CN111551790A - 用于确定用于电力系统的绝缘的介电质等效电路图的元件的方法和设备 - Google Patents

用于确定用于电力系统的绝缘的介电质等效电路图的元件的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于确定用于电力系统的绝缘的介电质等效电路图的元件的方法和测试装置以及绝缘监控设备。对于测量周期Tm的持续时间存储系统的阶跃响应的所有数据点，并计算故障电阻Rf和泄露电容Ce的初始值Ce0。在故障电阻Rf和初始值Ce0的此分析性确定后，通过使用近似算法的数值信号处理确定吸收元件Ra和Ca以及泄露电容Ce的成分，近似算法连续地模拟记录的阶跃响应。为了模拟阶跃响应，分析地形成通过具有等效电路图元件Rf，Ce，Ra，Ca和测量电阻Rm的等效电路图模型化的电力系统的传递函数G(s)并计算输出信号，该输出信号在激活电力系统时产生，且通过阶跃函数使用传递函数G(s)描述该输出信号。

Description

用于确定用于电力系统的绝缘的介电质等效电路图的元件的 方法和设备
技术领域
本发明涉及用于确定用于电力系统的绝缘的介电质等效电路图的元件的方法和设备，等效电路图为由故障电阻、泄露电容和吸收元件构成的并联连接，吸收元件由吸收电阻和吸收电容的串联连接构成。
背景技术
供电系统具有需要在某种情况下经由绝缘材料彼此分离的导电元件。特别地，当安装非接地供电系统时，需要监控绝缘电阻。通过供电电导体的等效电路图对复值的绝缘电阻(绝缘阻抗)进行模型化，等效电路图由泄露电容和欧姆测定的故障电阻(绝缘阻抗的实值部分)的并联连接组成。为了监控故障电阻，更优选地使用绝缘监控设备。测量绝缘电阻在具有大于500MΩ的非常大绝缘水平的电气装置中特别具有挑战性。这包括海底电缆或高压电池(HV电池)。
对于高阻抗测量范围已被优化但基于现有分析技术的主流绝缘监控设备关于测量精度具有缺陷。不足以用于高阻抗应用且并未考虑绝缘材料的介电质吸收的等效电路图被引用作为误差来源。
IEEE标准43-2000示出用于绝缘的等效电路图，除了前述的泄露电容的并联连接，额外的并行切换的RC行元件和由吸收电阻Ra和吸收电容Ca组成的吸收元件已被增加至等效电路图中，吸收元件量化介电质吸收行为。
绝缘的介电质特性随着时间老化和环境改变，并用作逐渐恶化的绝缘的过早识别的指示。除了欧姆测定的故障电阻的迄今已知的专门测量，可使用介电质的常规量化，以能够更快地检测老化的绝缘的标志并且能够评估它们的电气状态。归因于此，可以更快地计划对电力系统的维护。
不存在利用电力系统中特别是有源非接地供电系统中的绝缘的介电质观察直接量化等效电路图的技术方案。
在非接地供电系统中，绝缘材料的介电质特性目前被无视，仅监控由于连续地测量故障电阻而恶化的绝缘的影响。在接地网络中，更显著地执行极化指数的周期测量，然而，不利地是，网络需被关断。极化指数是人为大小的，并提供关于绝缘的介电质特性的信息，然而并不对它进行量化。
此外，阻抗光谱学的方法是已知的，然而，该方法被特别约束于材料科学领域的实验室的测试并在频域中操作。此外，该方法并不适于极其高阻抗范围及用于有源电力系统。
发明内容
本发明的当前目的因此是提出一种用于确定用于电力系统的绝缘的介电质等效电路图的元件的方法和布置，电力系统特别地考虑操作期间的非接地供电系统。
通过用于确定用于电力系统的绝缘的介电质等效电路图的元件的方法实现该目的。等效电路图为由故障电阻Rf、泄露电容Ce以及吸收元件构成的并联连接，吸收元件由吸收电阻Ra和吸收电容Ca的串联连接构成。该方法包括：将电压阶跃应用于电力系统作为电压源的测试电压u0(t)，电力系统具有与电压源串联的已知测量电阻Rm；测量在测量电阻Rm处的电压降作为电力系统的阶跃响应ua(t)；在测量周期Tm内记录阶跃响应ua(t)，测量周期Tm的持续时间近似对应于阶跃响应ua(t)的沉降阶段的两倍；从处于沉降状态的阶跃响应ua(t)的进展计算故障电阻Rf；从处于沉降阶段的阶跃响应ua(t)的进展确定时间常数τ；从时间常数τ、故障电阻Rf和测量电阻Rm计算泄露电容Ce的初始值Ce0；形成通过使用等效电路图元件Rf，Ce，Ra，Ca和测量电阻Rm的等效电路图模型化的电力系统的传递函数G(s)作为测量电阻Rm处的输出信号U’a(s)与作为输入信号的电压源的测试信号U0(s)之间的比值；使用作为测试信号U0(s)的阶跃函数同时并入计算的故障电阻Rf、泄露电容Ce的计算的初始值Ce0和已知测量电阻Rm，从传递函数G(s)计算输出信号U’a(s)；以最小化在时间范围中转换的计算的输出信号u’a(t)与测量的记录的阶跃函数ua(t)之间的偏差的方式通过近似算法经由近似值R’a，C’a，C’e迭代地确定吸收电阻Ra、吸收电容Ca和泄露电容Ce的每个。
