超低頻高壓發生器在線監測系統的研究

　　目前我國對高壓設備的絕緣監督依據《電氣設備預防性試驗規程》定期進行試驗和維護。由于預防性試驗通常不考慮設備的運行狀況，到期必修，有效性和靈敏度低，不能完全適應電網的**、經濟、穩定運行需求。據不完全統計，1985～1990年間國內有80％的變壓器事故是在預防性試驗合格的情況下發生的。因此，迫切需要維修方式從傳統的以時間為基準轉變到以狀態為基準的狀態檢修方式。目前電氣設備的狀態維修（CBM）在電力系統中已愈來愈受到重視，電氣設備絕緣在線監測技術作為實行狀態維修的前提，已成為近年來國內外高壓領域的研究熱點［1～4］。實踐表明，在線監測高壓設備的絕緣參數，既可及時發現潛伏性故障、防止重大絕緣事故、提高供電可靠性，又可減少設備停電試驗和維護的盲目性。
　　以往的絕緣在線監測系統多數采用集中處理方式，即通過屏蔽電纜將被測信號引入系統主機，然后由主機進行集中循環檢測和數據處理。由于一次信號很小，經傳感器耦合后被測參數受模擬量傳輸過程中引入的干擾影響很大，測量結果的有效性和穩定度不能保證。隨著計算機技術和通信技術的快速發展，可采用總線式結構的絕緣在線監測系統，現場監測單元除了具備信號提取，還具備信號的預處理、數字化和處理功能，真正實現絕緣參數的分散式測量，本文將對此進行研究。
　　2　超低頻高壓發生器在線監測系統的研究
　　2．1　變壓器
　　理論分析表明，氫氣是反映變壓器故障的特征氣體［5］。變壓器在運行過程中所發生的許多絕緣故障，如：鐵芯多點接地、局部短路、接觸**等過熱型故障和放電型或受潮型故障，均有氫氣產生，通過在線監測變壓器油中溶解的氫氣，便可有效地發現變壓器的潛伏性故障；另外，通過對鐵芯接地電流的在線監測可以發現變壓器鐵芯的多點接地故障。
　　2．2　電容型設備
　　對于變壓器套管、電流互感器（CT）、電容式電壓互感器（CVT）以及耦合電容器等電容型設備，通過測量介質損耗（tanδ）及電容量，可較為靈敏地發現設備的絕緣缺陷。實現電容型設備介質損耗參數在線檢測的關鍵是如何準確獲得并求取電流信號和電壓信號基波的相位差。由于傳統的過零比較法硬件電路復雜，抗干擾性能差，本文采用以快速傅里葉變換（FFT）為核心的純數字方法，利用兩個高精度電流傳感器耦合被監測設備的電壓和電流信號，然后由數字化測量系統對信號進行整周期采樣（A／D）及快速傅立葉變換，以獲得這兩個信號的基波矢量及其相位差，從而計算出介質損耗值。該方法不需要復雜的模擬信號處理電路，且能有效地抑制諧波干擾。
　　2．3　避雷器
　　在運行狀態下監測氧化鋅避雷器（MOA）阻性電流分量的變化是判定閥片劣化或受潮程度的更為有效和靈敏的方法。對氧化鋅避雷器阻性電流分量的監測，本文采用了與電容型設備類似的方法，通過對母線電壓信號和MOA泄漏電流信號的FFT分析，可求得阻性電流的基波分量。
　　2．4　表面泄漏電流及環境溫濕度的測量
　　環境溫濕度是影響絕緣參數的重要外部因素，通過對環境溫度、濕度等常規氣候參數的監測，結合設備瓷套表面泄漏電流的監測可以判斷設備外部絕緣的污穢程度，有助于提高在線監測數據診斷結果的可靠性。
　　3　總線式監測系統
本地監測單元
　　所有的本地監測單元均由取樣傳感器模塊、信
　　號調理及A／D采樣模塊、嵌入式微機模塊和RS485通信及電源管理模塊構成，其結構示意圖如圖2所示。信號經傳感器耦合后直接進行預處理和采集，數字信號的分析和處理以及通信功能均由本地監測單元在現場完成。

