CN105676092B - 变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统，它具有基于优化直流叠加法的电力电缆绝缘监测装置，并建立有基于电力电缆绝缘监测装置的电力电缆绝缘监测系统。基于优化直流叠加法的电力电缆绝缘监测装置，是将同一直流电压源分别通过三个等值兆欧级限流电阻连接至高压母线三相线上，电流检测取样，隔直电容配合使用，电压互感器的一次侧中性点与大地之间挂接隔直电容，当电力电缆绝缘水平下降时，直流电流能具有唯一通道，以方便而准确地计算出直流电阻。本发明的变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统，具有基于优化直流叠加法的电力电缆绝缘监测装置，并建立电力电缆绝缘监测系统，可以进行基于绝缘监测系统的电力电缆绝缘下降判断。
Description
技术领域
本发明属于电力电缆绝缘在线监测技术领域，具体涉及一种变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统，它包括基于优化直流叠加法的电力电缆绝缘监测装置，以及基于绝缘监测系统的电力电缆绝缘下降判据和基于CT电源取电原理的供电系统。
背景技术
城市电网电力电缆化程度是衡量城市电网技术水平的重要标志，亦是促进城市文明化进程迅速向前迈进、改善城市生活环境的必要手段。最近三十年来，国内外电力电缆各项技术迅速发展，特别是三层共挤生产工艺制造XLPE电力电缆技术的发展，使得XLPE电力电缆与充油电力电缆相比，有不需要供油设备、防火性能好、安装维护简单和机械电气性能好等优良性能，被越来越多的国家所采用。目前国内上海、北京等大城市敷设的电力电缆几乎都是XLPE电力电缆。
XLPE 电缆由于绝缘层微孔、气泡和半导电层突起等局部缺陷的存在，在水分和电场的共同作用下，绝缘层内容易引发水树枝，水树枝生长到一定程度在电场和周围环境条件的作用下会迅速转变为电树枝，形成放电而加速绝缘老化，以至于在运行过程中发生绝缘击穿。近年来，随着城市现代化的发展，机组容量的不断增加，电力电缆在城网供电中所占的份额加重，在一些城市的市区逐步以敷设电力电缆取代架空输电线路；同时随着电力电缆数量的增多及运行时间的延长，以前敷设的XLPE电力电缆的老化故障频繁，造成绝缘击穿事故，甚至引起部分电网停电，给生产和人民生活带来中断和诸多不便，造成重大的经济损失。
国内城网6~35kV系统中，地下使用的普通XLPE电缆，普遍在运行8至12年生长出大量水树，致使大量XLPE电缆发生因水树击穿造成的事故，寿命短，影响电网的安全运行。另外，国内电网广大用户对潮湿环境中电力电缆水树生长的影响、电力电缆水树击穿的机理和水树检测的重要性认知度不够，因此中压XLPE电力电缆运行寿命短和水树击穿事故率高。
海上油田的“变频器—长电缆—电潜泵”供电系统，由于其产生的谐波和高频脉冲波反射叠加，在某种程度上，电力电缆的绝缘水平受到严重的威胁。
目前，对于XLPE电力电缆的水树老化在线检测，国内外已提出了多种方法，主要有：直流分量法、直流叠加法和交流叠加法等，虽然方法检测方法层出不穷，但是普遍存在以下几个突出问题而使得电力电缆绝缘在线监测受到挑战。
（一）绝缘检测方法问题：
1. 直流分量法
劣化的电力电缆在交流电压作用下，由于老化区正负半周的放电不对称（放电的极性效应），在电力电缆中有剩余电荷，此电荷通过电力电缆绝缘流入电力电缆外皮入地，形成直流电流分量；另外，对电力电缆的充电电流中也含有纳安—微安数量级的微小直流分量。此方法是在线从电力电缆金属护层的接地线中检测出此直流分量，通过测得的直流分量大小或电流变化曲线进行老化诊断。缺点：直流分量过于微弱，很难准确检测出来。
2. 交流叠加法
交流叠加法在电力电缆金属护层上叠加（2倍工频+1）Hz的交流电压，检测由劣化引起的1 Hz劣化信号，通过检测1 Hz 劣化信号判断电力电缆的劣化程度。缺点：该方法对所叠加的交流信号的频率、幅值要求严格。
3. 直流电压叠加法
通过电压互感器的一次中性点将直流电压加到高压母线，通过测量直流电流计算求出绝缘电阻，从而在线判断电力电缆的劣化程度。缺点：直流高压通过电压互感器的一次中性点叠加在高压母线上，可能导致电压互感器偏磁和饱和，还有可能引发继电保护误动作。
这些方法均是在电压互感器PT中性点处施加信号，直接影响PT，进一步影响继电保护，可能对电力系统造成保护误动。
