CN103926514B - 一种带电运行状态下的高压设备绝缘诊断方法 - Google Patents

一种带电运行状态下的高压设备绝缘诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带电运行状态下的高压设备绝缘诊断方法。该方法通过电磁感应原理,将变频功率信号源输出的冲击扫频脉冲信号通过被测高压设备的二次回路耦合到高压设备内部,然后对冲击扫频脉冲信号经被测高压设备内部耦合回路后的泄漏电流进行感应耦合,通过检测冲击扫频脉冲信号耦合注入到高压设备等效电气回路的能量释放特征来计算带电运行的高压设备等效对地阻抗或介质损耗因数,从而分析高压设备是否对地存在绝缘击穿放电现象。与现有技术相比,本发明无需操作人员靠近设备一次高压端,且通过变频试验信号发射源和相应的接收装置进行同步发射和采集,抗干扰能力强,起到既不停电、又能较高灵敏度地探测到高压设备绝缘状态的目的。

Description

一种带电运行状态下的高压设备绝缘诊断方法
技术领域
本发明涉及一种针对带电运行状态下的高压设备进行绝缘诊断的方法,特别是涉及一种不停电状态基于耦合混叠信号试验的高压设备绝缘诊断方法。
背景技术
高压设备在运行状态时,由于承受了工频耐压,因此当绝缘已经存在缺陷时,可能发生放电信号。传统的针对运行中的高压设备绝缘诊断的方法主要就是基于放电信号测量或温度测量,如超声波检测法、高频脉冲电流感应法、特高频检测法等,这些方法能在一定程度上实现对运行中高压设备的绝缘诊断,但是在实际使用中存在如下缺陷。第一,由于上述方法均要求较为精密的传感器接触或尽可能靠近运行中的高压设备本体,也就需要测试人员靠近高压设备,可能引入人身安全的问题;第二,上述传统的基于放电信号测量或温度测量的检测方法仅仅作为一种单向接收信号的技术模式,受现场干扰较为明显,如果检测传感器与设备本体保持一定距离,则检测灵敏度会明显下降,这限制了该类技术在运行高压设备绝缘诊断中的应用。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足,提供一种带电运行状态下的高压设备绝缘诊断方法,不仅无需操作人员靠近设备一次高压端,而且通过变频试验信号发射源和相应的接收装置进行同步发射和采集,能有效避免现场干扰,抗干扰能力强,起到既不停电、又能较高灵敏度地探测到被测高压运行设备绝缘状态的目的。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
本发明提出了一种带电运行状态下的高压设备绝缘诊断方法,主要技术思想在于:通过电磁感应原理,将变频功率信号源输出的冲击扫频脉冲信号通过被测高压设备的二次回路耦合到高压设备内部,然后对冲击扫频脉冲信号经被测高压设备内部耦合回路后的泄漏电流进行感应耦合,通过检测冲击扫频脉冲信号耦合注入到高压设备等效电气回路的能量释放特征来计算带电运行的高压设备等效对地阻抗或介质损耗因数,从而分析高压设备是否对地存在绝缘击穿放电现象。所述绝缘诊断方法具体包括以下步骤:
(一)搭建绝缘诊断系统:将开口式高频电流互感器1的次级开口端卡接到处于带电运行状态下的、含标准电压或电流二次回路的被测高压设备的二次回路、或卡接到处于带电运行状态下的被测高压电缆的外绝缘保护套上,开口式高频电流互感器1的初级输入端与受MCU控制器控制的变频功率信号源的输出相连;将电压电流采集装置和低通滤波器分别与开口式高频电流互感器1的初级输入端并联,低通滤波器的输出与工频电流采集器相连;将开口式高频电流互感器2的初级开口端卡接到开口式高频电流互感器1次级开口卡接回路的接地回路、或卡接到被测高压设备的接地回路,开口式高频电流互感器2的次级输出端与高通滤波器相连,高通滤波器的输出与高频电流采集器相连;将电压电流采集装置、工频电流采集器和高频电流采集器分别与MCU控制器进行数据交互。
