變電站容性設(shè)備介質(zhì)損耗角的高精度測(cè)量方法

沈顯慶

(黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱150022)

變電站容性設(shè)備介質(zhì)損耗角的高精度測(cè)量方法

沈顯慶

(黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱150022)

針對(duì)絕緣設(shè)備泄漏電流非常微弱且容易被噪聲淹沒的問題，以磁通門傳感器組成差動(dòng)方式來(lái)提取泄漏電流，克服了互感器角差和比差帶來(lái)的誤差影響。利用小波變換及自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的數(shù)字低通濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏電流的正交分量信號(hào)電阻性漏電流、電容性漏電流的數(shù)字濾波，有效地提取了基波相位。通過信號(hào)發(fā)生器及四象限乘法器構(gòu)成的硬件正交分解器對(duì)漏電流信號(hào)分解，再配合數(shù)字濾波，較好地解決了電網(wǎng)頻率波動(dòng)帶來(lái)的頻譜泄漏，并抑制了柵欄效應(yīng)。母線電壓、泄漏電流經(jīng)同一濾波網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生的附加相移相等，保證基波相位的穩(wěn)定，提高了介損值測(cè)量的精確度。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法提高了絕緣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的精度，為絕緣設(shè)備故障診斷提供可靠的依據(jù)。

介質(zhì)損耗角;小波變換;自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò);硬件正交分解;在線監(jiān)測(cè)

收稿日期: 2013-12-10
作者簡(jiǎn)介:沈顯慶( 1969-)，男，吉林省通化人，教授，博士，研究方向:電力系統(tǒng)絕緣參數(shù)檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理，E-mail: shenxianqing2001@ 163．com。

0引言

介質(zhì)損耗角、泄漏電流和絕緣介質(zhì)電容Cx是衡量絕緣程度的三個(gè)特征量。由于介質(zhì)損耗角正切值( tan δ)僅取決于材料的特性而與材料的尺寸和形狀無(wú)關(guān)，故把tan δ作為設(shè)備整體絕緣狀況的參數(shù)是非常有效的。

為監(jiān)測(cè)電容型設(shè)備絕緣狀況，需要提取設(shè)備末屏接地電流信號(hào)，為了不改變被測(cè)一次設(shè)備原有的接線方式，廣泛地采用有源或無(wú)源的穿心電流互感器、被測(cè)設(shè)備的地線或末屏直接串入監(jiān)測(cè)電容來(lái)提取高壓電力設(shè)備絕緣的泄漏電流，但穿心電流互感器易受溫度、輸入電流和負(fù)荷變化的影響，使得角差和比差不穩(wěn)定;監(jiān)測(cè)電容法因電容被擊穿后，易造成末屏開路(即主回路停電)。因此，介損測(cè)量方法廣泛采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，再對(duì)采樣值采取相應(yīng)的濾波算法[1-8]。筆者在泄漏電流提取上，采用穿心式磁通門傳感器，測(cè)量精度達(dá)到納特( nT)級(jí)，二次測(cè)再通過差動(dòng)放大器，可以有效克服地磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量精度的影響。在信號(hào)處理上，利用信號(hào)發(fā)生器及四象限乘法器構(gòu)成的硬件正交分解器對(duì)提取的漏電流信號(hào)分解，通過小波變換及自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的數(shù)字低通濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏電流的正交分量信號(hào)電阻性漏電流、電容性漏電流進(jìn)行數(shù)字濾波。

1諧波分析法測(cè)量介質(zhì)損耗角的原理

電容型設(shè)備的絕緣特性如圖1所示。

圖1 電容型設(shè)備絕緣等值電路與相量Fig．1 Insulated equivalent circuit and phasor diagram of capacitive equipment

由圖1可以看出，介質(zhì)電流由電容電流分量I·Cx和電阻電流分量I·Rx兩部分組成，通常I·CxkI·Rx。介質(zhì)損耗角的正切值tan δ= IRx/ICx，φ為母線電壓U·與介質(zhì)電流I·的夾角。文中采用提取母線電壓和泄漏電流的基波相位φ，通過諧波分析法計(jì)算介質(zhì)損耗角正切值?？傻?，

式中，α1、β1分別為電壓、電流的基波相角。

由于流過電容型設(shè)備的電流超前電壓90°，其介損角正切值為

將式( 1)代入式( 2)得

2電容性設(shè)備絕緣參數(shù)實(shí)時(shí)在線測(cè)量方法

2. 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電容性設(shè)備絕緣參數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖2所示。利用四象限乘法型D/A轉(zhuǎn)換器和正弦、余弦信號(hào)發(fā)生器構(gòu)成的硬件正交分解器，對(duì)母線電壓電阻性漏電流、電容性漏電流的正交分量信號(hào)進(jìn)行濾波，提高了漏電流的分辨率。由于電壓、電流經(jīng)同一濾波網(wǎng)絡(luò)，濾波產(chǎn)生的附加相移相等，因介質(zhì)損耗角δ=90°-(φi-φu)是電流基波相位和電壓基波相位之差，濾波產(chǎn)生的相移通過做差而抵消，保證基波相位的穩(wěn)定。