（二）电力电缆绝缘水平定位判据问题：
电力电缆绝缘水平判断主要依据是测量绝缘电阻，绝缘水平的定位应该依赖各馈线支路的零序电流。但是，由于变电所的馈线复杂，分布广，零序电流受到影响的因素很多，零序电流数值变化不能单独作为判断电力电缆绝缘水平的判据。因此，电力电缆绝缘强度的分散性导致无法提供单一参数判据，必须探索复合参数判据，才能准确定位电力电缆绝缘水平下降的位置。
（三）电力电缆绝缘检测装置应用现场的供电问题：
现有电力电缆绝缘检测装置的供电电源普遍使用取自变电所内给低压重要保护和监控装置供电的工频220V交流电压，而另一方面为检测绝缘水平，电力电缆绝缘检测装置需要与高压交流母线及其电力电缆直接相连，这样，不同等级的220V交流电源和高压交流母线就通过绝缘检测装置连接到了同一台电力电缆绝缘检测装置上，这种连接方式给变电所保护和监控装置的运行带来了极大的安全隐患，是电力行业和国家标准所严禁的。阻碍了电力电缆绝缘检测装置的推广应用。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了电力电缆绝缘检测装置的电力电缆绝缘水平监测方法、绝缘水平降低复合判据和CT取电的直流供电系统的解决方案。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
第一，本发明提供了一种变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统，具有基于优化直流叠加法的电力电缆绝缘监测装置，并建立电力电缆绝缘监测系统，可以进行基于绝缘监测系统的电力电缆绝缘下降判据。
一种变电所电力电缆绝缘水平监测方法，该方法包括：
步骤一，设计一种基于优化直流叠加法的电力电缆绝缘监测装置，建立基于电力电缆绝缘监测装置的电力电缆绝缘监测系统；
步骤二，使用隔直电容器隔离高压直流电源对电压互感器PT和中性点经消弧线圈或小电阻接地系统等的影响；
步骤三，电力电缆绝缘监测系统以通信方式使得系统内各个设备之间进行数据交互，实时检测全局绝缘电阻以及馈线支路零序电流两个量，并进行汇总统计，依照基于电力电缆绝缘监测系统的绝缘降低判据进行判断；
基于电力电缆绝缘监测系统的绝缘降低判据：当发现全局绝缘电阻呈现下降趋势时，并且电力电缆馈线支路没有增加时，如果有某馈线支路零序电流也同时呈现上升趋势，则可以判断是该馈线支路电力电缆发生了绝缘下降事故；如果任何馈线支路零序电流都没有发生变化，则说明是母线电力电缆发生绝缘下降事故。
一种变电所电力电缆绝缘水平监测系统，基于上述的变电所电力电缆绝缘水平监测方法，该变电所电力电缆绝缘水平监测系统包括高压母线、电力电缆、三相变压器、电力电缆绝缘监测装置、主开关设备、馈线支路开关设备、零序电流互感器以及负载；其中：
所述高压母线为6/10/35kV高压母线，所述6/10/35kV高压母线分别与各馈线支路开关设备通过电力电缆连接；
所述电力电缆用于连接电网与变压器，用于连接变压器与主开关设备，用于连接高压母线与各馈线支路开关设备，以及用于各馈线支路开关设备与负载的连接；
所述三相变压器与主开关设备相连接；
所述电力电缆绝缘监测装置，其电力电缆绝缘监测装置1端为绝缘电阻检测端，其电力电缆绝缘监测装置2端为接地端，其电力电缆绝缘监测装置3端和电力电缆绝缘监测装置4端为零序电流检测输入端,其电力电缆绝缘监测装置5端为馈线支路开关量输入端，其电力电缆绝缘监测装置6端为68V直流母线连接正端，其电力电缆绝缘监测装置7端为68V直流母线连接负端，其电力电缆绝缘监测装置8端为无线通讯天线连接端，其电力电缆绝缘监测装置9端和电力电缆绝缘监测装置10端为取电CT输入端；
所述电力电缆绝缘监测装置的电力电缆绝缘监测装置1端与电力电缆相连，其电力电缆绝缘监测装置2端与大地相连，其电力电缆绝缘监测装置3端和电力电缆绝缘监测装置4端与各馈线支路零序电流互感器电连接，电力电缆绝缘监测装置的零序电流互感器与馈线支路连接,其电力电缆绝缘监测装置5端与馈线支路开关相连，其电力电缆绝缘监测装置6端与68V直流母线正端连接，其电力电缆绝缘监测装置7端与68V直流母线负端连接，其电力电缆绝缘监测装置8端与无线通讯天线连接，其电力电缆绝缘监测装置9端和电力电缆绝缘监测装置10端与取电CT输出端相连；