所述含标准电压或电流二次回路的被测高压设备可以是独立CT(电流互感器)或PT(电压互感器)或CVT(电容式电压互感器),或内部带CT或PT或CVT的变压器或电缆或GIS气体绝缘高压套件,等等。
所述变频功率信号源产生的电压幅度为0‐10kV,功率为0‐10kW,频率为0‐100MHz,波形可以是方波、或正弦波、或余弦波、或三角波、或PWM波、或白噪声、或雷电冲击波形等。变频功率信号源的输出延时受MCU控制器控制,可以实现在任意时刻启动或停止变频功率信号源的输出。
所述开口式高频电流互感器1为变频功率信号源的信号输出耦合端,将被测高压设备的二次回路作为开口式高频电流互感器1的二次负载;通过电磁感应原理,将变频功率信号源的输出信号通过被测高压设备的二次回路耦合到高压设备内部,或直接通过卡接到被测高压电缆的外绝缘保护套上,实现变频试验信号耦合注入到高压电缆回路。将开口式高频电流互感器1的开口端称做次级的原因是,该开口端作为信号输出端,将来自MCU控制器控制的变频功率信号源输出的信号经开口式高频电流互感器1初级输入,然后经开口式高频电流互感器1的开口端输出,因此开口式高频电流互感器1本身作为变频试验信号的发射端。
所述开口式高频电流互感器2为被试高压设备的接地端,用于感应经开口式高频电流互感器1耦合输出信号的泄漏回路电流信号,该信号经高通滤波器和受MCU控制器控制的高频电流采集器测量分析。将开口式高频电流互感器2的开口端称作初级的原因是,开口式高频电流互感器2的开口端作为耦合输入端,即信号接收端,将来自开口端耦合接收的信号通过开口式高频电流互感器2的次级绕组输出,供后续滤波和测量分析。
所述开口式高频电流互感器1和开口式高频电流互感器2的频率响应范围为0‐200MHz,耐绝缘击穿能力大于1kV,开口结构可以是圆形、或矩形、或多边形、或柔性罗柯夫斯基线圈(RogowskiCoil)等(即开口端并非常开状态,而是可以灵活调整开口和闭合状态,闭合后的结构为圆形、或矩形、或多边形、或柔性罗柯夫斯基线圈)。由于所述开口式高频电流互感器1和开口式高频电流互感器2需要在带电运行状态下卡接到相应电气回路,因此在该两路互感器开口端安装微型整流及LED指示灯功能,可有效指示带电操作是否恰当,是否稳固;当LED灯不稳定闪烁,或完全无光的情况下,应重点检查和调整现场接线。
运行中高压设备二次回路的工频电流信号经开口式高频电流互感器1次级开口端反向耦合到初级,随后该电流信号通过所述低通滤波器和工频电流采集器进行滤波和采集,供MCU控制器分析被测高压设备工频运行电流的频率、幅值和相位信息。该相位信息可供MCU控制器作为控制变频功率信号源输出时间点的参考数据,以便实现变频功率信号源准确注入到运行高压设备工作电压的时间点上。
(二)产生冲击扫频脉冲信号:在MCU控制器中输入变频功率信号源扫频输出信号的幅值或功率、频率带宽、波形;MCU控制器启动工频电流采集器,工频电流采集器跟踪被测高压设备工频运行电流的频率、幅值和相位信息,并将采集信息发送给MCU控制器;MCU控制器分析出工频电流的目标相位出现时间,并在后续工频信号周期的目标相位点至少一次启动变频功率信号源的输出,开口式高频电流互感器1将变频功率信号源产生的冲击扫频脉冲信号耦合到被测高压设备内部。由于变频功率信号源输出的信号频率和波形是已知的,因此较好地减少了采集信号的分析难度,后续通过软件数字滤波等手段将对应发射信号频率的信号提取出来即可进行分析。
