一種采用納米微晶材料的電流互感器在容性設(shè)備絕緣在線監(jiān)測中的應(yīng)用

李海峰 葛猛 孫世廣

【摘要】 變電站容性設(shè)備的絕緣狀態(tài)關(guān)系到電網(wǎng)的安全運(yùn)行，絕緣在線監(jiān)測是一種保障一次設(shè)備運(yùn)行安全的技術(shù)手段，同時(shí)可以為狀態(tài)檢修提供輔助決策。本文作者長期從事在線監(jiān)測技術(shù)研究，對目前國內(nèi)絕緣在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀以及存在的問題作了系統(tǒng)分析，提出了改進(jìn)傳感器以提高在線監(jiān)測系統(tǒng)檢測精度和數(shù)據(jù)一致性的設(shè)計(jì)思路。容性設(shè)備泄漏電流信號微弱，變電站電磁環(huán)境復(fù)雜，加之電網(wǎng)中高次諧波的作用，導(dǎo)致電流傳感器的輸出信號在耦合及傳輸過程中畸變過大，難以準(zhǔn)確反映設(shè)備的絕緣狀態(tài)，因此普通電流互感器的性能難以滿足絕緣監(jiān)測的要求。作者提出了一種采用新型納米微晶材料的電流互感器以改善傳感器性能的設(shè)計(jì)方法，從提高信號源質(zhì)量的角度改善目前絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)普遍存在的檢測精度差、數(shù)據(jù)分散性大的缺陷。

【關(guān)鍵詞】 容性設(shè)備 絕緣在線監(jiān)測 介質(zhì)損耗因數(shù) 泄漏電流 電流互感器 納米微晶材料

一、容性設(shè)備絕緣在線監(jiān)測的現(xiàn)狀

變電站容性設(shè)備的絕緣狀態(tài)關(guān)系到電網(wǎng)的安全運(yùn)行，絕緣在線監(jiān)測是一種保障一次設(shè)備運(yùn)行安全的技術(shù)手段，同時(shí)可以為狀態(tài)檢修提供輔助決策。容性設(shè)備的泄漏電流中包含了阻抗角、容性電流、阻性電流、等值電容量等表征設(shè)備絕緣狀態(tài)的特征參數(shù)，因此對泄漏電流實(shí)施在線監(jiān)測可以獲取設(shè)備的絕緣狀態(tài)參數(shù)，據(jù)此判斷設(shè)備的健康狀態(tài)[1]。

容性設(shè)備的泄漏電流信號微弱，變電站電磁環(huán)境復(fù)雜，加之電網(wǎng)中高次諧波的作用，這些因素對測量結(jié)果的影響很大，因而對電流傳感器的性能提出了很高的要求。普通電流互感器的輸出信號在變電站復(fù)雜電磁環(huán)境下的耦合及傳輸過程中畸變過大，難以準(zhǔn)確反映設(shè)備的絕緣狀態(tài)。雖然目前數(shù)字信號處理技術(shù)及相關(guān)硬件平臺(tái)已比較成熟，但由于普通電流傳感器的性能難以滿足以上要求，導(dǎo)致很多已投運(yùn)的絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)普遍存在測量精度差、數(shù)據(jù)分散性大的缺陷，系統(tǒng)難以發(fā)揮作用[2]。歸納起來，在線監(jiān)測系統(tǒng)目前還存在以下幾方面問題函待解決：

1）電流互感器一致性差，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)重復(fù)性差、分散性大，難以準(zhǔn)確反映設(shè)備健康狀態(tài)；

2）長期運(yùn)行穩(wěn)定性差，外部的強(qiáng)電磁干擾和環(huán)境影響如溫濕度的變化等導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，某些情況下引發(fā)系統(tǒng)誤報(bào)警；

3）抗干擾能力差，弱信號在復(fù)雜電磁環(huán)境下的耦合及傳輸容易造成信號畸變，導(dǎo)致測量結(jié)果不夠穩(wěn)定[3]；

綜上分析，傳感器的性能很大程度上影響了在線監(jiān)測系統(tǒng)效能的發(fā)揮，因此提高傳感器性能、改善信號源質(zhì)量對于提升在線監(jiān)測系統(tǒng)的效能成為比較可行的途徑。

二、容性設(shè)備絕緣在線監(jiān)測的檢測原理

以電容型電壓互感器（CVT）為例，依據(jù)其內(nèi)部構(gòu)造及電氣原理進(jìn)行分析[1]，可建立其等效電氣模型如圖1所示。

圖1中：C1——高壓電容；C2——中壓電容；L1——中壓變壓器一次繞組；L2——補(bǔ)償電抗器；I1——容性電流；I2——中壓變壓器空載電流；Ir——阻性電流；R——等效介質(zhì)電阻；Ix——全電流；U1——高壓電容分壓；U2——中壓電容分壓；Ux——運(yùn)行電壓