所述变电所电力电缆绝缘水平监测系统设置有多个电力电缆绝缘监测装置、多个馈线支路开关设备、多个零序电流互感器，以及接有多个负载，电网通过电力电缆连接至变压器，变压器与主开关设备通过电力电缆连接，6/10/35kV高压母线分别与各馈线支路开关设备通过电力电缆连接；电力电缆绝缘监测装置的电力电缆绝缘监测装置1端与电力电缆相连，电力电缆绝缘监测装置2端与大地相连，电力电缆绝缘监测装置3端和电力电缆绝缘监测装置4端与各馈线支路零序电流互感器电连接，电力电缆绝缘监测装置的零序电流互感器与馈线支路连接,电力电缆绝缘监测装置5端与馈线支路开关相连，电力电缆绝缘监测装置6端与68V直流母线正端连接，电力电缆绝缘监测装置7端与68V直流母线负端连接，电力电缆绝缘监测装置8端与无线通讯天线连接，电力电缆绝缘监测装置9端和电力电缆绝缘监测装置10端与取电CT输出端相连；各馈线支路电力电缆与负载电连接，各设备之间进行通讯。
优选的是，所述电力电缆绝缘监测装置是基于优化直流叠加法的电力电缆绝缘监测装置，所述优化直流叠加法是将同一直流电压源分别通过三个等值兆欧级限流电阻连接至高压母线三相线上，电流检测取样，隔直电容配合使用，电压互感器的一次侧中性点与大地之间挂接隔直电容，当电力电缆绝缘水平下降时，直流电流能具有唯一通道，以方便而准确地计算出直流电阻；
在上述任一技术方案中优选的是，所述变电所电力电缆绝缘水平监测系统的设备网际及网间的通讯采用zigbee、wifi、bluetooth等方式中的任意一种无线通讯方式，或者使用CAN、485中任意一种有线通讯方式。
本发明的变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统，具有基于优化直流叠加法的电力电缆绝缘监测装置，并建立有基于电力电缆绝缘监测装置的电力电缆绝缘监测系统。基于优化直流叠加法的电力电缆绝缘监测装置是将同一直流电压源分别通过三个等值兆欧级限流电阻连接至高压母线三相线上，电流检测取样，隔直电容配合使用，电压互感器的一次侧中性点与大地之间挂接隔直电容，当电力电缆绝缘水平下降时，直流电流能具有唯一通道，以方便而准确地计算出直流电阻。与现有技术相比，本发明的变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统，具有基于优化直流叠加法的电力电缆绝缘监测装置，并建立电力电缆绝缘监测系统，可以进行基于绝缘监测系统的电力电缆绝缘下降判断。
第二，基于电力电缆绝缘监测系统的绝缘水平降低复合判据：
研究表明，当供电系统某馈线支路某处发生经电阻单相接地故障时，所有馈线支路零序电流的相应变化规律为：该馈线支路该处的零序电流及其变化率均最大。供电系统某馈线支路某处电缆绝缘电阻下降同发生经电阻单相接地故障两种情况具有相同或类似的变化规律。零序电流的这些变化规律可作为判断电力电缆绝缘水平降低的理论依据。
据此，当发现电力电缆全局绝缘电阻呈现下降趋势时，就在同一时刻，并且某电力电缆馈线支路没有改变（增加或减少）时，如果该馈线支路零序电流也同时呈现上升趋势，则可以判断是该馈线支路电力电缆发生了绝缘水平下降事故；如果任何电力电缆馈线支路零序电流都没有发生变化，则说明是母线电力电缆发生绝缘水平下降事故。
这样，通过全局绝缘电阻和馈线支路零序电流的复合判据，就可以准确定位电力电缆绝缘水平降低的位置。而传统方法只能判断整体绝缘水平下降，而不能知道绝缘水平降低的位置。
第三，绝缘检测系统使用CT取电的直流电源：
绝缘检测系统使用钳式电流互感器CT从变电所系统母线进线电流I上获得电能，通过整流器和滤波电容 将交流电流变为直流电流，进一步并通过电能转换电阻将电流转换为电压，利用所设计的稳压管得到恒定电压源。使用DC/DC直流变换模块将恒定电压源分别转化为12V和1500V电压源，以供绝缘检测系统使用，实现正常充电和供电。当CT电流过小或没电情况时，使用预充电的超级电容的放电能量继续供电。只有当CT电流过小或没电的时间太长，超级电容所存储的能量不足以支撑绝缘检测系统负载的正常工作，绝缘检测系统才可能停电。
电力电缆绝缘监测装置的工作原理：
（1）接线准备工作。
按要求将装置接入系统，并对软件功能进行组态。
（2）装置投入运行。
将高压直流电源组态接入，启动绝缘电阻监测功能。
（3）馈线开关投入判别。
在任意馈线支路开关设备投入运行前，为了先保证该段电力电缆绝缘良好，需要先用该馈线支路上的绝缘监测装置监测当前馈线支路绝缘水平，如果绝缘良好则开关设备可以投入运行，如果绝缘不佳则说明该馈线支路上发生了绝缘水平下降的故障，应按规程进行检修处理。
（4）装置正常运行。