考虑到现场可能产生的随机干扰,一般采用多个发射信号进行扫频模式测量,即完成一个频率点发射后,再进行下一个频率点的信号发射,直到发射频率值和设置的频率上限值相等,最后将所有频率点的测量参数汇总成一个频带的发射响应信号进行深入分析。扫频模式不仅利于提高抗干扰性,还利于进行建模分析,将被测运行高压设备的运行等效对地阻抗进行阻抗频率响应分析,通过曲线描述或等效阻抗的电容电阻元件进行计算,获得介质损耗、绝缘对地阻抗等参数。在扫频模式下,每个频率点的发射信号可以是同一波形,也可以是不同波形,由MCU控制器统一存储记忆目标输出波形、目标输出幅值或功率、目标输出频率,然后进行响应的数字滤波和分析,因此本发明不限于单一波形的信号发射试验模式。被测高压运行设备的运行工频环境可以是50Hz、60Hz或其他频率的任意信号,由于发射信号可以通过变频处理避开工频信号范围,因此原理上不受工频信号频率的影响。
(三)信号响应采集:在MCU控制器的控制下,电压电流采集装置实时采集变频功率信号源输出端的电压和电流幅值,并发送给MCU控制器;开口式高频电流互感器2对冲击扫频脉冲信号经被测高压设备内部耦合回路后的泄漏电流进行感应耦合,在MCU控制器的控制下,高频电流采集器实时采集开口式高频电流互感器2响应电流的频率、幅值和相位信息,并发送给MCU控制器。
(四)绝缘诊断分析:MCU控制器将接收到的变频功率信号源输出端的电压和电流幅值、与开口式高频电流互感器2响应电流的频率、幅值和相位信息进行方程建模,计算出等效对地阻抗或介质损耗因数,并借助数学统计方法建立数据比对或借助曲线描述方法,分析等效对地阻抗或介质损耗因数的时域稳定性或频域稳定性,得出带电运行状态的绝缘诊断分析结果。
本发明通过将冲击扫频脉冲信号混叠到带电运行的高压设备运行工频电流支路中,并通过一套RLC或RC串并联等效阻抗建模的方法,将信号耦合混叠回路的等效综合阻抗看作信号输出负载,而高压设备对地放电则等效为与信号输出负载并联的等效阻抗。通过一套变频试验方法和等效阻抗建模的方式,建立试验方程矩阵,从而计算出代表对地放电量的等效阻抗、或等效RC数值、或根据等效RC计算出介质损耗角或介质损耗因数、或RLC数值。如图2所示为耦合式混叠测量的等效电路图,Zs为直接耦合回路的阻抗,Rp、Cp为一次高压端等效对地阻抗的电阻和电容成分,Ce为分布电容;由于Ce数值通常很小,且受环境干扰若有若无,可以将其忽略,因此只需要获得不同频率下测量的总阻抗值,即Zs、Rp、Cp的并联值,并采用三个频率点建立三元方程组,即可计算出暂态对地阻抗的电阻和电容成分Rp、Cp。如果需要进行更加复杂的参数建模,则建立的方程组求解难度相应增大,比如考虑到高压设备的电感参数的影响,那么需要建立四元方程组。
本发明采用了开口式高频电流互感器耦合与采集的手段,因此可以方便地实现带电状态对被测高压设备施加变频试验信号,并通过比较耦合支路的综合阻抗与接地回路的泄漏电流来计算并联等效阻抗,从而进一步计算代表放电支路的RC值和介质损耗因数。本发明采用了耦合混叠手段,使得无需断开、短路或直接接触任何运行回路,且不改变带电运行支路的固有阻抗,从而可显著减少整个带电试验过程对高压运行设备的影响。本发明采用了等效阻抗建模方法,将信号耦合输入支路的负载阻抗看作当前支路阻抗和放电阻抗的并联;在当前支路阻抗被认为相对稳定并未发生改变的情况下,耦合输入支路的综合阻抗变化则主要是由高压设备对地放电阻抗的变化引起;通过不同耦合信号频率下的试验获取负载阻抗的数列后,建立以频率、等效阻抗RC值为变量的方程矩阵,可以计算出代表放电支路的阻抗数值。本发明还可通过在线阻抗试验的方法计算出带电运行高压设备的放电量;在默认系统一次高压已知且相对稳定不变的情况下,可以根据放电电荷Q=ΔCU的方式,首先计算出一次高压端等效对地电容变化量,然后乘以系统一次电压,从而计算出放电电荷量。