在将电压阶跃应用至电力系统作为电压源的测试电流u0(t)后(该电力系统具有串联连接至电压源的测量电阻Rm)，在测量周期Tm内测量和记录阶跃响应ua(t)，测量周期Tm的持续时间近似于阶跃响应ua(t)的沉降阶段的持续时间的两倍。与现有技术已知的一旦达到稳定状态就关于快速地识别绝缘电阻而中断测量的方法不同，测量和记录发生在较长的测量周期Tm内。
阶跃响应ua(t)的所有数据点在测量周期Tm的持续时间内被存储且随后经受数字信号处理。首先，通过确定平均值从在测量周期Tm的一半与测量周期Tm的结束之间的整个沉降的阶跃响应ua(t)的进展分析地识别故障电阻Rf。
从阶跃响应ua(t)在沉降阶段的进展确定时间常数τ，沉降阶段的结束近似对应于五倍的时间常数τ。从时间常数τ、故障电阻Rf以及测量电阻Rm计算泄露电容Ce的初始值Ce0。
在故障电阻Rf及泄露电容Ce的初始值Ce0的此分析性确定后，通过数值信号处理确定吸收元件Ra和Ca以及泄露电容Ce的成分。
为此使用近似算法，借助于已知的测量电阻Rm和已被分析识别的等效电路图元件故障电阻Rf及泄露电容Ce的初始值Ce0，近似算法连续地模拟实际测量信号，即记录的阶跃响应ua(t)。吸收电阻Ra及吸收电容Ca的初始值形成从值域获悉的近似值R’a，C’a和C’e。
为了模拟阶跃响应ua(t)，分析地形成通过具有等效电路图元件Rf，Ce，Ra，Ca和测量电阻Rm的等效电路图模型化的电力系统的传递函数G(s)，传递函数G(s)表示测量电阻Rm处的输出信号U’a(s)与作为输入信号的电压源的测试信号U0(s)的比值：
G(s))＝U’a(s))/U0(s)
Figure BDA0002381681660000031
对于变量s的依赖性描述对应时间范围量(以小写字母写出)的拉普拉斯变换(以大写字母写出)。从近似解的意义上说，最初的量表示迭代可变量。
通过传递函数G(s)计算输出信号U’a(s)＝U0(s)*G(s)，且该输出信号在激活电力系统时产生，通过作为测试信号U0(s)的阶跃函数，经由传递函数G(s)描述该输出信号。在并入计算的故障电阻Rf、泄露电容Ce的计算的初始值Ce0和已知的测量电阻Rm的情况下执行计算，而以最小化在时间范围(u’a(t))中转换的计算的输出信号U’a(s)和测量的记录的阶跃响应ua(t)之间的偏差的方式通过近似算法经由近似值R’a，C’a和C’e迭代地确定泄露电阻Ra、泄露电容Ca和泄露电容Ce的每个。
如果偏差落在某个阈值之下，近似过程可被终止且等效电路图的元件Ra，Ca，Ce可被视为经由近似值R’a，C’a和C’e足够精确地确定。
近似算法有益地在四倍和五倍的时间常数τ与测量周期Tm的近似3/5处的沉降阶段的计量结束之间的时间区段中最小化偏差。
近似算法聚焦于达到近似四倍至五倍的时间常数τ的时间点和沉降过程的计量结束之间的信号区段，然而区段的重叠是明确地可能的。
为了接收对于经由数据点记录的阶跃响应的更快近似，近似算法被限于针对信号进展的中间区段最小化偏差并掩蔽阶跃响应ua(t)的开始和结束区段。根据此应用必要性，此中间区段可被减小或延长以(例如)通过减小“聚焦”近似区段。
在另一实施例中，近似算法是根据最小二乘法进行的。
现有技术已知的最小二乘法(LS方法)被用作近似方法。为此，以通过阶跃响应ua(t)的记录的数据点最小化使用在时间范围(u’a(t))中转换的此参数(即输出信号u’a(t))的近似值计算的阶跃响应的平方差的和的方式数值地确定传递函数G(s)的量(吸收电阻Ra、吸收电容Ca以及泄露电容Ce)。
优选地，结合绝缘监控数值地应用用于确定非接地供电系统中的绝缘的介电质特性的方法。
由于监控非接地供电网络中的绝缘电阻是标准化前提且绝缘监控设备的使用是根据产品标准IEC61557-8规定的，根据本发明的方法特别有益地用于在确定非接地供电网络中的绝缘电阻时改进测量精度。