将高压直流电源切除，绝缘电阻监测功能退出；正常监测该馈线的零序电流为该馈线支路的电力电缆绝缘水平评价提供基础数据。
与现有技术相比，本发明电力电缆绝缘水平监测系统具有如下优点：
第一，不影响其他设备运行；优化直流叠加法可以避免传统直流电源对电压互感器PT和其它设备造成影响；
第二，定位准确性；通过全局绝缘电阻和馈线支路零序电流配合的复合判据，可以准确定位电力电缆绝缘水平降低的位置；
第三，安全性；使用CT取电获得直流电源，避免高压交流串入低压或弱电系统，保证系统安全。
附图说明
图1为按照本发明的变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统的一优选实施例的变电所电力电缆绝缘水平监测系统结构示意图；
图2为按照本发明的变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统的一优选实施例的优化直流叠加模块实现示意图；
图3为按照本发明的变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统的一优选实施例的优化直流叠加法配合隔直电容使用示意图；
图4为按照本发明的变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统的一优选实施例的电压互感器一次侧中性点与大地之间挂接隔直电容示意图；
图5为按照本发明的变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统的一优选实施例的变电所电力电缆绝缘水平监测系统无线通信连接示意图；
图6为按照本发明的变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统的一优选实施例的CT取电的直流电源连接示意图；
图7为按照本发明的变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统的一优选实施例的CT取电的直流电源工作原理示意图；
图8为按照本发明的变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统的一优选实施例的局部电力电缆绝缘监测装置原理图；
图9为按照本发明的变电所电力电缆绝缘水平监测方法与系统的一优选实施例的全局电力电缆绝缘监测装置原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明，以下描述仅作为示范和解释，并不对本发明作任何形式上的限制。
变电所电力电缆绝缘水平监测方法，设置一种基于优化直流叠加法的电力电缆绝缘监测装置，建立基于电力电缆绝缘监测装置的电力电缆绝缘监测系统；电力电缆绝缘监测系统以通信方式使得系统内各个设备之间进行数据交互，实时检测全局绝缘电阻以及馈线支路零序电流两个量，并进行汇总统计，依照基于电力电缆绝缘监测系统的绝缘降低判据进行判断。
在实践中，对于基于优化直流叠加法的电力电缆绝缘监测装置：
传统直流叠加法通过电压互感器的一次中性点将直流电压加到高压母线，通过测量直流电流计算求出绝缘电阻。这种叠加直流电压的方法会对交流系统产生影响，直流高压通过电压互感器的一次中性点叠加在高压母线上，可能导致电压互感器偏磁和饱和，还有可能引发继电保护误动作。针对这个问题，本发明提出了一中优化的直流叠加方案。如图2所示，优化直流叠加法是将同一直流电压源S1分别通过三个等值兆欧级限流电阻R1、R2、R3连接至高压母线三相线上；电流检测从R4处取样，R4取值为1千欧姆；S1电压值为1500V，R1、R2、R3阻值都为15兆欧；同时，还需要隔直电容配合使用隔离高压直流电源S1对电压互感器PT和中性点经消弧线圈或小电阻接地系统等的影响；如果电力电缆接地系统为中性点经消弧线圈或小电阻接地系统，则需要将隔直电容C1挂接在消弧线圈或电阻与大地之间，如图3所示，C1为1000uf；同时在PT一次侧中性点与大地之间挂接隔直电容C2，如图4所示，C2为0.88uf。这样，当电力电缆绝缘水平下降时，直流电流能具有唯一通道，这样可方便而准确地计算出直流电阻。
基于电力电缆绝缘监测系统的绝缘降低判据：
