高压绝缘值多少正常【高压设备绝缘在线监测系统】

变电站高压设备绝缘在线监测系统

技

术

说

明

二○○八年八月

一、系统概述

（一）监测系统的总体结构

变电站高压设备绝缘在线监测系统采用总线控制技术，它由安装

在变电站内的测量监控系统和安装在后台管理中心的数据管理系统

两个部分组成，通过网络可把若干个变电站监控系统的监测数据汇集

到上层的数据管理诊断系统，实现对多个变电站内的高压设备绝缘在

线监测。

绝缘监测系统通常由用户计算机、变电站中央监控器和若干个本

地测量单元构成，其结构框图如图所示。其中：

1、本地测量单元：安装在变电站被监测设备的运行现场，种类

及数量可根据监测要求确定。目前可提供的本地测量单元可对变压器

套管、电流互感器，电压互感器，耦合电容器的介损及电容量和末屏

电流、避雷器的阻性电流及全电流等绝缘参数进行监测。并以总线通

讯方式，通过一根定制的双绞电缆把监测数据以数字形式传送到变电

站中央监控器。

2、变电站中央监控器：安装在变电站控制室或监测设备现场，

每台中央监控器提供的通讯总线上最多可挂载100

多个本地测量单

元。中央监控器能够通过总线控制各个本地测量单元的工作状态，读

取测量数据及异常信息，获得反映设备绝缘状态的特征参量，并按照

下列方式保存各个设备的监测数据，等待上层的用户计算机进行访

问。

①最近1小时内的12组数据（每5分钟形成一组新的监测数据）；

②最近7天内的168组数据（每小时形成一组新的统计数据）；

③最近1年内的360组数据（每天形成一组新的统计数据）。

3、用户计算机：安装在局内的信息管理部门，可通过局域网与

其它的终端计算机进行数据交换。普通的电脑只要安装了专用数据库

管理软件，即可通过“Modem+公共电话网”的通讯方式读取各个变电

站中央监控器的监测数据。数据管理软件能够对监测数据进行分析判

断，自动筛选出绝缘参数异常的电气设备，及时发出状态预警信号，

同时提供包括参数变化趋势图在内的相关信息，以便管理人员作出更

为精确的诊断。

（二）监测系统的关键部件

监测系统的研制成功，很大程度上得益于高精度的电流传感器及

先进的数字处理系统。监测系统采用模块化设计结构，所有的本地采

样单元均由取样传感器模块、信号调理及A/D采样模块、嵌入式微处

理器模块和通讯及电源管理模块构成，互换性强，便于批量生产及现

场维修。

1、高精度的电流传感器模块

电流传感器是监测系统的关键部件，直接影响电容型设备介损耗

参数参数的测量精度。为保证信号取样的安全性，通常应采用穿芯结

构的零磁通电流传感器。

零磁通电流传感器的工作原理可用下式表示：I 1W 1+ I2W 2= I0W 1，

其中激磁磁势I 0W 1的存在是造成传感器误差的主要原因。降低铁芯激

磁磁势的传统方法是采用截面较大、磁路较短的高导磁铁芯，并适当

增加二次线圈的匝数。由于电容型设备末屏电流通常为毫安级信号，

传感器的激磁阻抗很小，而且又必须采用穿芯取样方式，故传统的无

源传感器通常无法保证相位变换误差的精确度和稳定性，难以满足介

损参数的测量要求。

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。监测系统采用了先进的自动补偿式电流传感器，除了选用起始

导磁率较高、损耗较小的坡莫合金作铁芯处，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进行全自动补偿，保持铁芯工

作在接受理想的零磁通状态。长期使用经验表明，这种穿芯结构（穿

芯孔径为Ф30mm ）的电流传感器能够准确检测50µA ～650mA 范围内的

工频电流信号，相位变换误差不大于±0.01°, 并具有极好的温度特

性和抗电磁干扰能力, 彻底解决了对电容型设备末屏电流信号精确取

样的技术难题。如果需要检测电压信号，只要通过无感电阻预先把电

压信号转化为电流信号即可。

表1：电流传感器技术指标

2、信号调整及A/D采样模块

信号调理及A/D采样模块是监测系统的重要部件，能够同时测量

4个输入通道的交流或者直流电压信号，并具备极强的通道扩展功能。

3、DSP 嵌入式微处理器模块

DSP 嵌入式微处理器模块是监测系统的核心部件，具备强大的数

据处理及端口控制功能，并采用8M 容量的固态电子盘（DiskOnChip ）

作为硬盘。绝缘监测系统的信号处理模块采用目前性能最优良的32

位数字信号处理芯片，TI 公司的TMS320F2812 DSP芯片，并根据其

特点精心设计了DSP 核心及外围电路，对2812的功能进行了充分的

扩展并预留相应的功能扩展接口，可以满足绝缘监测系统的需要.

