CN111257644B - 高压电网对地绝缘电阻的在线监测电路及监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压电网对地绝缘电阻的在线监测电路及监测系统，其中在线监测路包括被监测电路、信号输入电路和信号采样电路；信号输入电路包括信号发生器；信号采样电路包括信号处理器、采样隔离电阻以及隔直电容；隔直电容设置在电压互感器一次侧与接地点之间用于阻断直流信号，采样隔离电阻通过采样点与被监测电路连接并获得采样信号，信号处理器接收获取的采样信号并处理得到系统的对地绝缘电阻。本发明实时在线监测高压系统的直流对地电阻绝缘值本征信号，定量定性地反映系统绝缘健康水平及对绝缘故障做到提前预警，及早预防，最大限度地避免绝缘击穿事故的发生，同时节约维护成本。

Description

高压电网对地绝缘电阻的在线监测电路及监测系统
技术领域
本发明属于智能电网产品技术应用领域，实现对高压动力电网的绝缘直流对地电阻在线实时监测。
背景技术
电力是国民经济的基础，是重要的支柱产业。原高压系统（35kV、10kV和6kV系统），目前准确细分应属中压动力系统，是大型电力、煤炭、石化、水泥水利、冶金化工等国民经济重点生产运营行业的核心用电电压等级系统，其系统一旦出现绝缘事故，不但直接经济损失巨大，而且牵涉到的间接经济损失也十分庞大，同时往往还伴随着人员伤亡损失。以中海油东方石化有限责任公司为例，一次绝缘停电事故，直接经济损失近300万元人民币，间接经济损失近800万元人民币，同时，后期抢修及工艺倒料措施还伴随着巨大安全的风险。
随着我国国民经济的不断发展壮大，电力系统的规模越来越大，结构越来越复杂，故障产生不可避免。而在整个电力生产过程中，最常发生、危险最严重的故障是绝缘击穿故障。智能电网技术的推广应用也迫在眉睫，其在线监测和大数据管理为核心内容。
电网的发展和社会的进步都对电网的运行提出了更高的要求，加强对电网故障的在线诊断处理显得尤为重要。随着计算机技术、通信技术、网络技术和特种材料技术等的发展，采用更为先进的智能技术来改善故障诊断系统的性能，实时准确采集、处理和传输电网安全基础核心参数具有重要的研究价值和战略意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种在线监测电路，可实时在线监测高压系统的绝缘性能的直流对地电阻本征信号，定量定性地对系统绝缘健康水平及绝缘故障做到提前预警，及早预防，最大限度地避免事故的发生，同时节约维护成本。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种高压电网对地绝缘电阻的在线监测电路，包括被监测电路、信号输入电路和信号采样电路，其特征在于：所述被监测电路包括连接到电网母线上的变压器相关联级、检测设备、运行负载及开关闸刀；所述信号输入电路包括用于产生施加到被监测电路直流信号的信号发生器；所述信号采样电路包括信号处理器、专用无感采样隔离电阻以及专用隔直电容；所述隔直电容设置在所述电压互感器于接地点之间用于阻断直流信号，采样隔离电阻通过采样点与被监测电路连接并获得采样信号，所述信号处理器接收获取的采样信号并处理得到系统的对地绝缘电阻。所述隔直电容的容抗XC小于电压互感器励磁阻抗的1/100。
基于上述高压电网对地绝缘电阻的在线监测电路的高压电网对地绝缘电阻在线监测系统，包括控制单元、监测电路以及报警单元；所述控制单元根据所述检测电路的反馈的检测结果，控制所述报警单元是否发出报警信号。
本发明可实现在线测量高压系统绝缘直流对地电阻，检测周期1s，且测量结果误差介于-2%和+2%之间（智能电网产品检测报告NZJ(2016)DQ11911Z检测结果）。能通过系统绝缘直流对地电阻值进行定量反应系统绝缘情况。也能通过系统绝缘直流对地电阻值和电网正常运行设定的整定值进行比较，若系统绝缘直流对地电阻值小于整定值，则认为系统绝缘水平趋于劣化。系统绝缘直流对地电阻值与整定值之间的差值越大，劣化程度越高。对系统绝缘水平是否劣化进行定性的在线反应，并对绝缘故障及时给出预警，极大地避免此类事故的发生。
附图说明
图1是本发明监测电路的接线图；
图2为监测系统PT一次侧接地点的直流共地点的改造示意图；
图3为监测系统针对小电阻接地系统的直流共地点的改造示意图；
图4为高压限流电阻的接入线路图；
图5为本发明监测系统的结构框图；
图6为应用本发明监测电路的电网线路图；
图中：PT为电压互感器，CT为电流互感器；1153/1157、电流互感器；1411、断路器312/332/115/152、电流互感器；3127/3122/3121/3321/3521/3527/1157/1153、开关。
具体实施方式