传统电力电缆绝缘检测装置普遍存在以下问题：（1）由于每台绝缘检测装置监测线路电力电缆绝缘程度存在很大的分散性，很难对所有绝缘检测装置设置统一判据；（2）当被检测馈线支路长度发生变化（增加或减少）时，所检测母线绝缘程度整体会发生降低或增加，而这种变化并不能反映线路绝缘程度的真实变化；（3）当绝缘检测装置判断出母线绝缘程度下降时，由于母线下存在很多条馈线支路，因此，无法判断绝缘下降是发生在具体哪条馈线支路或是母线上，如需判断，则必须对每条馈线支路依次进行拉闸断电才有可能找出电力电缆绝缘下降的所在线路。
针对以上问题，本发明提出区别于传统绝缘检测装置的绝缘监测系统。传统绝缘检测装置通过对比检测量与装置内设置的绝缘下降判据，判断当前电力电缆是否发生绝缘下降。这种方法很难做出准确判断。
绝缘监测系统以通信方式使得系统内各个设备之间进行数据交互，实时检测全局绝缘电阻以及馈线支路零序电流两个量，并进行汇总统计，依照基于电力电缆绝缘监测系统的绝缘降低判据进行判断。基于电力电缆绝缘监测系统的绝缘降低判据：当发现全局绝缘电阻呈现下降趋势时，并且电力电缆馈线支路长度没有增加时，如果有某馈线支路零序电流也同时呈现上升趋势，则可以判断是该馈线支路电力电缆发生了绝缘下降事故；如果任何馈线支路零序电流都没有发生变化，则说明是母线电力电缆发生绝缘下降事故。
基于电力电缆绝缘监测系统的绝缘水平降低复合判据：
研究表明，当供电系统某馈线支路某处发生经电阻单相接地故障时，所有馈线支路零序电流的相应变化规律为：该馈线支路该处的零序电流及其变化率均最大。供电系统某馈线支路某处电缆绝缘电阻下降同发生经电阻单相接地故障两种情况具有相同或类似的变化规律。零序电流的这些变化规律可作为判断电力电缆绝缘水平降低的理论依据。据此，当发现电力电缆全局绝缘电阻呈现下降趋势时，就在同一时刻，并且某电力电缆馈线支路没有改变（增加或减少）时，如果该馈线支路零序电流也同时呈现上升趋势，则可以判断是该馈线支路电力电缆发生了绝缘水平下降事故；如果任何电力电缆馈线支路零序电流都没有发生变化，则说明是母线电力电缆发生绝缘水平下降事故。这样，通过全局绝缘电阻和馈线支路零序电流的复合判据，就可以准确定位电力电缆绝缘水平降低的位置。而传统方法只能判断整体绝缘水平下降，而不能知道绝缘水平降低的位置。
绝缘检测系统使用CT取电的直流电源：
绝缘检测系统使用钳式电流互感器CT从变电所系统母线进线电流I上获得电能，通过整流器和滤波电容 将交流电流变为直流电流，进一步并通过电能转换电阻将电流转换为电压，利用所设计的稳压管得到恒定电压源。使用DC/DC直流变换模块将恒定电压源分别转化为12V和1500V电压源，以供绝缘检测系统使用，实现正常充电和供电。当CT电流过小或没电情况时，使用预充电的超级电容的放电能量继续供电。只有当CT电流过小或没电的时间太长，超级电容所存储的能量不足以支撑绝缘检测系统负载的正常工作，绝缘检测系统才可能停电。
电力电缆绝缘监测装置的工作原理：
（1）接线准备工作。
按要求将装置接入系统，并对软件功能进行组态。
（2）装置投入运行。
将高压直流电源组态接入，启动绝缘电阻监测功能。
（3）馈线开关投入判别。
在任意馈线支路开关设备投入运行前，为了先保证该段电力电缆绝缘良好，需要先用该馈线支路上的绝缘监测装置监测当前馈线支路绝缘水平，如果绝缘良好则开关设备可以投入运行，如果绝缘不佳则说明该馈线支路上发生了绝缘水平下降的故障，应按规程进行检修处理。
（4）装置正常运行。
将高压直流电源切除，绝缘电阻监测功能退出；正常监测该馈线的零序电流为该馈线支路的电力电缆绝缘水平评价提供基础数据。
实施例1：
绝缘监测系统包括以下部分：6/10/35kV高压母线，电力电缆，三相变压器1台，电力电缆绝缘监测装置N+1台（包括全局电力电缆绝缘监测装置1台和局部电力电缆绝缘监测装置N台），主开关设备1个，馈线支路开关设备N个，零序电流互感器N个，负载N个。
全局电力电缆绝缘监测装置具有以下功能：测量全局电力电缆绝缘电阻R；设备网际以及网间通讯功能（该实例中使用zigbee无线通讯，也可以是wifi，bluetooth等无线通信；也可以使232、485等有线通讯方式）；开关设备状态量输入用以获知当前馈线支路开关设备是否投入使用。全局电力电缆绝缘监测装置内部CT电源取电模块电路拓扑如图6所示，当电流互感器取电蓄电装置输入端所连接高压交流母线电流超过10A时，CT电源取电模块通过电流互感器隔离取电，将取得的能量进行整流调压处理后，输送至储能单元，储能单元可以是超级电容、蓄电池或超级电容加蓄电池混合式储能形式，储能单元连接至直流输出端，直流输出端将幅值在18V到68V之间的直流电压输出至68V直流供电母线上，为各绝缘监测装置供电。全局电力电缆绝缘监测装置1端为绝缘电阻检测端，全局电力电缆绝缘监测装置2端为接地端,全局电力电缆绝缘监测装置5端为馈线支路开关量输入端，全局电力电缆绝缘监测装置6端为68V直流母线连接正端，全局电力电缆绝缘监测装置7端为68V直流母线连接负端，全局电力电缆绝缘监测装置8端为无线通讯天线连接端，全局电力电缆绝缘监测装置9端和电力电缆绝缘监测装置10端为取电CT输入端。
