变电站容性设备介质损耗角的高精度测量方法

沈显庆

(黑龙江科技大学电气与控制工程学院，哈尔滨150022)

变电站容性设备介质损耗角的高精度测量方法

沈显庆

(黑龙江科技大学电气与控制工程学院，哈尔滨150022)

针对绝缘设备泄漏电流非常微弱且容易被噪声淹没的问题，以磁通门传感器组成差动方式来提取泄漏电流，克服了互感器角差和比差带来的误差影响。利用小波变换及自适应网络构成的数字低通滤波器，实现对泄漏电流的正交分量信号电阻性漏电流、电容性漏电流的数字滤波，有效地提取了基波相位。通过信号发生器及四象限乘法器构成的硬件正交分解器对漏电流信号分解，再配合数字滤波，较好地解决了电网频率波动带来的频谱泄漏，并抑制了栅栏效应。母线电压、泄漏电流经同一滤波网络，产生的附加相移相等，保证基波相位的稳定，提高了介损值测量的精确度。仿真及实验结果表明，该方法提高了绝缘设备在线监测的精度，为绝缘设备故障诊断提供可靠的依据。

介质损耗角;小波变换;自适应网络;硬件正交分解;在线监测

收稿日期: 2013-12-10
作者简介:沈显庆( 1969-)，男，吉林省通化人，教授，博士，研究方向:电力系统绝缘参数检测与数据处理，E-mail: shenxianqing2001@ 163．com。

0引言

介质损耗角、泄漏电流和绝缘介质电容Cx是衡量绝缘程度的三个特征量。由于介质损耗角正切值( tan δ)仅取决于材料的特性而与材料的尺寸和形状无关，故把tan δ作为设备整体绝缘状况的参数是非常有效的。

为监测电容型设备绝缘状况，需要提取设备末屏接地电流信号，为了不改变被测一次设备原有的接线方式，广泛地采用有源或无源的穿心电流互感器、被测设备的地线或末屏直接串入监测电容来提取高压电力设备绝缘的泄漏电流，但穿心电流互感器易受温度、输入电流和负荷变化的影响，使得角差和比差不稳定;监测电容法因电容被击穿后，易造成末屏开路(即主回路停电)。因此，介损测量方法广泛采用数字化测量技术，再对采样值采取相应的滤波算法[1-8]。笔者在泄漏电流提取上，采用穿心式磁通门传感器，测量精度达到纳特( nT)级，二次测再通过差动放大器，可以有效克服地磁场对测量精度的影响。在信号处理上，利用信号发生器及四象限乘法器构成的硬件正交分解器对提取的漏电流信号分解，通过小波变换及自适应网络构成的数字低通滤波器，实现对泄漏电流的正交分量信号电阻性漏电流、电容性漏电流进行数字滤波。

1谐波分析法测量介质损耗角的原理

电容型设备的绝缘特性如图1所示。

图1 电容型设备绝缘等值电路与相量Fig．1 Insulated equivalent circuit and phasor diagram of capacitive equipment

由图1可以看出，介质电流由电容电流分量I·Cx和电阻电流分量I·Rx两部分组成，通常I·CxkI·Rx。介质损耗角的正切值tan δ= IRx/ICx，φ为母线电压U·与介质电流I·的夹角。文中采用提取母线电压和泄漏电流的基波相位φ，通过谐波分析法计算介质损耗角正切值。可得，

式中，α1、β1分别为电压、电流的基波相角。

由于流过电容型设备的电流超前电压90°，其介损角正切值为

将式( 1)代入式( 2)得

2电容性设备绝缘参数实时在线测量方法

2. 1 系统结构

电容性设备绝缘参数在线检测系统框图如图2所示。利用四象限乘法型D/A转换器和正弦、余弦信号发生器构成的硬件正交分解器，对母线电压电阻性漏电流、电容性漏电流的正交分量信号进行滤波，提高了漏电流的分辨率。由于电压、电流经同一滤波网络，滤波产生的附加相移相等，因介质损耗角δ=90°-(φi-φu)是电流基波相位和电压基波相位之差，滤波产生的相移通过做差而抵消，保证基波相位的稳定。

图2 电容性设备绝缘参数在线检测系统Fig．2 On-line detection system block diagram of high voltage equipment insulation parameter