本发明在线监测电路，用于在线实时监测高压系统（35kV、10kV和6kV系统）的直流对地绝缘电阻及泄漏电流。电路图参见图1所示，包括被监测电路、信号输入电路和信号采样电路，被监测电路包括连接到电网母线上的变压器相关联级、检测设备、运行负载及开关闸刀等；信号输入电路包括用于产生施加到被监测电路直流信号的信号发生器；信号采样电路包括信号处理器、采样隔离电阻以及隔直电容；隔直电容设置在电压互感器于接地点之间用于阻断直流信号，采样隔离电阻通过采样点与被监测电路连接并获得采样信号，信号处理器接收获取的采样信号并处理得到系统的对地绝缘电阻。
本发明监测电路的原理是：
在测量高压电力系统绝缘电阻时，恒压源产生一恒压直流信号，经处理后叠加到被测电路系统上，在返回的电流信号经特殊处理，获得直流信号，经采样器处理转换成相应的电阻值，然后经A/D转换后，由中央控制单元通过通讯处理器获取数据。并对数据进行处理后做出相应动作（报警、发送短信等）。
在测量高压电力系统泄漏电流时，由安装在线路上的磁环将泄漏电流输入采样器的泄漏电流输入端，经A/D转换后，由中央控制单元读取并做相应处理。
本发明信号采样电路是在原系统直流共地点的进行改造的基础上实现的，改造方案是在系统PT一次侧接地点改造，加装隔直电容，参见图2所示。
为了监视三相对地电压，母线正常接有Y0电磁式电压互感器（即PT），正常运行的电压互感器的励磁阻抗很大，但对直流测量信号是通路，现将Y0中性点经隔直电容接地，使其容抗XC小于PT励磁阻抗的1/100，这样在正常或故障情况下均不影响经PT监视三相对地电压，同时又起到了隔离作用，达到了在线测量绝缘的目的。
高压电力系统经PT初级中性点接地时，采用在PT初级中性点与地之间串一个0.22uf/10kV（0.22uf/6.3kV）电容，通过增加隔直电容，阻断直流信号，使得采样电路只有一个接地点，实现了信号的隔离采样。
误差分析：计算短路电流时，PT柜是按最恶劣情况下来算的，在最恶劣情况下，其励磁阻抗最小，容量最大。我们计算时按国内所有生产厂家、目前国内最恶劣的情况来选，最大容量选200W，对于10kV系统，其计算过程如下
A）PT的励磁阻抗计算：
最大容量：S=200W ；系统电压：U1=10kV
则最大短路电流：lK=200/10000=0.02A
励磁电流：Io=10%IK=2mA
励磁阻抗：Zo=10000/0.002=5MΩ
B）串接0.22uf/10kV规格的电容
电容容抗：Zc=1/2πfC= 106/2π*50*0.22=14.48kΩ
C）故障时C上压降：
Uk=U1/(Z0-ZC)*ZC=10000/(5M－14.48k)*14.48k=29V
D）相对误差：
Uk/U1=29/10000=2.9‰
在其他情况下，PT柜励磁阻抗均大于5MΩ，隔直电容的影响只会变小，不会再大了。可见，最大误差只有千分之几，不会影响PT的表记。系统所有保护的动作信号均取自PT柜，且电力设计院设计保护的整定值为最大故障时值的50%，实际中常常整定为最大故障时的30%左右，有很大的余量，所以隔直电容的接入不会影响各保护的正常动作，即不会影响原系统的正常运行。
针对小电阻接地系统，直流共地点的改造，加装隔直电容柜，见图3。选型计算：
1.给定线电压U=6.6kV,小电阻为R=7.6Ω
相电压为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
最大短路电流为：IK=3810.5/7.6=501.4A
2.选隔直电容数值c=1000uF,
则其电抗为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
得到阻抗
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
计算实际电流值为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，
得到误差为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。
系统接入方式，见图4所示：主站信号源通过高压限流电阻串联入系统断路器下端口，高压限流电阻的作用主要是保证监测站能承受高压系统的高电压。以耐压26kV、45MΩ10W的高压限流电阻作为负载接入10kV系统为例分析：其特点如下：a）它的结构保证了无论发生何种事故，高压电阻只能被烧断，绝不可能被击（烧）穿（短路）。b）它的耐压水平是按额定功率的1.5倍的电压持续施压40分钟，老炼后2小时过表得到的，其耐压计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