局部电力电缆绝缘监测装置具有以下功能：测量局部电力电缆绝缘电阻R；测量零序电流I0；设备网际以及网间通讯功能（该实例中使用zigbee无线通讯，也可以是wifi，bluetooth等无线通信；也可以使232、485等有线通讯方式）；开关设备状态量输入用以获知当前馈线支路开关设备是否投入使用。局部电力电缆绝缘监测装置，局部电力电缆绝缘监测装置1端为绝缘电阻检测端，局部电力电缆绝缘监测装置2端为接地端，局部电力电缆绝缘监测装置3端和电力电缆绝缘监测装置4端为零序电流检测输入端,局部电力电缆绝缘监测装置5端为馈线支路开关量输入端，局部电力电缆绝缘监测装置6端为68V直流母线连接正端，局部电力电缆绝缘监测装置7端为68V直流母线连接负端，局部电力电缆绝缘监测装置8端为无线通讯天线连接端。
系统连接关系如图1所示，电网通过电力电缆连接至变压器，变压器与主开关设备0通过电力电缆连接，6/10/35kV高压母线分别与各馈线支路开关设备通过电力电缆连接，局部电力电缆绝缘监测装置的电力电缆绝缘监测装置1端与馈线支路电力电缆相连，局部电力电缆绝缘监测装置2端与大地相连，局部电力电缆绝缘监测装置3端和电力电缆绝缘监测装置4端与各馈线支路零序电流互感器电连接，电力电缆绝缘监测装置的零序电流互感器与馈线支路连接,局部电力电缆绝缘监测装置5端与馈线支路开关相连，局部电力电缆绝缘监测装置6端与68V直流母线正端连接，局部电力电缆绝缘监测装置7端与68V直流母线负端连接，局部电力电缆绝缘监测装置8端与无线通讯天线连接。各馈线支路电力电缆与负载电连接。全局电力电缆绝缘监测装置的1端与6/10/35kV高压母线电力电缆相连，全局电力电缆绝缘监测装置2端与大地相连，电力电缆绝缘监测装置的零序电流互感器与馈线支路连接,全局电力电缆绝缘监测装置5端与馈线支路开关相连，全局电力电缆绝缘监测装置6端与68V直流母线正端连接，全局电力电缆绝缘监测装置7端与68V直流母线负端连接，全局电力电缆绝缘监测装置8端与无线通讯天线连接，全局电力电缆绝缘监测装置9端和电力电缆绝缘监测装置10端与取电CT输出端相连。各个设备之间通讯关系如图5所示，全局电力电缆绝缘监测装置分别与局部电力电缆绝缘监测装置1到N进行通讯。
绝缘检测系统CT取电的直流电源工作原理过程如图7所示：
电能变换电路利用变比1：N的钳式电流互感器CT从变电所系统母线进线电流I上获得电能，通过整流器D1—D4和滤波电容 C1 将交流电流变为直流电流，进一步并通过电能转换电阻 R1将电流转换为电压，利用所设计的68V 稳压管 Dz 得到68V的恒定电压源。输入68V（工作范围20V—72V）输出12V和输入68V（工作范围20V—72V）输出1500V的DC/DC直流变换模块将68V电压分别转化为12V和1500V电压源，以供绝缘检测系统使用。工作过程分为如下三步：
第一步，启动充电情况：当超级电容C2没有电或首次工作（Vc2=0V）时，当变电所系统母线进线电流I小于电流阈值I0时，I1不能在R1上形成足够高的电压对超级电容C2充电。当变电所系统母线进线电流I大于电流阈值I0时，I1在R1上形成的电压高于Vc2，二极管D6导通，通过充电电阻R2支路对超级电容C2开始充电（R2的作用是对超级电容C2进行限流保护，防止68V的恒定电压源电压突变过大，从而避免导致电流过大烧毁超级电容C2）。
第二步，正常充电和供电情况：当超级电容C2充电电压Vc2=20V时，68V的恒定电压源同时具有两个功能：一方面，DC/DC直流变换12V模块和DC/DC直流变换1500V模块将开始正常工作，为绝缘检测系统提供足够输出功率的12V和1500V电压源，另一方面，通过充电电阻对超级电容C2正常充电。一直充到超级电容C2电压Vc2=68V为止，使超级电容存储的电能为：1/2╳C（68╳68-20╳20），设超级电容C2存储能量维持供电时间为T。
