变压器套管介质损耗在线监测及故障诊断系统

冯洋 侯峰 尹松

国网宁夏电力有限公司培训中心 宁夏银川 750002

摘要：随着国民经济的迅速增长，对电力系统的依赖也日益增大，停电事故造成的损失也越来越大。变电站主变压器是电力系统的主要设备，其运行的可靠性直接关系到电力系统的安全及供电的可靠性。为保证电力系统的安全运行，必须加强对变电站主变压器绝缘的监测。套管是变压器中一种重要的部件，介质损耗因数是反应电容型套管绝缘状况的重要特性参数，在线监测变压器套管的介质损耗（简称介损）是判断其绝缘状况的有效手段。本设计采用DSP和CPLD实现套管在线监测终端设计。本文重点阐述了基于谐波分析法对介质损耗角的在线提取以及终端锁相倍频电路设计和基于灰关联方法对套管故障诊断的分析，为提高监测精度，采用B码时钟实现异地高精度同步采样。经试验表明，系统工作稳定可靠、能够精确在线测得变压器套管的介质损耗。

关键词：套管；介质损耗；在线监测； DSP；CPLD

0 引言

变电站主变压器是电力系统的主要设备，其运行的可靠性直接关系到电力系统的安全及供电的可靠性^[1-2]。一旦发生失故，造成的损失或影响巨大。我国从20世纪50年代开始，主要根据《电气设备预防性试验规程》的规定对电气设备进行定期的停电试验、检修和维护，这些预防性试验发挥了一定的积极作用，大量严重受潮和有明显缺陷的设备被检查出来。但由于这种停电检修和试验是定期进行，难以及时反映设备内部的绝缘潜伏性故障，具有一定的盲目性，同时也造成了大量人力物力的浪费，而且试验电压往往要低于运行电压，因此其等效性相对较差，对某些缺陷反映不够灵敏，不能完全适应电网的安全、经济、稳定运行需求。据不完全统计，1985~1990年间全国有80%的变压器事故是在预防性试验合格的情况下发生的^[3-4]。因此，基于状态的维修方式逐步代替基于时间的维修方式是电力系统设备维修发展的必然趋势，而电气设备绝缘在线监测技术作为实行状态维修的前提，已成为近年来国内外高压领域的研究热点^[4-6]。套管是变压器中一种重要的部件。介质损耗因数 (tanδ)是反应电容型套管绝缘状况的重要特性参数，对电容型套管进行介质损耗在线监测能及时有效发现套管的绝缘结构出现的问题，防止出现运行事故。因此，对套管介质损耗在线监测技术的研究具有很高的理论意义和工程应用价值。

1系统测量原理与总体结构

1. 1. 谐波分析法

谐波分析法原理是通过传感器装置测量PT二次侧电压信号和流经套管的电流信号，再将获得的模拟信号转化为数字信号，然后采用数字频谱分析的方法求出这两个信号的基波，进而通过对基波相位的比较求出介损tanδ。实际上是对流过设备绝缘的电流i(t)进行傅立叶级数分解，其表达式为：

（1-1）

其中，ω=2πf，f为电网频率；I₀为电流的直流分量；I_k分别为电流的各次谐波幅值；φ_k分别为电流的各次谐波初相角(k=1,2,3,…,∞)。

套管的介质损耗因数为：

（1-2）

其中，φ₁和φ₂分别为电压和电流的基波初相角。由此可知，求解电容型套管设备介质损耗因数的关键就在于去除系统谐波干扰的影响，准确地求得i(t)的初相角。考虑到实际获得的i(t)是经过离散、量化后的有限长度的离散周期序列，假设用x(n)表示采样得到的离散点（0≤n≤N-1，N为序列的总长度，对应于离散波形的总采样点数），以x(n)经离散傅立叶变换后可得：

（1-3）

由上式可知：

（1-4）

式中，X_R(k)、X_I(k)分别为X(k)的实部和虚部。

根据上式可以看出，序列x(n)即i(t)的初相角φik为：

（1-5）

通过上式分别求出两个信号的初相角，进而根据式（1-2）求取相对介质损耗因数 。

1.2 系统整体结构

系统以变电站内信息管理系统为中心，以安装在每个被监测设备上前端数据采集装置为节点，通过RS485总线连接，构成了分层分布式结构。监测终端在接收到数据处理服务器发出的采集命令后，系统电压监测终端及套管监测终端跟踪系统频率,并利用B码同步时钟实现同步采样^[5]。各监测终端采样处理后，电压监测终端将采集处理后的结果数据向系统广播，套管监测终端接收到系统电压监测终端的数据后做数据处理，并将结果数据通过RS485现场总线发送到安装在控制室内的数据处理服务器。数据处理服务器处理、存储数据，并通过专家诊断系统进行数据分析，对异常数据进行实时预警，从而实现绝缘状态的在线监测。系统关键技术如下：由于被测设备末屏电流很小，在测试时易受现场各种干扰的影响，因此，在设计信号取样方式时，采用穿芯式零磁通电流传感器技术，补偿温度变化给测量带来的漂移；利用琐相环及CPLD实现跟踪电网频率，使每周波采样点数相同，动态改变采样周期，消除电网频率变化给测量带来的影响；采用DSP及高精度A/D同步采样技术及优化的傅里叶分析法，求得幅度、相位和相位差等，进而得到所需的介质损耗、泄漏电流、等值电容等电气参数。