據(jù)設(shè)備等效電氣模型分析，設(shè)備的介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ可采用采用正弦參數(shù)分析法進(jìn)行計(jì)算，正弦參數(shù)分析法應(yīng)用了三角函數(shù)的正交性，信號的采樣頻率fs為信號頻率f的整數(shù)倍時(shí)滿足三角函數(shù)正交性須具備的條件。由圖1可知，設(shè)備泄漏電流信號Ix、中壓電容C2分壓抽頭輸出信號U2（參考電壓）的采樣須采用同步信號采樣技術(shù)，該部分由高速同步采樣硬件實(shí)現(xiàn)。

三、納米微晶電流互感器

電流互感器工作在變電站復(fù)雜的電磁環(huán)境中，容性設(shè)備的泄漏電流正常情況下比較小，根據(jù)其等值電容量大小泄漏電流一般為5～500mA，介質(zhì)損耗角δ一般不大于0.1度，設(shè)備末屏接地扁鐵的寬度通常為20mm左右（如圖2所示），因此要求互感器具有較高的精度和一致性，同時(shí)要求互感器的角差盡可能小。綜上分析，在互感器磁芯的選取上應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1、用于互感器的磁芯必須在極弱的磁場下具有極高的磁導(dǎo)率，對于5mA左右的泄漏電流（電容型套管的典型泄漏電流值），作用于磁芯上的磁場強(qiáng)度只有萬分之幾奧斯特（Oe），比通常的0.1級精度的互感器磁芯工作磁場小一個(gè)數(shù)量級，因而對互感器磁芯材料的選取提出了很高要求；

2、采用較粗的漆包線繞制次級線圈，以降低線圈的直流電阻，有利于提高精度；

3、合理確定磁芯尺寸，磁芯尺寸過大，降低了工作磁場，增大了線圈直流電阻，影響互感器精度；而磁芯尺寸過小，造成線圈的阻抗過小，不利于互感器精度的提高；

4、對互感器采取有效的屏蔽保護(hù)措施。

目前常用的電流互感器磁芯材料主要有軟磁合金1J50、1J79（坡莫合金）、1J85（鐵鎳合金）系列等，新型納米微晶材料因其良好的導(dǎo)磁性能近年來也得到了廣泛應(yīng)用[5]，為了驗(yàn)證弱磁場下的導(dǎo)磁性能，研制單位采用1J85和納米微晶分別試制兩組各100只外形尺寸相同的磁芯：內(nèi)徑32mm，外徑50mm，寬20mm，對兩種磁芯在弱磁場下的磁化特性進(jìn)行了比對測試，其磁化特性曲線可知，在弱磁場下，納米微晶磁芯的導(dǎo)磁性能明顯高于常規(guī)軟磁合金磁芯[6]。在完成上述測試的基礎(chǔ)上，將兩種磁芯采用直徑0.28mm漆包線在全自動(dòng)環(huán)形繞線機(jī)上均繞制500匝，并將線圈浸漆絕緣處理，采用日本產(chǎn)27ZH100硅鋼片對線圈進(jìn)行屏蔽，裝入外殼，環(huán)氧灌封處理。在初級一匝、次級空載時(shí)測試其弱信號傳輸性能（測試點(diǎn)取電容型套管的典型泄漏電流值：1～5mA），測試數(shù)據(jù)可看出，納米微晶互感器的線性度明顯優(yōu)于普通軟磁合金互感器。

四、現(xiàn)場運(yùn)行情況

2014年10月納米微晶傳感器應(yīng)用于福建福清供電公司某110kV變電站2#主變套管絕緣在線監(jiān)測項(xiàng)目，并實(shí)時(shí)監(jiān)測套管絕緣數(shù)據(jù)。經(jīng)調(diào)取運(yùn)檢部門于2013年底對該主變110kV側(cè)套管實(shí)施的停電預(yù)試數(shù)據(jù)，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，系統(tǒng)運(yùn)行效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

五、結(jié)論

納米微晶電流互感器對系統(tǒng)性能的改善主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1）突破普通電流互感器應(yīng)用于絕緣在線監(jiān)測場合的局限性，提高絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的檢測精度和數(shù)據(jù)一致性；

2）改善絕緣在線監(jiān)測傳感器在變電站強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下長期工作的穩(wěn)定性，減少信號畸變。

目前納米微晶電流互感器已經(jīng)在國內(nèi)多座變電站的絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)中得到推廣應(yīng)用，運(yùn)行情況良好，取得了非常好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參 考 文 獻(xiàn)

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