第三步，CT电流过小或没电情况：当变电所系统母线进线电流I过小时，I1在R1上形成的电压低于Vc2，68V的恒定电压源失电，二极管D6截止，同时，放电二极管电D5导通。由于二极管D5的正向电阻远小于R2，超级电容C2会立刻通过放电二极管电D5为绝缘检测系统提供足够功率的12V和1500V电压源。当超级电容C2的放电电压还没有下降到Vc2=20V之前或维持供电时间小于T时，当变电所系统母线进线电流I恢复大于电流阈值I0时，系统就回归到第二步的正常充电和供电情况；当超级电容C2的放电电压下降到Vc2=20V或维持供电时间大于T时，超级电容所存储的电能：1/2╳C（68╳68-20╳20）被放掉，剩余电能：1/2╳C╳20╳20不足以支撑DC/DC直流变换12V模块和DC/DC直流变换1500V模块正常工作，两个DC/DC直流变换模块的输出均为零，绝缘检测系统停电。
综上所述，在正常供电情况下，68V的恒定电压源能为绝缘检测系统可靠供电。即使在CT失电的情况下，如果没有超过设计的维持供电时间为T，超级电容C2仍然会通过放电二极管D5支路继续为绝缘检测系统提供足够功率的12V和1500V电压源，从而保证绝缘检测系统的安全供电可靠性。
图8为局部电力电缆绝缘监测装置的工作原理：
第一，接线准备工作。按要求将装置接入系统，并对软件功能进行组态。将68V直流母线连接到12V直流电源模块输入端，使12V直流电源模块工作为局部电力电缆绝缘监测装置供电，同时将68V直流母线连接到1500V直流电源模块输入端，使1500V直流电源模块工作为优化直流叠加模块和接地的电力电缆外壳之间提供直流信号源，达到测量系统的局部绝缘电阻的目的。数据采集和控制模块式整个系统的核心，主要作用有4个：（1）采集并根据馈线开关辅助触点状态判断是否做局部电缆绝缘电阻监测任务；（2）决定是否通过1500V直流电源控制模块接入1500V直流电源，启动优化直流叠加模块；（3）通过获取局部绝缘电阻测量和采样模块的电流或电压信号采样值、电压源采样值和采样电阻值，计算局部绝缘电阻；（4）通过零序电流采样模块采集零序电流；（5）利用通信模块将局部绝缘电阻计算结果和零序电流数据采样值发送到上一级管理层。
第二，装置投入运行。将高压直流电源组态接入，启动局部绝缘电阻监测功能。
第三，馈线开关投入判别。在任意馈线支路开关设备投入运行前，为了先保证该段电力电缆绝缘良好，需要先用该馈线支路上的局部电力电缆绝缘监测装置监测当前馈线支路绝缘水平，如果绝缘良好则开关设备可以投入运行，如果绝缘不佳则说明该馈线支路上发生了绝缘水平下降的故障，应按规程进行检修处理。
第四，装置正常运行。将高压直流1500V电源切除，局部绝缘电阻监测功能退出；正常监测该馈线的零序电流为该馈线支路的电力电缆绝缘水平评价提供基础数据。
图9为全局电力电缆绝缘监测装置的工作原理：
第一，CT取电。通过CT电源取电模块把高压母线电能转换成获得68V直流电，将CT电源取电模块输出端接连接到12V直流电源模块输入端，使12V直流电源模块工作为全局电力电缆绝缘监测装置供电，同时将CT电源取电模块输出端连接到1500V直流电源模块输入端，使1500V直流电源模块工作为优化直流叠加模块和接地的电力电缆外壳之间提供直流信号源，达到测量系统的全局绝缘电阻的目的，并且把CT电源取电模块输出端接连接到68V直流母线上，为局部电力电缆绝缘监测装置供电。
第二，全局电阻检测。通过获取绝缘电阻测量和采样模块的电流或电压信号采样值、电压源采样值和采样电阻值，计算全局绝缘电阻。
第三，定位判断。假设在主开关设备闭合，并且馈线支路开关设备1到N全部闭合的情况下。当全局绝缘电阻发生突降，任意馈线支路零序电流未发生突升时，说明母线发生绝缘下降事故；当全局绝缘电阻发生突降，同时某一馈线支路零序电流发生突升时，说明零序电流突升的馈线支路发生绝缘下降事故。
以上所述仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非是对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
本专利内容为北京市自然科学基金资助项目（3162025）。
Claims (5)
1.一种变电所电力电缆绝缘水平监测方法，其特征在于：该方法包括：
步骤一，设置一种基于优化直流叠加法的电力电缆绝缘监测装置，建立基于电力电缆绝缘监测装置的电力电缆绝缘监测系统；