2. 2电容性设备末屏接地电流信号Ix的提取

为了不改变被测设备原有的接线方式，电流互感器采用穿心式电流互感器，将电流互感器TA直接套在被测设备的接地线或末屏回路中。在电流互感器TA的次级通过连接互感器负载Z1把次级电流It转化为与Ix同相的电压信号Ux，来实现在线测量电容性电器设备介质损耗角tan δ、流过介质的电流Ix和介质电容量C。

由于绝缘设备的漏电流很小，只有毫安级，再加上电磁干扰以及环境因素的影响，使得互感器角差和比差的变化足以掩盖实际测量值。采用磁通门传感器通过测量磁场的方式，有效地克服了变压器角差和比差变化带来的测量误差。利用两个磁通门传感器组成差动方式，有效地克服了地磁场对测量信号的影响，提高了漏电流的检测精度，其测量原理如图3所示。

图3 磁通门传感器提取漏电流测量原理Fig．3 Measurement principle graph of leakage current extracted by fluxgate sensor

为保证磁通门始终工作在零磁场情况，在磁场负反馈系统中，反馈电阻R24选用高稳定的精密电阻。反馈线圈电阻相对反馈电阻来说一般要小很多，在工作温度范围内，反馈线圈电阻变化很小，故对系统精度影响不大。同时，为克服地磁场带来的影响，两个磁通门传感器要同一角度放置，距离不要超过10 mm。现场实测数据如表1所示。

表1 c相磁通门传感器提取漏电流信号实测数据( T =1 0000 G)Table 1 Measured data of current signal extracted by fluxgate sensor( T =1 0000 G)

3小波变换和自适应在线滤波模型的建立

为更好地解决频率波动对实际系统的影响和有效提取基波信号[8-12]，建立了基于小波变换和自适应神经网络构成的数字低通滤波器的在线滤波模型。通过自适应神经网络实时训练小波分解参数，实际输入信号和期望信号分解系数的差值趋于零，达到对奇次谐波信号、白噪声、频率变化产生的频谱泄漏和开关电源对电网污染等干扰信号的抑制作用。其滤波模型如图4所示。

图4 滤波模型Fig．4 Filtering model

图4 中，x( k)为输入信号，d( k)为期望信号，通过建立目标函数ε=[| ei( m) |2]使之最小，通过训练自适应滤波矩阵，使[x( k)-d( k)]2→0，求得小波分解系数F0( k)，F1( k)，…，Fm-1( k)。在训练过程中，自适应滤波矩阵采用对角阵，用归一化LMS算法，即

式中: Nsi——第i个子带中自适应滤波器的长度;

γ——防止更新因子过大而选用的小常数，取γ=0. 01;

ei( m)——第i个子带误差信号;

μi( m)——第i个自适应滤波器输入信号;

α——学习因子，取0<α≤0. 1。

小波子带滤波算法中，将小波分解成用传输函数Fi( k) ( i =0，1，…，m-1)表示的形式。其中，F0( k)为低通滤波器，Fi( k)为带通滤波器( i =1，2，…，m-2)，Fm-1( k)为高通滤波器。选取Coiflets作为母小波，小波分解过程中，滤波器组没有频率重叠部分，但可覆盖输入信号整个频带。

为能够有效提取基波信号，更好地滤除各次谐波信号，考虑最严重的情况，选取电压输入信号为: x( t) =4* cos( 3* pi* t) + 0. 5* cos( 5* pi* t) + 0. 3* cos( 7* pi* t) + randn( 1，5 001)一个周期的波形，期望信号选为: d( t) = sin( pi* t)。其仿真结果如图5所示。

图5 基于小波变换和自适应神经网络的仿真Fig．5 Simulation diagram based on wavelet transform and adaptive neural network

4现场实验结果

文中所开发的电容型设备绝缘在线监测系统，在哈东变电所110 kV主变套管进行在线监测，监测数据为母线电压、末屏接地电流、等效电容值、介质损耗角、温度和湿度。图6为实际运行过程中所得到的参数，页面左边框架设置查询条件，右边框架通过刷新来显示查询结果。图7为采用ActiveX控件生成的介损监测数据曲线。

图6 信息查询结果的Web页面Fig．6 Web windows of information inquiry result

图7 基于ActiveX技术实现的介损监测曲线WEB页面Fig．7 WEB windows of dielectric dissipation monitoring cure based on ActiveX technique