如 45MΩ 10W的高压电阻的耐压水平计算为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
而加在高压限流电阻上的电压无非两种情况：a）三个高压电阻接成Y接法，正常工作情况下Y接法中性点电位为零电位。b）当发生单相接地短路时，极端情况高压电阻承受电压为相电压，小于26kV。
本发明在线监测系统，参见图5所示，包括以下模块：
1、中央处理单元：主要负责处理数据并控制以下各单元的协调工作：通讯处理器、温湿度传感器、短信收发单元、输出单元、数据处理单元、显示控制单元、辅助触点检测单元、巡检控制单元等。
2、巡检控制单元：在中央控制单元的控制下，对接入的8路线路进行循检。
3、辅助触点检测单元：对每条线路合、分闸状态进行检测，并将检测结果传入中央控制单元，若某线路处于分闸状态时，中央控制单元将输出指令，巡检控制单元将停止对该线路进行泄漏电流的巡检，同时设置面板该线路“绝缘检测”按钮处于允许状态，可对该线路绝缘进行人工选择检测。
4、显示控制单元：在LED屏上显示检测的相关数据图表等。在系统处于报警状态下，线路图对应线路将红-白交替闪烁，相应数据也将以红字显示。
5、数据处理单元：对采集的数据进行判断、存储，并提供查询、导出功能。
6、短信收发单元：将相关数据信息发送到指定的手机
7、温、湿度传感器：负责将环境温、湿度数据输入中央控制单元
8、通讯处理器：按特定的通讯协议，完成数据的输入与数据的输出。
9、输出单元：针对外部访问，做出正确的响应，按特定格式提供所需求数据。
10、采样器：主要是对输入的模拟量经前期处理后，通过A/D对输入量进行数字化处理。
11、恒压源：提供高精度直流恒压信号。
本发明与以往的高压绝缘监测技术对比汇总总结如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
Figure DEST_PATH_IMAGE009
本发明可实现在线测量高压系统绝缘直流对地电阻，检测周期1s，且测量结果误差介于-2%和+2%之间（智能电网产品检测报告NZJ(2016)DQ11911Z检测结果）。能通过系统绝缘直流对地电阻值进行定量反应系统绝缘情况。也能通过系统绝缘直流对地电阻值和电网正常运行设定的整定值进行比较，若系统绝缘直流对地电阻值小于整定值，则认为系统绝缘水平趋于劣化。系统绝缘直流对地电阻值与整定值之间的差值越大，劣化程度越高。对系统绝缘水平是否劣化进行定性的在线反应，并对绝缘故障及时给出预警，极大地避免此类事故的发生。
NZJ(2016)DQ11911Z检测结果：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
实施例1：中石油神木第二处理厂110kV变电站，10kV系统绝缘在线监测站调试报告
2019年5月8日神木第二处理厂110kV变电站停电进入检修状态，我司10kV系统绝缘在线监测站设备就位开始安装，2019年5月13日上午安装工作结束，下午系统开始联调，联调结果显示10kV I段系统绝缘值193.8MΩ，10kV II段系统绝缘值14.5MΩ，当时环境温度21.6°，相对湿度36.7%，两系统绝缘值偏差很大。
借鉴以往的工程经验，环境温度不高，相对湿度较低，联调系统范围小（主变次级到母线，母线出线所有闸刀断开），我们认为10kV I段系统绝缘值193.8MΩ属正常，10kV II段系统绝缘值14.5MΩ严重偏低，存在绝缘隐患。紧接着我们就10kV II段系统绝缘值分段分设备开始绝缘排查。
首先自查我们的监测站系统，把10kV II段信号接入我们#1监测站，#1监测站显示监测值仍是14.5MΩ，说明#2监测站主机没有问题。然后分别对#2监测站信号线及隔离采样电阻电子摇表测量绝缘值，测量值均为50～60GΩ，远超监测站200 MΩ流程，没有问题；后隔离进线，分别对10kV II段母线A、B、C项电子摇表测量绝缘值，测量值均为70～90GΩ，没有问题； 然后对进线端A、B、C项避雷器单独电子摇表测量绝缘值，测量值均为60GΩ左右，没有问题；最后对进线A、B、C项分别电子摇表测量绝缘值，测量值均为9.5MΩ，终于找到了10kV II段母线绝缘隐患点为10kV II母线穿墙套管。承包运维的单位立即安排检修。
直至2019年5月16日，检修工作完成，同时他们也对10kV I段也进行了分段隔离电子摇表测量绝缘值，排查对比，的确10kV I段的绝缘值要远好于10kV II段母线系统。10kVII段母线系统检修恢复后，上电监测系统绝缘值升至193.9 MΩ，系统绝缘恢复正常。
在整个调试过程和历史故障录波中，均未发现NR继电保护有系统绝缘隐患记录和反映，说明我司的在线绝缘监测信号是现有绝缘故障极早期发现的一有力补充和完善。

Claims (1)