优化直流叠加法是将同一隔离高压直流电源S1分别通过三个等值兆欧级限流电阻R1、R2、R3连接至高压母线三相线上，限流电阻R1、R2、R3并联再与取样电阻R4串联，隔离高压直流电源S1正极连接取样电阻R4，隔离高压直流电源S1负极接地；电流检测从取样电阻R4处取样，取样电阻R4取值为1千欧姆；S1电压值为1500V，R1、R2、R3阻值都为15兆欧；同时还需要隔直电容配合使用隔离高压直流电源S1对电压互感器PT和中性点经消弧线圈或小电阻接地系统的影响；如果电力电缆接地系统为中性点经消弧线圈或小电阻接地系统，则需要将隔直电容C1挂接在消弧线圈或电阻与大地之间，C1为1000uf；同时在PT一次侧中性点与大地之间挂接隔直电容C2，C2为0.88uf；这样，当电力电缆绝缘水平下降时，直流电流能具有唯一通道，方便而准确地计算出直流电阻；
步骤二，使用隔直电容器隔离高压直流电源对电压互感器PT和中性点经消弧线圈或小电阻接地系统的影响；
步骤三，电力电缆绝缘监测系统以通信方式使得系统内各个设备之间进行数据交互，实时检测全局绝缘电阻以及馈线支路零序电流两个量，并进行汇总统计，依照基于电力电缆绝缘监测系统的绝缘降低判据进行判断；
基于电力电缆绝缘监测系统的绝缘降低判据：当发现全局绝缘电阻呈现下降趋势时，并且电力电缆馈线支路没有增加时，如果有某馈线支路零序电流也同时呈现上升趋势，则可以判断是该馈线支路电力电缆发生了绝缘下降事故；如果任何馈线支路零序电流都没有发生变化，则说明是母线电力电缆发生绝缘下降事故。
2.一种根据上述权利要求1所述的变电所电力电缆绝缘水平监测方法建立的变电所电力电缆绝缘水平监测系统，其特征在于：该变电所电力电缆绝缘水平监测系统包括高压母线、电力电缆、三相变压器、设置基于优化直流叠加法的电力电缆绝缘监测装置、主开关设备、馈线支路开关设备、零序电流互感器以及负载；其中：
所述高压母线为6kV或10kV或35kV高压母线，所述6kV或10kV或35kV高压母线分别与各馈线支路开关设备通过电力电缆连接；
所述电力电缆用于连接电网与变压器，用于连接变压器与主开关设备，用于连接高压母线与各馈线支路开关设备，以及用于各馈线支路开关设备与负载的连接；
所述三相变压器与主开关设备相连接；
所述电力电缆绝缘监测装置，其电力电缆绝缘监测装置1端为绝缘电阻检测端，其电力电缆绝缘监测装置2端为接地端，其电力电缆绝缘监测装置3端和电力电缆绝缘监测装置4端为零序电流检测输入端,其电力电缆绝缘监测装置5端为馈线支路开关量输入端，其电力电缆绝缘监测装置6端为68V直流母线连接正端，其电力电缆绝缘监测装置7端为68V直流母线连接负端，其电力电缆绝缘监测装置8端为无线通讯天线连接端，其电力电缆绝缘监测装置9端和电力电缆绝缘监测装置10端为取电CT输入端；
所述电力电缆绝缘监测装置的电力电缆绝缘监测装置1端与电力电缆相连，其电力电缆绝缘监测装置2端与大地相连，其电力电缆绝缘监测装置3端和电力电缆绝缘监测装置4端与各馈线支路零序电流互感器电连接，电力电缆绝缘监测装置的零序电流互感器与馈线支路连接,其电力电缆绝缘监测装置5端与馈线支路开关相连，其电力电缆绝缘监测装置6端与68V直流母线正端连接，其电力电缆绝缘监测装置7端与68V直流母线负端连接，其电力电缆绝缘监测装置8端与无线通讯天线连接，其电力电缆绝缘监测装置9端和电力电缆绝缘监测装置10端与取电CT输出端相连；
所述变电所电力电缆绝缘水平监测系统设置有多个电力电缆绝缘监测装置、多个馈线支路开关设备、多个零序电流互感器，以及接有多个负载，电网通过电力电缆连接至变压器，变压器与主开关设备通过电力电缆连接，各馈线支路电力电缆与负载电连接，各设备之间进行通讯。
3.如权利要求2所述的变电所电力电缆绝缘水平监测系统，其特征在于：所述电力电缆绝缘监测装置是基于优化直流叠加法的电力电缆绝缘监测装置，所述优化直流叠加法是将同一直流电压源分别通过三个等值兆欧级限流电阻连接至高压母线三相线上，电流检测取样，隔直电容配合使用，电压互感器的一次侧中性点与大地之间挂接隔直电容，当电力电缆绝缘水平下降时，直流电流能具有唯一通道，以方便而准确地计算出直流电阻。
4.如权利要求2所述的变电所电力电缆绝缘水平监测系统，其特征在于：所述变电所电力电缆绝缘水平监测系统的设备网际及网间的通讯采用zigbee、wifi、bluetooth中的任意一种无线通讯方式。
5.如权利要求2所述的变电所电力电缆绝缘水平监测系统，其特征在于：所述变电所电力电缆绝缘水平监测系统的设备网际及网间的通讯使用CAN、485中任意一种有线通讯方式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20181116 |