2 变压器套管介质损耗在线监测终端设计

变压器套管在线监测系统，主要包括数据采集单元、数字化就地处理单元、RS485/232通信单元、后台工控机及专家软件处理单元。

该监测终端的主处理器采用美国TI公司的DSP芯片，具有数字信号处理能力强, 又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能。利用琐相环及CPLD实现跟踪电网频率，使每周波采样点数相同，动态改变采样周期，消除电网频率变化给测量带来的影响。基于DSP +CPLD的现场监测终端硬件结构示意图如图1所示，现场监测终端的主要任务是接收到上位机下发的采集命令后，同步采集套管末屏电流信号以及PT二次侧电压信号，通过信号调理电路进行放大和滤波，电压信号经过锁相环实现电网频率的自动跟踪，电网频率信号经整形隔离输入到锁相电路，锁相电路的输出信号 VCO经CPLD倍频后输入到CPIN。A/D采集的控制信号由倍频输出决定，当转换时刻到来时对采集的信号进行A/D转换，转换后数据通过RS485上传给后台工控机。

图1 监测终端硬件结构

2.1微控制器单元

该终端的主处理器采用美国TI公司的DSP芯片TMS320F28335,该芯片是工业控制领域的一款高端产品,是技术先进、功能强大的32位定点DSP芯片。采用哈佛总线结构，具有3个32位高性能的CPU定时器时钟频率，支持动态改变锁相环的频率。片上资源扩展性强，处理速度高达150 MIPS，最高频率为150 MHz，指令周期为6.67 ns，采用8级流水线的工作方式，可方便地实现FFT算法的需求。

2.2 泄露电流传感器单元

由于被测设备末屏电流很小，大约在500μA~500mA之间，在测试时易受现场各种干扰的影响。本系统采用有源穿芯结构小电流传感器，选用起始导磁率高，损耗小的坡莫合金做铁心，采用深度负反馈技术，实现对铁心全自动补偿，使铁心工作在理想的零磁通状态。该传感器能够准确检测100μA~700mA的工频电流。采用穿芯式零磁通电流传感器技术，可以补偿温度变化给测量带来的漂移问题，具有良好的温度特性和抗电磁场干扰能力，较好地解决了介损测试精度及其稳定性问题。

2.3数据采集、处理单元

数据采集终端主要是实现对现场电流、电压信号的采集，主要包括以下几部分:传感器、前置信号处理单元、模数转换、微处理器、RS-485通信接口。测量装置以微处理器为核心，它控制数据采集电路的工作。被测的电压信号由相应母线上的电压互感器(TP)二次侧获取，电流信号从套管末屏上获得。取样来的电压和电流信号分别由电压、电流传感器变换成低电压小信号，送至前置处理单位经过隔离、低通滤波之后，两路信号分别同时进入采样保持器，再由模拟多路选择器选择一路进入AD转换器完成采集。通过RS-485串行通信把离散信号送至后台，计算机安有专家软件，通过相应的处理程序和数字分析技术，对数字化的电压、电流信号进行分析、计算，进而存贮数据，显示结果，作出各种判断以及完成远程通信。

2.4锁相倍频电路设计

在周期性电参量的测量中，进行同步采样是准确测量实时信号的关键。所谓同步采样就是将信号的一个周期进行均匀离散，在每一离散点处取其信号的瞬时值。同步采样有利于离散傅立叶变换，减少频谱泄漏，进而减小误差。锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统。锁相环主要由相位比较器、压控振荡器和低通滤波器三部分组成，如图3所示。其工作原理是压控振荡器的输出U₀接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压U_d大小决定。施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号U_i与来自压控振荡器的输出信号U₀相比较，比较结果产生的误差输出电压U_φ正比于U₀和U_i两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后得到一个平均值电压U_d。这个平均值电压U_d朝着减小VCO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得一致。这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定,即同步,称作相位锁定。A/D采集的控制信号由锁相环倍频输出决定，锁相环跟踪电网频率，利用CPLD将电网信号倍频，可准确控制每周波信号内固定采集2048点，假设信号频率是50Hz，即采集频率为102.4 kHz。本终端锁相倍频电路设计如图3所示，电网频率信号经调理电路后，再经LM311、TLP121、CD4093整形隔离后输入到锁相电路CD74HC4046，锁相电路的输出信号VCO经CPLD倍频后输入到引脚CPIN。