1.一种高压电网对地绝缘电阻在线监测方法，所述在线监测方法基于在线监测系统运行，在线监测系统包括在线监测电路，用于在线实时监测10kV高压系统的直流对地绝缘电阻及泄漏电流；所述在线监测电路包括被监测电路、信号输入电路和信号采样电路，被监测电路包括连接到电网母线上的变压器相关联级、检测设备、运行负载 及开关闸刀；
所述在线监测电路的工作原理如下：
在测量高压电力系统绝缘电阻时，恒压源产生一恒压直流信号，经处理后叠加到被测电路系统上，返回的电流信号经处理获得直流信号，经信号采样电路处理转换成相应的电阻值，然后经A/D转换后，由中央控制单元通过通讯处理器获取数据，并对数据进行处理后做出报警、发送短信相应动作；
在测量高压电力系统泄漏电流时，由安装在线路上的磁环将泄漏电流输入信号采样电路的泄漏电流输入端，经A/D转换后，由中央控制单元读取并做相应处理；
所述信号采样电路是在系统PT一次侧接地点加装隔直电容：为了监视三相对地电压，母线正常接Y0电磁式电压互感器，正常运行的电压互感器的励磁阻抗很大，但对直流测量信号是通路，现将Y0中性点经隔直电容接地，
使其容抗XC小于PT励磁阻抗的1/100，这样在正常或故障情况下均不影响经PT监视三相对地电压，同时又起到了隔离作用，达到了在线测量绝缘的目的；
所述PT初级中性点接地时，采用在PT初级中性点与地之间串一个 0.22uf/10kV电容，通过增加隔直电容，阻断直流信号，使得信号采样电路只有一个接地点，实现了信号的隔离采样；
所述在线监测方法包括误差分析：计算短路电流时，PT柜是按最恶劣情况下来算的，在最恶劣情况下，其励磁阻抗最小，容量最大，最大容量选200W，对于10kV高压系统，其计算过程如下：
A)PT的励磁阻抗计算：
最大容量：S＝200W；系统电压：U1＝10kV
则最大短路电流：IK＝200/10000＝0.02A
励磁电流：Io＝10％IK＝2mA
励磁阻抗：Zo＝10000/0.002＝5MΩ
B)串接0.22uf/10kV规格的电容
电容容抗：Zc＝1/2πfC＝106/2π*50*0.22＝14.48kΩ
C)故障时隔直电容C上压降：
Uk＝U1/(Zo-Zc)*Zc＝10000/(5M－14.48k)*14.48k＝29V
D)相对误差：
Uk/U1＝29/10000＝2.9‰
在非最恶劣情况下，PT柜励磁阻抗均大于5MΩ，隔直电容的影响只会变小，不会变大；系统所有保护的动作信号均取自PT 柜，设计保护的整定值为最大故障时值的50％；
针对小电阻接地系统，加装隔直电容柜，选型计算：
给定线电压U＝6.6kV,小电阻为R＝7.6Ω
相电压为：
Figure 371476DEST_PATH_IMAGE002
最大短路电流为：
Figure 909905DEST_PATH_IMAGE004
选隔直电容数值c=1000uF
则其电抗为
Figure 595751DEST_PATH_IMAGE006
得到阻抗
Figure 612249DEST_PATH_IMAGE008
计算实际电流值为
Figure 562756DEST_PATH_IMAGE010
得到误差为：
Figure 537665DEST_PATH_IMAGE012
高压限流电阻接入高压系统如下：主站信号源通过高压限流电阻串联入系统断路器下端口，高压限流电阻的作用是保证监测站能承受高压系统的高电压；耐压26kV、45MΩ 10W的高压限流电阻作为负载接入10kV系统：其特点如下：a)它的结构保证了无论发生何种事故，高压限流电阻只能被烧断，绝不可能被击穿或短路；b)它的耐压水平是按额定功率的1.5倍的电压持续施压40分钟，老炼后2小时得到的，其耐压计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
45MΩ10W的高压电阻的耐压水平计算为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
加在高压限流电阻上的电压有两种情况：a)三个高压限流电阻接成Y法，正常工作情况下Y接法中性点电位为零电位；b)当发生单相接地短路时，极端情况高压限流电阻承受电压为相电压，小于26kV；
所述在线监测系统实现在线测量高压系统绝缘直流对地电阻，检测周期1s，且测量结果误差介于-2％和+2％之间，能通过系统绝缘直流对地电阻值定量反应系统绝缘情况；能通过系统绝缘直流对地电阻值和电网正常运行设定的整定值进行比较，若系统绝缘直流对地电阻值小于整定值，则认为系统绝缘水平趋于劣化；系统绝缘直流对地电阻值与整定值之间的差值越大，劣化程度越高；对系统绝缘水平是否劣化进行定性的在线反应，并对绝缘故障及时给出预警。
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