综上采用本发明的方法,可以获取带电运行状态下相应高压设备的绝缘状态关键参数,包括等效对地阻抗、介质损耗因数、放电量等。基于这些关键参数的时域或频域稳定性可对运行高压设备的绝缘状态进行综合诊断。
本发明的绝缘诊断方法适用于运行的电力电缆,或带二次回路的CVT或PT或CT,或带二次回路的CVT或PT或CT一体化装置,或其他具备二次低压回路、可供开口式电流夹钳耦合接入的高压电力设备。即便对于部分高压设备未按照标准接线施工安装,导致其二次回路不方便进行带电安装开口式电流夹钳的,本发明也适用于在高压设备投运安装或制造前,将开口式电流夹钳或完全闭合式的电流夹钳提前安装和固定到二次回路,待需要进行带电测量时,现场连接电流夹钳的输出端即可。这里的二次回路或二次低压回路指将来自高压设备一次高压端耦合的电压或电流信号传变成低压的电压或电流信号,用于给计量、保护、测量、监控等低压装置提供一次高压线路状态信息的低压传输回路。由于二次回路通常电压较低,电流较小,具备供现场测量和检修接触的低压传输导线,通常按照二次回路施工及接线规范进行设计和布置,可供接触的二次回路导线的位置通常距高压设备有几米到数百米的距离,因此本发明所述的开口式高频电流互感器正好借助该回路将试验用的变频信号耦合施加到该二次回路中,从而不需要接触高压,实现安全可靠的带电测试。具备标准二次电流或电压回路的高压设备通常包括电流互感器(CT)、电磁式电压互感器(PT)、电容式电压互感器(CVT)、内部含CT或PT的变压器、内部含CT或PT或CVT并采用气体绝缘的GIS套件、等等。本发明还适用于运行电缆的试验与诊断分析。对于电缆而言,由于具备外绝缘护套,可直接将开口式电流互感器直接卡接到外护套上,通过电磁感应原理,将变频试验信号耦合到电缆的一次端,然后采用与含标准二次电压或电流回路的高压设备测试的相同方法进行分析。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:(1)将开口式高频电流互感器1和开口式高频电流互感器2的开口端卡接到高压设备的二次回路或接地回路,无需操作人员靠近设备一次高压端。(2)采用信号发射装置和信号接收装置,建立了耦合模式的信号发射和采集,可以在符合耦合夹钳接线要求的高压设备不停电状态下进行冲击扫频脉冲的在线混叠试验,由于采用了信号发射原理,抗干扰能力强。(3)由于采用了带电运行状态的混叠信号模式,即现场运行环境既有设备正常运行的工频信号,又有试验用的发射信号,在两种信号共同作用下更有利于进行被测高压设备的绝缘状态评估,原因如下:a)发射信号与工频信号的共同作用,更符合现场运行环境的线路负荷波动、操作过电压等复杂环境,在该状态获取的特征参数更有利于发现运行设备实际绝缘状态,尤其是针对部分高压设备在停电状态试验合格,但现场长期运行一段时间后损坏的情况;b)本发明建立在工频运行环境下,通过一套发射变频信号的模式,获取发射和接收端的特征信号来反应发射端和接收端之间的快速时变等效阻抗变化,通过该阻抗的短时变化来描述放电现象,提出了一种通过带电等效阻抗时变特征来替代传统的电磁放电脉冲、超声波或温度等测量的分析模式。
附图说明
图1是本发明的绝缘诊断系统的结构示意图。
图2是本发明的耦合式混叠测量的等效电路图。其中,Zs为直接耦合回路的阻抗,Rp、Cp为一次高压端等效对地阻抗的电阻和电容成分,Ce为分布电容。
图3是实施例1中搭建的绝缘诊断系统结构示意图。