2.5同步授时单元

选用B码同步时钟模块，接收全球定位系统卫星时间实现对微处理器精准授时并产生同步秒脉冲信号，且以其同步误差小于100ns的优点保证了采集数据的有效性。微处理器识别到这些信息后，开始接收时间数据，并将其转换成北京时间。在时间基准上当实时采集被使能或既定的采样间隔到来时，1PPS信号的上升沿将同步触发采样逻辑模块并根据采样率在高电平的时间内完成一个工频周期的A/D高速采样。

3、基于灰关联分析套管设备故障诊断的方法

3.1 灰关联分析理论

灰关联分析 (又称关联度分析)，作为灰色系统理论的重要内容之一，是对系统变化发展态势定量描述和比较的方法，其基本思想是依据空间理论的数学基础，按照规范性、对称性、整体性和接近性的原则，确定参考序列和若干比较序列之间的关联系数和关联度。灰关联分析的目的就是寻求系统中各因素间的主要关系，找出影响目标值的重要因素。采用的是曲线几何形状分析比较的方法，认为几何形状越接近，则变化发展态势越接近，关联度就越大。此方法的优点在于：不追求大样本量；不要求数据有特殊的分布；计算量比回归分析小得多；可以得到较多的信息。

3.2灰关联在套管故障诊断中的应用

当套管绝缘状况良好时，环境湿度、温度变化对tanδ结果的影响要明显一些。而当绝缘状况下降时，变压器本体的温度对tanδ的影响增强，而外界温湿度的影响相对减弱^[9-10]。由此可见，当绝缘状况下降时，环境因素和tanδ的灰关联度将发生较大改变。反映在监测序列上，如果tanδ序列与环境湿度、温度、污秽等序列的灰关联度保持在一定范围内，可认为绝缘状况良好或正常；如果序列与设备温度、湿度、污秽等序列的灰关联度超出这一范围，则认为绝缘有一定的劣化，因此，可以采用灰关联度的变化判断电容型设备的绝缘状况。

另外，由于套管绝缘的故障类型不唯一，不同的故障反映在不同绝缘参数上的变化也不同，如局部故障（局部击穿等）时，介损变化不明显，而电容值、泄漏电流会有一定的变化。对此可扩展灰色诊断的应用，由不同绝缘参数建立各种故障状况所对应的典型故障征兆，通过分析待检征兆与征兆之间的关联度进行故障分类。

3.3 诊断过程

以tanδ监测数据构成参考序列需要注意的是，通常设备的温度是很难在线测得的。但是，设备本体的发热是与其负荷相关的，如果负荷重，流过的电流大，温度应相对较高；如果负荷轻，流过的电流小，温度应相对较小。对于变压器套管，通常负载重时，母线电压下降，负载轻时，母线电压上升，可以采用TV获取的电压变化在一定程度上代替设备温度变化。为便于分析，消除数据的量纲影响，合并数量级，保证各因素具有等效性和同序性，采用了区间值化的处理思路对数据进行了规范处理，数据规范化后则可根据原定义依次求得关联系数、关联度，并对关联度进行排序，比较变量的大小以确定设备温度、环境温度、湿度、污秽程度中何者更接近tanδ的变化趋势，从而判断绝缘的状况。

4．现场数据分析

本系统专家软件分为服务器端和客户端两部分。服务器端主要完成采集数据的接收、解析并存入数据库系统。客户端则主要是对采集数据做全方位、多角度的可视化显示、分析等。基于灰关联理论针对采集到的数据对变压器套管故障诊断进行分析，当分析设备运行存在异常时，向工作人员提出预警信息。对以下是在变电站现场安装图片以及监测到的数据经专家软件处理得到介质损耗变化趋势图：

图7介质损耗和温度变化趋势图

采集数据经专家软件处理分析可知，所测套管介损误差值均在 0.01以内并保持稳定，满足工程应用的精度标准。

5 结论

（1）采用琐相环及CPLD实现跟踪电网频率，使每周波采样点数相同，动态改变采样周期，消除电网频率变化给测量带来的影响。

（2）采用高精度授时秒脉冲信号实现各监测终端的异地同步触发，其同步误差最低小于12ns，大大提高了测量精度的数量级。

（3）采用穿芯式零磁通电流传感器技术，补偿温度变化给测量带来的漂移，相位变换误差≤0.01°，较好地解决了介损测量精度及其稳定性问题。

参考文献

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