圖2 電容性設(shè)備絕緣參數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)Fig．2 On-line detection system block diagram of high voltage equipment insulation parameter

2. 2電容性設(shè)備末屏接地電流信號(hào)Ix的提取

為了不改變被測(cè)設(shè)備原有的接線方式，電流互感器采用穿心式電流互感器，將電流互感器TA直接套在被測(cè)設(shè)備的接地線或末屏回路中。在電流互感器TA的次級(jí)通過連接互感器負(fù)載Z1把次級(jí)電流It轉(zhuǎn)化為與Ix同相的電壓信號(hào)Ux，來(lái)實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量電容性電器設(shè)備介質(zhì)損耗角tan δ、流過介質(zhì)的電流Ix和介質(zhì)電容量C。

由于絕緣設(shè)備的漏電流很小，只有毫安級(jí)，再加上電磁干擾以及環(huán)境因素的影響，使得互感器角差和比差的變化足以掩蓋實(shí)際測(cè)量值。采用磁通門傳感器通過測(cè)量磁場(chǎng)的方式，有效地克服了變壓器角差和比差變化帶來(lái)的測(cè)量誤差。利用兩個(gè)磁通門傳感器組成差動(dòng)方式，有效地克服了地磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響，提高了漏電流的檢測(cè)精度，其測(cè)量原理如圖3所示。

圖3 磁通門傳感器提取漏電流測(cè)量原理Fig．3 Measurement principle graph of leakage current extracted by fluxgate sensor

為保證磁通門始終工作在零磁場(chǎng)情況，在磁場(chǎng)負(fù)反饋系統(tǒng)中，反饋電阻R24選用高穩(wěn)定的精密電阻。反饋線圈電阻相對(duì)反饋電阻來(lái)說一般要小很多，在工作溫度范圍內(nèi)，反饋線圈電阻變化很小，故對(duì)系統(tǒng)精度影響不大。同時(shí)，為克服地磁場(chǎng)帶來(lái)的影響，兩個(gè)磁通門傳感器要同一角度放置，距離不要超過10 mm。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 c相磁通門傳感器提取漏電流信號(hào)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)( T =1 0000 G)Table 1 Measured data of current signal extracted by fluxgate sensor( T =1 0000 G)

3小波變換和自適應(yīng)在線濾波模型的建立

為更好地解決頻率波動(dòng)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的影響和有效提取基波信號(hào)[8-12]，建立了基于小波變換和自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的數(shù)字低通濾波器的在線濾波模型。通過自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)訓(xùn)練小波分解參數(shù)，實(shí)際輸入信號(hào)和期望信號(hào)分解系數(shù)的差值趨于零，達(dá)到對(duì)奇次諧波信號(hào)、白噪聲、頻率變化產(chǎn)生的頻譜泄漏和開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)污染等干擾信號(hào)的抑制作用。其濾波模型如圖4所示。

圖4 濾波模型Fig．4 Filtering model

圖4 中，x( k)為輸入信號(hào)，d( k)為期望信號(hào)，通過建立目標(biāo)函數(shù)ε=[| ei( m) |2]使之最小，通過訓(xùn)練自適應(yīng)濾波矩陣，使[x( k)-d( k)]2→0，求得小波分解系數(shù)F0( k)，F(xiàn)1( k)，…，F(xiàn)m-1( k)。在訓(xùn)練過程中，自適應(yīng)濾波矩陣采用對(duì)角陣，用歸一化LMS算法，即

式中: Nsi——第i個(gè)子帶中自適應(yīng)濾波器的長(zhǎng)度;

γ——防止更新因子過大而選用的小常數(shù)，取γ=0. 01;

ei( m)——第i個(gè)子帶誤差信號(hào);

μi( m)——第i個(gè)自適應(yīng)濾波器輸入信號(hào);

α——學(xué)習(xí)因子，取0<α≤0. 1。

小波子帶濾波算法中，將小波分解成用傳輸函數(shù)Fi( k) ( i =0，1，…，m-1)表示的形式。其中，F(xiàn)0( k)為低通濾波器，F(xiàn)i( k)為帶通濾波器( i =1，2，…，m-2)，F(xiàn)m-1( k)為高通濾波器。選取Coiflets作為母小波，小波分解過程中，濾波器組沒有頻率重疊部分，但可覆蓋輸入信號(hào)整個(gè)頻帶。

為能夠有效提取基波信號(hào)，更好地濾除各次諧波信號(hào)，考慮最嚴(yán)重的情況，選取電壓輸入信號(hào)為: x( t) =4* cos( 3* pi* t) + 0. 5* cos( 5* pi* t) + 0. 3* cos( 7* pi* t) + randn( 1，5 001)一個(gè)周期的波形，期望信號(hào)選為: d( t) = sin( pi* t)。其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 基于小波變換和自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的仿真Fig．5 Simulation diagram based on wavelet transform and adaptive neural network