4、通讯及电源管理模块

通讯及电源管理模块是监测系统的基本部件，具备如下功能：①

含有AC/DC开关电源模块，能够向其它提供5V 及±15V 工作电源；

②提供一个光电隔离的通讯接口，可挂载多个通讯接点。

（三）监测系统的性能特点

由于监测系统采用全分布式现场总线结构，并在传感器设计、信

号采样及处理等方面取得突破性的进展，与以往的监测系统相比，监

测系统具备如下特点：

1、配置灵活

监测装置采用分布式结构：可根据需要在中央监控器提供的通讯

总线上挂接不同类型及数量的本地测量单元，即在每台或每组被监测

设备的附近安装本地测量单元，可就地把被测的电气信号变成数字

量，并通过数字化的通讯总线传送到系统主机，较好地解决了模拟信

号的长距离传输问题，并且具有较强的抗冲击性能。

2、安装维护简便

采用现场通讯总线，所有本地测量单元均安装在被测设备的下

方，通过1根4芯屏蔽电缆（其中1对为通讯，另外1对提供220V

工作电源）联接所有的测量单元；施工安装简单，所有单元和传感器

均不需要在现场校正。测量单元的安装不会影响一次设备的安全运

行。

本地测量单元采用模块化设计结构，采用了完全相同的硬件结构

如取样用的电流传感器，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。

3、测量安全，数据准确可靠

在对PT 二次信号进行取样时，通过就近安装的基准电压测量单

元实现，并采取可靠的多重保护措施，确保在任何情况都不会造成

PT 二次回路短路；

监测CT 、套管等容型设备时，采用穿心式电流传感器取样，并

安装特殊保护装置；取样安全可靠；

在监测氧化锌避雷器时，在取样回路中安装高频阻尼装置，取样

方式不会影响原有计数器的计数功能；

所有的本地测量单元均具备严格的自检功能，测量数据全部采用

数字通讯方式传输，克服了长距离传输模拟信号所导致的信号失真问

题，采用高精度的电流传感器和先进的数字处理及传输技术，彻底解

决了电容型设备介损测量的精度及稳定性问题。

4、功能齐全

监测装置具备远程监控、分析功能，可通过局域网和电话线实时

获取监测数据，自动进行故障诊断和异常报警，并可显示及打印出相

关曲线和表格。

监测装置具备实时自检功能，可在管理中心的计算机上给出明确

的故障信息。

监测数据将自动存入SQL Servers2000数据库，可保存10年以

上的监测数据，并可方便地与MIS 系统融合。

（四）监测系统的技术指标

表3：绝缘状态监测系统主要技术指标

二、测量原理

（一）容型设备的介损及电容量测量

容型设备是指绝缘结构采用电容屏的电气设备，主要包括耦合电容器、套管、电流互感器（CT ）以及电容式电压互感器（CVT ）等，数量约占变电站电气设备的40%，其绝缘状态的好坏将直接影响整个变电站的安全运行，电力部门每年需要花费大量的人力物力对其进行预防性检修，迫切需要开展绝缘在线监测工作。

国内外经验表明，通过测量介质损耗tg δ及电容量Cx ，可较为灵敏地发现电容型设备的绝缘缺陷，目前所有的在线监测系统均把该项目作为重点测量的对象。

要实现电容型设备介质损耗参数的在线检测，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。传统的方法是采用过零比较技术，通过计数器方式获得两个信号的时间差，然后再根据信号周期的大小转换成相位差。该方法需要采用复杂的硬件结构，对滤

波器（滤除3次及以上的谐波）和过零比较器的工作稳定性要求极高，难以保证测量精度的长期稳定性。

鉴于该监测系统采用了嵌入式计算机系统，具备极强的数学运算功能，故专门设计和使用了一种以快速傅里叶变换（FFT ）为核心的纯数学方法，来准确求取两个被测电流信号基波分量的相位差。基本测量原理如图所示：

利用两个高精度电流传感器（CT ），把被测电流信号Ix 、In 变换为电压信号Ux 、Un ，然后由数字化测量系统对信号进行整周期采样（A/D）及快速傅立叶变换（FFT ）处理，获得这两个信号的基波向量及其相位夹角ph(x-n)。如果不考虑电压互感器（PT ）的相位失真问题，则可方便地计算出电容型设备Cx 的介质损耗Tan δ值。与以往的相位对零比较法相比，该方法的最大优点是不需要复杂的模拟信号处理电路，长期工作的稳定性得到保证，且能有效抑制谐波干扰影响。实测表明，即使被测电流信号中的谐波信号含量与基波含量相当，

也

不会对介质损耗结果造成影响。

电容型设备的介损测量通常需要选用母线电压作为相位测量的基准。传统的处理方式是把母线PT 的二次侧电压信号直接提供给检测系统，其主要缺点是现场布线复杂，模拟信号在长距离的传送过程中易受电磁场干扰的影响，有可能导致介损测量结果失真。借助于先进的现场总线控制技术和高精度的相位测量技术，监测系统提出并采用了一种新颖的相位比较测量方式，较好地解决了基准电压信号的取样问题，能够大大减少现场布线的工作量。