图4是实施例2中搭建的绝缘诊断系统结构示意图。
图5是实施例2中介质损耗因数的频域特性曲线图。其中,Ts1为历史介质损耗因数频域特性曲线,Ts2为当前介质损耗因数频域特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的优选实施例作进一步的描述。
实施例1
如图1、图3所示。针对带电运行状态下的35kV独立CVT进行绝缘在线诊断,包括以下步骤。
第一步,搭建绝缘诊断系统。将开口式高频电流互感器1的次级开口端卡接到被测CVT二次回路的线缆上,开口式高频电流互感器1的初级输入端与受MCU控制器控制的变频功率信号源的输出相连。将电压电流采集装置和低通滤波器分别与开口式高频电流互感器1的初级输入端并联,低通滤波器的输出与工频电流采集器相连。将开口式高频电流互感器2的初级开口端卡接到开口式高频电流互感器1次级开口卡接回路的接地回路,开口式高频电流互感器2的次级输出端与高通滤波器相连,高通滤波器的输出与高频电流采集器相连。将电压电流采集装置、工频电流采集器和高频电流采集器分别与MCU控制器进行数据交互。
所述变频功率信号源可产生的电压幅度为0-10kV,功率为0-10kW,频率为0-100MHz,可产生波形为方波、或正弦波、或余弦波、或三角波、或PWM波、或白噪声、或雷电冲击波形。所述开口式高频电流互感器1和开口式高频电流互感器2的频率响应范围为0-200MHz,耐绝缘击穿能力为20kV,开口结构为圆形。
第二步,产生冲击扫频脉冲信号。在MCU控制器中输入变频功率信号源扫频输出信号的电压幅值为20V,最大功率为10VA,频率带宽为2-4kHz、间隔为1kHz,波形为方波。MCU控制器启动工频电流采集器,工频电流采集器跟踪被测CVT工频运行电流的频率为50Hz、幅值为100mA、过零相位的时间为T0,并将采集信息发送给MCU控制器;MCU控制器根据50Hz周期信号分析出工频电流的下一个过零相位时间为T0+20mS,并在接下来的三个计算的过零时间,即三个相位为零时(T0+20mS、T0+40mS、T0+60mS)分别启动变频功率信号源的输出,开口式高频电流互感器1将变频功率信号源产生的冲击扫频脉冲信号耦合到被测CVT内部,使得CVT内部产生新的频率的感应电流。
第三步,信号响应采集。在MCU控制器的控制下,电压电流采集装置实时采集变频功率信号源输出端的电压和电流幅值,并发送给MCU控制器。开口式高频电流互感器2对冲击扫频脉冲信号经被测CVT内部耦合回路后的泄漏电流进行感应耦合,在MCU控制器的控制下,高频电流采集器实时采集开口式高频电流互感器2响应电流的频率、幅值和相位信息,并发送给MCU控制器。2-4kHz频率下采集到的变频功率信号源输出端的电压和电流幅值、开口式高频电流互感器2响应电流的频率、幅值和相位信息分别如下表1、表2、表3所示。
频率 电压 电流 相位
变频功率信号源输出端 2.000kHz 20V 10mA 10度
开口式高频电流互感器2 2.000kHz 0.05V 1mA 55度
表12Hz频率下采集到的变频功率信号源输出端和开口式高频电流互感器2响应电流信息
频率 电压 电流 相位
变频功率信号源输出端 3.000kHz 20V 10mA 10度
开口式高频电流互感器2 3.000kHz 0.05V 1.6mA 57度
表23Hz频率下采集到的变频功率信号源输出端和开口式高频电流互感器2响应电流信息
频率 电压 电流 相位
变频功率信号源输出端 4.000kHz 20V 10mA 11度
开口式高频电流互感器2 4.000kHz 0.05V 1.9mA 59度
表34Hz频率下采集到的变频功率信号源输出端和开口式高频电流互感器2响应电流信息