4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

文中所開發(fā)的電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在哈東變電所110 kV主變套管進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為母線電壓、末屏接地電流、等效電容值、介質(zhì)損耗角、溫度和濕度。圖6為實(shí)際運(yùn)行過程中所得到的參數(shù)，頁(yè)面左邊框架設(shè)置查詢條件，右邊框架通過刷新來(lái)顯示查詢結(jié)果。圖7為采用ActiveX控件生成的介損監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線。

圖6 信息查詢結(jié)果的Web頁(yè)面Fig．6 Web windows of information inquiry result

圖7 基于ActiveX技術(shù)實(shí)現(xiàn)的介損監(jiān)測(cè)曲線WEB頁(yè)面Fig．7 WEB windows of dielectric dissipation monitoring cure based on ActiveX technique

5結(jié)論

電容性設(shè)備是重要的輸變電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修的前提條件是能否實(shí)現(xiàn)絕緣在線監(jiān)測(cè)與故障診斷。在信號(hào)提取上利用測(cè)量磁通的方式，避免了互感器角差和比差變化的影響;在信號(hào)處理方面，通過電路設(shè)計(jì)保證母線電壓、泄漏電流經(jīng)同一濾波網(wǎng)絡(luò)，濾波產(chǎn)生的附加相移相等，濾波產(chǎn)生的相移通過做差而抵消，保證基波相位的準(zhǔn)確度。利用硬件實(shí)現(xiàn)正交分解，軟件采用小波變換與自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)字濾波，進(jìn)一步提高了泄漏電流的分辨率。該方法有較強(qiáng)的魯棒性，可在強(qiáng)磁場(chǎng)下可靠工作。

[1] 段大鵬，江秀臣，孫才新．基于正交分解的介質(zhì)損耗因數(shù)數(shù)字測(cè)量算法[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28 ( 9 ) : 127-133．

[2] DJOKIC B，SO E．Phase measurement of distorted periodic signals based on nonsynchronous digital filtering[J]．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2002，17( 8) : 232-236．

[3] 徐志鈕，律方成，趙麗娟．基于加漢寧窗插值的諧波分析法用于介損角測(cè)量的分析[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，20( 2) : 81-85．

[4] 王振朝，岳瑩昭，師 潔．基于多分辨率分析的小波系數(shù)壓擴(kuò)去噪算法[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28( 10) : 76-81．[5] 王公寶，向東陽(yáng)，馬偉明．基于FFT和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非整數(shù)次諧波分析改進(jìn)算法[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28( 4) : 102-108．

[6] 賈 嶸，楊 可，原 麗，等．基于卡爾曼濾波和加窗插值諧波分析法的介損測(cè)量方法[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2007，31( 1) : 52-55．

[7] 黃 晶，顏運(yùn)昌，胡 林，等．基于小波和改進(jìn)相關(guān)分析的介損測(cè)量方法[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30( 7) : 51-54．

[8] 沈顯慶．容性設(shè)備介質(zhì)損耗角的分布式測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]．沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2010．

[9] 陳 楷，胡志堅(jiān)，王 卉，等．介損角的非同步采樣算法及其應(yīng)用[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2004，28( 8) : 58-61．

[10]ALLAN D，BLUNDELLl M，BOYD K，et al．New techniques for monitoring the insulation quality of in-service HV apparatus．IEEE Transactions on Electrical Insulation，2002，27 ( 3 ) : 578-581．

[11]KIM JONGWOOK，PARK BYUNGKOO．Fault diagnosis of a power transformer using an improved frequency-response analysis．IEEE Transactions on Power Delivery，2005，20 ( 1 ) : 169-178．

[12] 沈顯慶，王成元．交流電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的智能檢測(cè)及誤差分析[J]．黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，18( 1) : 14-17．

(編輯 晁曉筠)

Research of high precision measurement method of substation capacitive equipment dielectric loss angle

SHEN Xianqing

( School of Electrical&Control Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China)

Directed at the solution to the leakage current which is weak and more likely to be submerged by noise，as occurs in the insulation equipment，this paper introduces some steps to extract the leakage current using the differential fluxgate sensor and eliminate the influence due to the angle error and the ratio error of the transformers．These steps consist of using the digital low-pass filter wavelet composed of transform and the adaptive network to filter the resistive leakage current and the capacitive leakage current of the orthogonal signal and thus effectively extract the fundamental harmonic，using the vector multiplier consisting of the signal generator and the four quadrant multiplier to achieve the orthogonal decomposition of the leakage current signal and the digital filter，and finding a better solution to the spectrum leakage caused by the grid frequency fluctuation and therefore inhibiting the barrier effect．The passage of bus voltage and the leakage current through the same filter network generates the additional equal phase shift，thus ensuring the stability of the fundamental wave phase，hence a greater resolution of the leakage current．Simulation and experiment indicate that this method serves to enhance the precision of the insulation equipment on-line monitoring，and provides a more reliable basis for the diagnosis of the insulation equipment fault．

dielectric loss angle; wavelet transform; adaptive network; hardware orthogonal decomposition;on-line monitoring

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 020

TM835. 4

2095-7262( 2014) 01-0091-04

A