监测系统对电容型设备Tan δ参数的测量，是由电容型设备测量单元和基准电压测量单元共同实现。监测系统具体采用的测量方法如上图所示：母线PT 的二次电压信号Un 经过电阻R 变换为电流信号In ，由安装在PT 下方的本地测量单元LC1进行检测，电容型设备Cx 的末屏电流信号Ix 则由本地测量单元LC2检测。在中央监控器SC 的控制下，两个本地测量单元LC1及LC2的信号采集系统同时启动，对传感器输出的模拟电压信号同步进行采样及FFT 变换处理，得到输入信号Un 及Ux 相对于220Vac 工作电源Us 的基波相位Ph(n-s)和Ph(x-s)。中央监控器SC 只需通过CAN 通讯总线读取LC1、LC2对应的相位测量结果，即可计算出电容型设备末屏电流信号Ix 相对于母线电压Un 的相位差Ph ，从而获得介质损耗Tan δ和电容量Cx 等参数。该方法对数字测量系统要求较高，其中，本地测量单元的同步采用控制技术和采样量程及采样频率的精确设定是保证介损测量精度的关键。

（二）避雷器设备的全电流及阻性电流测量

氧化锌避雷器（简称MOA ）是近十年来广泛使用的一种新型过电压保护设备，具有非常好的非线性特性。由于氧化锌避雷器不带串联

间隙，阀片的特性很可能会因长期承受系统运行电压的作用而逐渐劣化。此外，避雷器密封结构不良造成的内部元件受潮或污秽，也是危害安全运行的重要因素。因此，监测运行中MOA 的工作状况，准确判断其劣化或受潮程度，是运行部门十分关心和重视的问题。

运行状态下氧化锌避雷器阻性电流分量的变化，是判定阀片劣化或受潮程度的有效方法。近年来的研究成果表明，用阻性电流的基波分量来评定MOA 的小电流特性更为合理，因为：①在正弦波电压作用下，MOA 的阻性电流中含有基波和高次谐波，基波电流发热作功，谐波电流不发热也不作功；②即使在各种MOA 阻性电流值相等的情况下，由于其阻性电流基波分量与谐波分量所占比例的不同，发热作功的情况也会存在较大的差异；③MOA 端电压中的谐波分量可从幅值和相位两个方面影响阻性电流的测量结果，但对阻性电流基波分量影响不大；④阻性电流的基波分量可有效地反映MOA 内部元件受潮、污秽等故障。

该系统对氧化锌避雷器阻性电流基波分量的监测，采用了与电容型设备类似的方法，由避雷器测量单元和基准电压测量单元共同完成。其具体测量方法如上图所示：母线PT 的二次电压信号Un 经过电阻R 变换为电流信号In ，由安装在PT 下方的本地测量单元LC1进行检测，MOA 的工频泄漏电流信号Ix 则由本地测量单元LC2通过高频阻尼电感L 从计数器JS 的两端获得。在中央监控器SC 的控制下，两个本地测量单元LC1及LC2的信号采集系统同时启动，对传感器输出的模拟电压信号进行同步采样及FFT 变换处理，得到输入信号Un 及Ux 相对于220Vac 工作电源Us 的基波相位Ph(n-s)和Ph(x-s)。中央监控器SC 只需通过CAN 通讯总线读取LC1、LC2相应的相位测量结果，即可计算出MOA 泄漏电流信号Ix 相对于母线电压Un 的相位差Ph 。

如果不考虑避雷器相间的电磁干扰问题及瓷套表面泄漏电流的影响，则可方便地获得阻性电流的基波分量峰值Ir 等参数。

三、结构特征

（一）数据库管理及诊断软件

绝缘在线监测系统的数据库管理及诊断软件主要包括如下几个功能模块，可以在任何一台安装了Windows NT 系统的计算机上运行。

1、中央数据库模块

中央数据库是一个建立在Microsoft SQL Server上的大型数据库，应用程序可通过ODBC 接口命令或SQL 专用命令来访问数据库内容。管理软件的所有数据都是以统一的数据结构存放在中央数据库之中。

2、数据远程收集模块

数据远程收集模块通常是一个后台运行程序，其基本功能是通过调制解调器（Modem ）定时从各个变电站的中央监控器中读取监测数据，并登录在中央数据库中。此外，该模块还提供IE 浏览器访问功能，用户可通过普通的拨号上网方式访问监测系统。

3、数据查询分析模块

数据查询分析模块可为操作人员提供友好的图形操作界面，能够在变电站电气接线图中反映出被监测设备的分布情况和监测参数的异常情况，提供各种比例尺度的曲线及表格。利用提供的曲线图谱可有效地反映出绝缘参数的变化趋势，并可通过表格形式查询出精确的监测结果。

4、专家诊断系统模块

目前的监测系统仅仅提供了一个相对简单的数据诊断模块，它是通过对同类型设备或同相设备绝缘参数变化趋势的比较，筛选出绝缘 - 10 -

异常的电气设备，输出包括绝缘参数变化趋势图在内的相关信息报告，供管理人员作出分析和判断，通常不需要人工干扰。此外，监测系统的上层软件为设计专家系统的人员提供了访问数据库和显示结果（包括特征量、曲线、表格等）的工具，专业人员可利用这些接口开发出更为完善的诊断方法，如果能够和现有的预防性数据管理软件结合起来，则将形成更为精确的诊断结果。

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