第四步,绝缘诊断分析。MCU控制器将接收到的变频功率信号源输出端的电压和电流幅值、与开口式高频电流互感器2响应电流的频率、幅值和相位信息进行方程建模,计算出等效对地阻抗,并借助数学统计方法建立数据比对,分析等效对地阻抗的时域稳定性,得出带电运行状态的绝缘诊断分析结果。
等效对地阻抗为变频功率信号源输出端的电压除以经CVT等效绝缘层后通过接地回路产生的泄漏电流,即来自开口式高频电流互感器2端的电流,即:Z=扫频输出电压/开口式高频电流互感器2端电流。根据扫频输出的三个频率值获取的响应参数,计算得等效对地阻抗如下表4所示。
等效对地阻抗 2kHz 3kHz 4kHz
Z(欧姆) 20k 12.5k 10.52k
相位(度) -45 -47 -48
表42kHz、3kHz、4kHz频率下分别的等效对地阻抗
通过表4分析,相位为负值,即CVT等效阻抗呈容性,符合高压设备绝缘层设计要求,说明CVT并未发生破坏性击穿现象。通过阻抗分析,阻抗随着扫频注入信号的增高而相应减少,也符合容性设备的基本规律。在该情况下分析运行状态的CVT绝缘状态应结合历史数据进行比较,历史数据如下表5所示。
等效对地阻抗(2kHz) 当前 12个月前 16个月前 24个月前
Z(欧姆) 20k 20.5k 22.5k 24.07k
相位(度) -45 -44 -49 -49
表5被试CVT2kHz频率下的等效对地阻抗历史数据
通过表5分析,当前测试的等效对地阻抗为20k,相位-45度,绝对值较历史数据都有减小,而且通过历史数据分析,等效对地阻抗有逐渐减少的趋势,说明CVT绝缘状态有恶化发展趋势,应重点观察。如后期发生更大范围的阻抗减少,应立即停电检查。
以上是针对2kHz条件下的时域试验数据分析,如发现CVT绝缘状态不良,最好进行多个频率范围的等效对地阻抗测试分析,即分析频域范围内的阻抗稳定性,更能提高测试与分析的准确度。必要时,通过不停地搜索扫频输出频率,以获得等效阻抗变化最大的频率点,从而将该频率点作为特征频率点,研究现场应用环境中是否因设计参数、关联设备的影响等产生的固有频率导致了运行设备绝缘状态不佳的原因,从而根本上解决运行CVT绝缘不良的问题。
独立CT或PT,或内部带CT或PT或CVT的变压器或电缆或GIS气体绝缘高压套件的二次回路结构与独立CVT相似,接线方式及分析方法与独立CVT完全相同,不再单独举例说明。
实施例2
如图1、图4、图5所示,与实施例1相同的地方不再重复叙述,不同之处在于:针对带电运行状态下的10kV电缆进行绝缘在线诊断。将开口式高频电流互感器1的次级开口端卡接到被测电缆的外绝缘保护套上,将开口式高频电流互感器2的初级开口端卡接到被测电缆的接地回路;开口式高频电流互感器1和开口式高频电流互感器2的开口结构为矩形。为起到现场接线指示的作用,开口式高频电流互感器1和开口式高频电流互感器2的开口端带有LED指示灯。
在MCU控制器中输入变频功率信号源输出信号的电压幅值为5V,最大功率为1kVA,频率分别为10kHz、15kHz、20kHz、30kHz,波形为正弦波,变频功率信号源依然采用工频运行电流的零相位点进行输出的模式。采集到被测电缆工频运行电流的频率为50Hz、幅值为100A、相位零值出现的时间为T1,则接下来的四个过零时间分别为T1+20mS、T1+40mS、T1+60mS、T1+80mS。四个频率下分别采集到的变频功率信号源输出端的电压和电流幅值、开口式高频电流互感器2响应电流的频率、幅值和相位信息如下表6所示。
频率 电压 电流 相位
变频功率信号源输出端 10.000kHz 5V 400mA 10度