根据本发明的方法可以首先且最重要地被设计用在非接地供电网络中，然而，该方法并非限于此使用。该方法因此可以胜过非接地供电系统中的应用，且通常可被用在电力系统中，然而(例如)接地网络中的现有保护接地导体可能需要被断连。该方法可被特别有效地用在绝缘电阻大于100MΩ的电力系统中，因为极化电流足够小以在较小阻抗中被忽视。
在实施根据本发明的方法中，本发明的目的还通过用于确定用于电力系统的绝缘的介电质等效电路图的元件的测试设备而达到，该测试设备包括信号处理设备，该信号处理设备被配置用于执行根据本发明的用于确定用于电力系统的绝缘的介电质等效电路图的元件的方法。在此方面，通过根据本发明的方法获得的优点以同样的方式也适用于根据本发明的测试设备，该测试设备被配置用于执行根据本发明的方法。
除了在自主测试设备中实现根据本发明的方法，该方法可被有益地实施在用于识别非接地供电系统的绝缘电阻的绝缘监控设备中，此绝缘监控设备包括信号处理设备，该信号处理设备被配置用于执行根据本发明的用于确定用于电力系统的介电质等效电路图的元件的方法。
为了在确定绝缘电阻，特别是具有大于500MΩ的相当大绝缘水平的非接地供电系统中的绝缘电阻时改进测量精度，可利用执行根据本发明的方法的信号处理设备增强作为标准化前提的现有绝缘监控设备。
优选地，绝缘监控设备包括用于具有可变幅度的测试电压u0(t)的低噪声识别的可变测量电阻Rm和/或可变耦合阻抗。
特别地，绝缘监控设备的可变测量电阻和/或可变耦合阻抗能够实现低噪声识别，特别是对于具有可变幅度的测试电压。
可从通过示例示出本发明的优选实施例的以下描述和附图中得出其他有益实施例特征。
附图说明
图1示出用于绝缘的介电质等效电路图；
图2经由测量电阻Rm(阶跃响应ua(t))示出电压的进展；
图3示出通过近似算法的数值信号处理的步骤；
图4示出非接地供电系统中的根据本发明的测试设备；以及
图5示出根据本发明的具有信号处理设备的绝缘监控设备。
具体实施方式
在图1中示出用于测试电路中的绝缘的介电质等效电路图。在(例如)非接地供电系统的导体L和接地PE之间，故障电阻Rf和泄露电容Ce是有效的，故障电阻Rf和泄露电容Ce一起形成非接地供电系统的复值的绝缘电阻(绝缘阻抗)。为了描述导体L和接地PE之间的绝缘的介电质吸收行为，利用并行于绝缘阻抗切换且由吸收电阻Ra和吸收电容Ca的串联连接组成的吸收元件增强等效电路图。
为了确定等效电路图量Rf，Ce，Ra和Ca，介电质等效电路图被集成在具有测试电压u0(t)和测量电阻Rm的测试电路中，在阶跃函数被应用作为测试电压u0(t)的情况下，可以在测量电阻Rm处测量阶跃响应ua(t)。
在图2中示出在测量电阻Rm处的电压的进展。当应用阶跃函数作为测试电压u0(t)时，电压进展与阶跃响应ua(t)一致。在测量周期Tm内记录阶跃响应ua(t)，测量周期Tm可被划分成转而也可重叠的三个部分区段A、B和C。
时间区段A从时间点t＝0延伸到近似时间点5*τ，电压幅度在时间点t＝0处具有阶跃函数的高度值U0，τ形成指数电压进展的时间常数。第二时间区段B近似从四倍至五倍的时间常数延伸到测量周期Tm的近似3/5。第三时间区段C包含从测量周期Tm的近似一半至测量周期Tm的结束的持续时间。从表示沉降状态且其中泄露电容Ce和吸收电容Ca可被视为开路的该时间区段C，当测量电阻Rm已知时，优选地通过确定平均值计算故障电阻Rf。假设沉降过程在五倍的时间常数τ处将近终止，从因此识别的时间常数τ并利用对测量电阻Rm和先前确定的故障电阻Rf的认识，为泄露电容Ce确定初始值Ce0。
在从时间区段C分析地计算故障电阻Rf且从时间区段A分析地确定泄露电容Ce的初始值Ce0后，在阶跃响应Ua(t)的中间时间区段B中数值地确定吸收电阻Ra和吸收电容Ca，并经由近似算法更精确地确定泄露电容Ce。
在图3中示出数字信号处理的步骤，其以数值方式经由近似方法迭代地识别吸收电阻Ra、吸收电容Ca以及泄露电容Ce的近似值R’a，C’a，C’e。
假设吸收电阻Ra的宽值域(1kΩ…100GΩ)，吸收电容Ca的宽值域(1pF…100mF)以及泄露电容Ce＝(0.8…1.2)*Ce0，首先为这三个量建立初始值。自然地，也可诉诸于来自特定装置的经验值。
