儀器無法直接測量合并單元的光信號，因此設計制作了此種數(shù)字分析儀。

泄漏電流數(shù)字分析儀利用光纖與合并單元連接，接收合并單元發(fā)出的數(shù)據(jù)包，利用自身的A/D轉(zhuǎn)換模塊，解析數(shù)據(jù)包內(nèi)的數(shù)據(jù)，再利用比列系數(shù)，實時還原出接收的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的輸出，傳統(tǒng)的儀器就能根據(jù)這個輸出電壓信號進行測量。研發(fā)一項同步電壓采集裝置及程序；該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對光纖信號的接收和解碼，對IEC61850 9-2通信協(xié)議的解碼。

4 結(jié)語

該文以變電站電子式互感器的實際應用需求為背景，研發(fā)的一款電子式互感器數(shù)字轉(zhuǎn)換，并研制全新的同步電壓采集裝置，具備光纖接口、光信號解碼模塊，以接收合并單元發(fā)出的光纖信號；增加同步對時裝置的氧化鋅避雷器泄漏電流數(shù)字分析儀，來進行變電站氧化鋅避雷器泄漏電流的監(jiān)測和分析。目前該設備已經(jīng)集各種先進技術與一身，我們會根據(jù)實際使用過程中出現(xiàn)的問題，并結(jié)合世界一流技術進行進一步優(yōu)化，以達到更加智能先進的水平。

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