开口式高频电流互感器2 10.000kHz 2V 20000mA 60度
变频功率信号源输出端 15.000kHz 5V 500mA 10度
开口式高频电流互感器2 15.000kHz 2V 31250 50度
变频功率信号源输出端 20.000kHz 5V 550mA 9度
开口式高频电流互感器2 20.000kHz 2V 35714 75度
变频功率信号源输出端 30.000kHz 5V 700mA 9度
开口式高频电流互感器2 30.000kHz 2V 55555 80度
表64个频率下采集到的变频功率信号源输出端和开口式高频电流互感器2响应电流信息
经计算,在变频功率信号源10kHz输出频率下,被测电缆的等效对地阻抗为5V/20000mA=0.25欧姆;在变频功率信号源15kHz输出频率下,等效对地阻抗为5V/31250mA=0.16欧姆;在变频功率信号源20kHz输出频率下,等效对地阻抗为5V/35714mA=0.14欧姆;在变频功率信号源30kHz输出频率下,等效对地阻抗为5V/55555mA=0.09欧姆;该阻抗为负载阻抗,一次对地阻抗的并联值。将Z1=0.25欧姆、f1=10kHz,Z2=0.16欧姆、f2=15kHz,Z3=0.14欧姆、f3=20kHz,Z4=0.09欧姆、f4=30kHz,分别带入公式:Z=Zs||Zp=(Rs+Xs)||(Rp+Xc)、其中,Pi为180度弧度数,pi=3.1415,Xs为二次绕组等效感抗,Rs为电缆二次负载,Ls为二次等效电感量,Xc为电缆一次等效对地RC支路的电容容抗,Cp为一次等效对地RC支路的电容值,Rp为一次等效对地RC支路电阻值。通过求解四元方程组,解出Ls=0.266亨利,Rs=1.3欧姆,Rp=2500k欧姆,Cp=0.033nF。电缆一次系统电压为10kV,则近似计算出放电量Q=CU=Cp×U=0.033nF×10kV=330pC(皮库),该放电量被认为数量较小,符合现场运行要求。根据Rp、Cp值计算出电容器介质损耗因数,容抗值Xc=4826M欧姆,则介质损耗角介质损耗因数介质损耗因数数值范围在正常值以内,因此综合放电量分析结果,认为运行电缆的绝缘无严重缺陷。
为进行深入分析,可以对介质损耗因数的频域稳定性进行分析。针对被测电缆共进行了5次试验,每次均采用4个频率点,5次试验中不存在频率交叉,频率点及介质损耗因数数据如下表7所示。其中,频率带2-5的数据采用与前述频率带1完全相同的计算步骤获得。
表7介质损耗因数频域数据
由表7所示,通过5个频带,每个频带4个频率点的试验,得出5个介质损耗因数,这些数据可以与历史测试数据进行比对分析,研究介质损耗因数的频域特性曲线随时间偏移特性,将其绘制成曲线如图5所示。图5中,Ts1为历史介质损耗因数频域特性曲线,Ts2为当前介质损耗因数频域特性曲线,Ts2-Ts1=12个月,即两组曲线是时间段相差一年获取的数据,经过比对分析知,Ts2数据在高频段明显增大,说明被试电缆的绝缘综合状态变差,建议每6个月进行一次测试,然后绘制相同频率范围的曲线进行比对分析,以观察电缆运行绝缘状态,决定是否需要进行停电检修或置换。
需要补充说明的是,由于现行运行时有工频运行电流的存在,与电缆连接的负载、开关、控制部件等分布等效参数可能产生谐波或振荡频率,这些谐波或振荡频率可能正好与试验频率相同或相近,从而对测试数据构成干扰,因此建议通过频域特性曲线分析时,尽可能采用更宽频率范围进行测试,以减弱个别频率点干扰对试验数据构成的影响。