　　3．2．1　信號傳感器
　　傳感器直接影響絕緣參數的測量精度，對電容型設備設計了補償型零磁通電流傳感器來提高小電流檢測的精度。選用起始導磁率高、損耗小的坡莫合金作鐵芯，并采用深度負反饋補償技術對鐵芯的激磁磁勢進行全自動補償，使鐵芯工作在接近理想的零磁通狀態，同時對線圈進行了良好的雙層屏蔽，從而有效地提高了傳感器角差和比差的穩定性，并使傳感器具有良好的溫度特性。
　　3．2．2　嵌入式微機模塊
　　嵌入式微機模塊是本地監測單元的核心。采用新一代32位微處理，超低頻高壓發生器在線監測系統的研究，它包含個人計算機的絕大部分外設并增添了單片機的特征，能夠完成復雜的數**算非常適合于嵌入式系統。本系統以32位CPU為核心，設計了嵌入式微機系統，既適合于現場測量，又具備強大的數據處理及端口控制功能，使得信號的處理功能非常簡單，從而使現場監測的就地化得以實現。
　　值得說明的是，傳統的絕緣監測系統通過屏蔽電纜將被測信號引入系統主機，然后進行檢測及數據處理。由于一次信號很小，經傳感器耦合后，模擬量傳輸過程中引入的干擾對測量結果影響很大，這是造成在線監測系統測量分散性大的根本原因之一。本地監測單元中傳感器的輸出信號不需要遠距離傳輸，采用就地采集和處理，極大地提高了系統的抗干擾能力和測量的穩定性。
　　3．3　變電站通信控制器
　　變電站通信控制器通過RS485總線控制LC工作狀態和讀取LC的監測數據，通過公用通信網絡與絕緣診斷系統進行數據通信。
　　RS485總線是一種通用的現場通信總線，它是一種雙向、多點、數字化的通信模式，具有良好的抗干擾性能和遠距離傳輸功能，能適合變電站范圍的通信需求。

　　變電站通信控制器只需通過一對485通信總線（通常用雙絞線）就可掛載所有本地測量單元。雖然LC均具有獨立的采集、信號處理、測量功能，但它的測量又受到SC的控制。SC按照一定的時間和任務序列與LC通信，啟動LC的數據采集系統，完成對絕緣參數同步測量的要求，讀取各個LC的測量數據及狀態信息。如果其中某臺LC故障，SC可將它從網絡中卸載，增加或減少1個本地測量單元均不會影響系統的工作狀態。這樣就可真正實現絕緣參數的分散式就地測量和整個系統的總線式通信。
　　3．4　絕緣在線診斷系統（IDS）
　　基于NT平臺的絕緣在線診斷系統通過公用通信網自動獲得變電站的監測數據，以SQLServer作為數據庫服務器，分析各參數的變化趨勢及其相關性，對各設備的運行和絕緣狀況進行綜合診斷，指導設備的運行和維護。
　　4　現場運行結果
　　由于在線監測數據會受到如PT電壓基準、環境、運行方式、電壓波動等多種因素的影響，假定設備的絕緣狀況是良好的，對于電容型設備的電容量和MOA的泄露電流等參數在線監測得到的數據是非常穩定的，而對于電容型設備的介損和MOA的阻性電流在線監測得到的數據會在一定范圍內波動。
　　從如圖4、圖5所示的測量結果可見，電容型設備的介質損耗和避雷器的阻性電流等監測參數在每天都發生周期性變化。通過分析可知，數據的變化是由于環境溫濕度變化的影響造成的，環境溫濕度每天有周期性的波動（見圖6）。監測參數與環境溫濕度顯示了很強的相關性，可以通過分析二者之間的相關性來分析設備的絕緣狀況。另外，對于同類型的高壓設備，由于被監測參數與環境溫濕度的相關性是一致的，可根據這個原則對數據進行進一步的分析和處理。
　　環境濕度對監測數據的影響主要是通過瓷套表面的泄漏電流反映的（見圖7）。例如，由于避雷器瓷套外表面的泄漏電流會進入到檢測回路，當瓷套表面污穢且環境潮濕或淋雨時，瓷套表面流過的電流會導致阻性電流監測結果明顯偏大；同樣，瓷套表面電流也會對部分容性設備的介損監測結果造成一定的影響。
　　從以上的分析可知，監測系統測得的在線數據是真實可靠的，數據雖然有一定的波動，但有其內在的原因，并不是監測系統本身造成的。這也反映了在線監測數據的特點，說明有必要建立在線專家診斷系統，對在線監測數據進行綜合分析，以判斷運行中設備的絕緣狀況。

　　5 結語
　　提出了基于嵌入式微機系統的RS485總線網絡結構的絕緣在線監測系統。信號的提取、采集處理和分析計算都由現場微機單元獨立完成，實現了絕緣監測的就地化。
　　研究結果表明，由于對絕緣參數實現了就地測量，避免了小信號的遠距離傳輸，解決了在線監測的