5结论

电容性设备是重要的输变电设备，实现状态维修的前提条件是能否实现绝缘在线监测与故障诊断。在信号提取上利用测量磁通的方式，避免了互感器角差和比差变化的影响;在信号处理方面，通过电路设计保证母线电压、泄漏电流经同一滤波网络，滤波产生的附加相移相等，滤波产生的相移通过做差而抵消，保证基波相位的准确度。利用硬件实现正交分解，软件采用小波变换与自适应网络进行数字滤波，进一步提高了泄漏电流的分辨率。该方法有较强的鲁棒性，可在强磁场下可靠工作。

[1] 段大鹏，江秀臣，孙才新．基于正交分解的介质损耗因数数字测量算法[J]．中国电机工程学报，2008，28 ( 9 ) : 127-133．

[2] DJOKIC B，SO E．Phase measurement of distorted periodic signals based on nonsynchronous digital filtering[J]．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2002，17( 8) : 232-236．

[3] 徐志钮，律方成，赵丽娟．基于加汉宁窗插值的谐波分析法用于介损角测量的分析[J]．电力系统自动化，2006，20( 2) : 81-85．

[4] 王振朝，岳莹昭，师 洁．基于多分辨率分析的小波系数压扩去噪算法[J]．中国电机工程学报，2008，28( 10) : 76-81．[5] 王公宝，向东阳，马伟明．基于FFT和神经网络的非整数次谐波分析改进算法[J]．中国电机工程学报，2008，28( 4) : 102-108．

[6] 贾 嵘，杨 可，原 丽，等．基于卡尔曼滤波和加窗插值谐波分析法的介损测量方法[J]．电网技术，2007，31( 1) : 52-55．

[7] 黄 晶，颜运昌，胡 林，等．基于小波和改进相关分析的介损测量方法[J]．电力系统自动化，2006，30( 7) : 51-54．

[8] 沈显庆．容性设备介质损耗角的分布式测量关键技术的研究[D]．沈阳:沈阳工业大学，2010．

[9] 陈 楷，胡志坚，王 卉，等．介损角的非同步采样算法及其应用[J]．电网技术，2004，28( 8) : 58-61．

[10]ALLAN D，BLUNDELLl M，BOYD K，et al．New techniques for monitoring the insulation quality of in-service HV apparatus．IEEE Transactions on Electrical Insulation，2002，27 ( 3 ) : 578-581．

[11]KIM JONGWOOK，PARK BYUNGKOO．Fault diagnosis of a power transformer using an improved frequency-response analysis．IEEE Transactions on Power Delivery，2005，20 ( 1 ) : 169-178．

[12] 沈显庆，王成元．交流电参数测量系统的智能检测及误差分析[J]．黑龙江科技学院学报，2008，18( 1) : 14-17．

(编辑 晁晓筠)

Research of high precision measurement method of substation capacitive equipment dielectric loss angle

SHEN Xianqing

( School of Electrical&Control Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China)

Directed at the solution to the leakage current which is weak and more likely to be submerged by noise，as occurs in the insulation equipment，this paper introduces some steps to extract the leakage current using the differential fluxgate sensor and eliminate the influence due to the angle error and the ratio error of the transformers．These steps consist of using the digital low-pass filter wavelet composed of transform and the adaptive network to filter the resistive leakage current and the capacitive leakage current of the orthogonal signal and thus effectively extract the fundamental harmonic，using the vector multiplier consisting of the signal generator and the four quadrant multiplier to achieve the orthogonal decomposition of the leakage current signal and the digital filter，and finding a better solution to the spectrum leakage caused by the grid frequency fluctuation and therefore inhibiting the barrier effect．The passage of bus voltage and the leakage current through the same filter network generates the additional equal phase shift，thus ensuring the stability of the fundamental wave phase，hence a greater resolution of the leakage current．Simulation and experiment indicate that this method serves to enhance the precision of the insulation equipment on-line monitoring，and provides a more reliable basis for the diagnosis of the insulation equipment fault．

dielectric loss angle; wavelet transform; adaptive network; hardware orthogonal decomposition;on-line monitoring

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 020

TM835. 4

2095-7262( 2014) 01-0091-04

A