另外,实施例2中得到的介质损耗因数是通过等效阻抗为负载阻抗、一次对地阻抗的并联值的简单模型基础上,根据公式:Z=Zs||Zp=(Rs+Xs)||(Rp+Xc)计算得出的电缆等效支路的容抗值及电阻值,从而根据 计算的介质损耗值,以及根据Q=CU=Cp×U计算放电电荷量等。在本方法基础上,采用更加复杂的RLC串并联关系的电路建模得出的容抗值、或电容值、或电阻值、或感抗值、或电感值,或根据这些部分参数或所有参数计算出代表绝缘层、绝缘长度、局部绝缘或整体绝缘的各种介质损耗因数、放电电荷量,均在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种带电运行状态下的高压设备绝缘诊断方法,其特征在于:包括以下步骤:
(一)搭建绝缘诊断系统:将开口式高频电流互感器1的次级开口端卡接到处于带电运行状态下的、含标准电压或电流二次回路的被测高压设备的二次回路、或卡接到被测高压电缆的外绝缘保护套上,开口式高频电流互感器1的初级输入端与受MCU控制器控制的变频功率信号源的输出相连;将电压电流采集装置和低通滤波器分别与开口式高频电流互感器1的初级输入端并联,低通滤波器的输出与工频电流采集器相连;将开口式高频电流互感器2的初级开口端卡接到开口式高频电流互感器1次级开口卡接回路的接地回路、或卡接到被测高压设备的接地回路,开口式高频电流互感器2的次级输出端与高通滤波器相连,高通滤波器的输出与高频电流采集器相连;将电压电流采集装置、工频电流采集器和高频电流采集器分别与MCU控制器进行数据交互;
(二)产生冲击扫频脉冲信号:在MCU控制器中输入变频功率信号源扫频输出信号的幅值、功率、频率带宽、波形;MCU控制器启动工频电流采集器,工频电流采集器跟踪被测高压设备工频运行电流的频率、幅值和相位信息,并将采集信息发送给MCU控制器;MCU控制器分析出工频电流的目标相位出现时间,并在后续工频信号周期的目标相位点至少一次启动变频功率信号源的输出,开口式高频电流互感器1将变频功率信号源产生的冲击扫频脉冲信号耦合到被测高压设备内部;
(三)信号响应采集:在MCU控制器的控制下,电压电流采集装置实时采集变频功率信号源输出端的电压和电流幅值,并发送给MCU控制器;开口式高频电流互感器2对冲击扫频脉冲信号经被测高压设备内部耦合回路后的泄漏电流进行感应耦合,在MCU控制器的控制下,高频电流采集器实时采集开口式高频电流互感器2响应电流的频率、幅值和相位信息,并发送给MCU控制器;
(四)绝缘诊断分析:MCU控制器将接收到的变频功率信号源输出端的电压和电流幅值、与开口式高频电流互感器2响应电流的频率、幅值和相位信息进行方程建模,计算出等效对地阻抗或介质损耗因数,并借助数学统计方法建立数据比对或借助曲线描述方法,分析等效对地阻抗或介质损耗因数的时域稳定性或频域稳定性,得出带电运行状态的绝缘诊断分析结果。
2.根据权利要求1所述的带电运行状态下的高压设备绝缘诊断方法,其特征在于:所述含标准电压或电流二次回路的被测高压设备为独立CT或PT或CVT,或内部带CT或PT或CVT的变压器或电缆或GIS气体绝缘高压套件。
3.根据权利要求1或2所述的带电运行状态下的高压设备绝缘诊断方法,其特征在于:所述变频功率信号源产生的电压幅度为0-10kV,功率为0-10kW,频率为0-100MHz,波形为方波、或正弦波、或余弦波、或三角波、或PWM波、或白噪声、或雷电冲击波形。
4.根据权利要求1或2所述的带电运行状态下的高压设备绝缘诊断方法,其特征在于:所述开口式高频电流互感器1和开口式高频电流互感器2的频率响应范围为0-200MHz,耐绝缘击穿能力大于1kV,开口结构为圆形、或矩形、或多边形、或柔性罗柯夫斯基线圈。
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