通过进一步并入测量电阻Rm的已知值和识别的故障电阻Rf计算传递函数G(s)。传递函数乘以拉普拉斯变换的阶跃函数U0(s)(阶跃高度U0)，并产生信号输出U’a(s)。该输出信号U’a(s)根据最小二乘法产生在时域中转换且与真实捕获的阶跃响应ua(t)对比的输出信号u’a(t)。通过连续地改变吸收电阻Ra、吸收电容Ca以及泄露电容Ce的近似值R’a，C’a，C’e，迭代地计算新传递函数G(s)直至当比较在时间范围中转换的输出信号u’a(t)与记录的阶跃响应ua(t)时误差平方的和落在设定阈值之下。因此，足够精确地确定吸收电阻Ra、吸收电容Ca以及泄露电容Ce的值。
图4示出非接地供电系统2中的根据本发明的测试设备10。测试设备10连接在供电系统2的有源导体L和接地PE之间，并包括根据本发明的被配置用于执行根据本发明的方法的信号处理设备12。
在图5中，在非接地供电系统2中示出绝缘监控设备20。标准化绝缘监控设备20连接在供电系统2的有源导体L和接地PE之间，并且额外地包括根据本发明的用于执行根据本发明的用于确定用于绝缘的介电质等效电路图的元件的方法的信号处理设备12。

Claims (7)

1.一种用于确定用于电力系统的绝缘的介电质等效电路图的元件的方法，等效电路图为由故障电阻(Rf)、泄露电容(Ce)以及吸收元件构成的并联连接，吸收元件由吸收电阻(Ra)和吸收电容(Ca)的串联连接构成，所述方法包括方法步骤：
将电压阶跃应用于电力系统作为电压源的测试电压(u0(t))，电力系统具有与电压源串联的已知测量电阻(Rm)；
测量在测量电阻(Rm)处的电压降作为电力系统的阶跃响应(ua(t))；
其特征在于，所述方法还包括：
在测量周期(Tm)内记录阶跃响应(ua(t))，测量周期(Tm)的持续时间近似对应于阶跃响应(ua(t))的沉降阶段的两倍；
从处于沉降状态的阶跃响应(ua(t))的进展计算故障电阻(Rf)；
从处于沉降阶段的阶跃响应(ua(t))的进展确定时间常数(τ)；
从时间常数(τ)、故障电阻(Rf)和测量电阻(Rm)计算泄露电容(Ce)的初始值(Ce0)；
形成通过使用等效电路图元件(Rf，Ce，Ra，Ca)和测量电阻(Rm)的等效电路图模型化的电力系统的传递函数(G(s))作为测量电阻(Rm)处的输出信号(U’a(s))与作为输入信号的电压源的测试信号(U0(s))之间的比值；
使用作为测试信号U0(s)的阶跃函数同时并入计算的故障电阻(Rf)、泄露电容(Ce)的计算的初始值(Ce0)和已知测量电阻(Rm)，从传递函数G(s)计算输出信号(U’a(s))，
以最小化在时间范围中转换的计算的输出信号(u’a(t))与测量的记录的阶跃函数(ua(t))之间的偏差的方式通过近似算法经由近似值(R’a，C’a，C’e)迭代地确定吸收电阻(Ra)、吸收电容(Ca)和泄露电容(Ce)的每个。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，近似算法在四倍至五倍的时间常数(τ)与测量周期(Tm)的近似3/5处的沉降阶段的计量结束之间的时间区段中最小化偏差。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，近似算法是根据最小二乘法进行的。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，用于确定非接地供电系统中的绝缘的介电质特性的应用与绝缘监控结合。
5.一种用于确定用于电力系统的绝缘的介电质等效电路图的元件的测试装置，其特征在于，包括：
信号处理设备，被配置用于执行根据权利要求1-4中任一项的用于确定用于电力系统的绝缘的介电质等效电路图的元件的根据本发明的方法。
6.一种用于识别非接地供电系统的绝缘电阻的绝缘监控设备，其特征在于，包括：
信号处理设备，被配置用于执行根据权利要求1-4中任一项的用于确定用于绝缘非接地供电系统的介电质等效电路图的元件的根据本发明的方法。
7.根据权利要求6所述的绝缘监控设备，其特征在于，还包括：
用于具有可变幅度的测试电压(u0(t))的低噪声检测的可变测量电阻(Rm)和/或可变耦合阻抗。
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