摘 要：介绍变电站绝缘在线检测系统TIA2000原理，分析在线检测技术的特点，说明使用在线检测技术对于设备安全稳定运行的必要性以及TIA2000系统如何克服变电站干扰，提高测量精度，使该系统达到了实用化。
关键词：在线检测；FFT；FIR 自适应滤波器
1引言
高压电气设备的预防性试验对保证设备的安全运行发挥着重要作用。但随着高电压、大容量设备的增多，常规的预防性试验难以满足要求。若对运行中的高压设备进行绝缘状况的在线检测，则可大大提高试验的真实性，它是实现状态检修的重要条件。
非破坏性试验广泛用作各种电气设备的预防性试验；而交流耐压可能引起残余破坏的破坏性试验，仅仅是在必要时、大修后等情况下进行，而且要在非破坏性试验项目通过后才可进行。另外，由于停电后进行非破坏性试验时，按规程规定，所加的交流试验电压一般不超过10kV，而现行一次设备有很大部分的运行线电压为110～500 kV，以致在绝缘中的气隙甚至油隙在工作电压下发生放电，即使这样低的预防性试验电压也仍被通过了。因此，对高压、超高压电气设备中的这些缺陷，加较低的预防性试验电压意义并不大。
早在60年代就有不少研究成果提出带电试验的方法，但付诸实施的却不多，如有的要在沉重的外壳下面垫进绝缘板；有的需配以带电作业的工具或设备，而测量的结果分散性很大，因此，缺乏推广的价值。
传感器、数据处理技术、计算机等电子高科技技术的发展和应用，使变电站绝缘在线检测技术实用化成为可能。
2测量原理
高压电设备主要分为两类：
(1)对于高压电容式套管、耦合电容器、电容式电流互感器等设备，都可以把它们看成是由若干个电容器相串联而成的绝缘结构(电容型试品)。电容型试品的介损和电容量是反映绝缘性能好坏的重要参数；
(2)金属氧化物避雷器由于其优异的非线性特性在变电站被广泛应用于防雷、避雷。它的氧化锌阀片在正常运行电压下，电容电流达几百微安以上，而阻性电流一般只有约数十微安，仅占全电流的5%～20%。阻性电流大小是MOA老化的重要标志，阻性电流的基波分量可有效地反映MOA内部元件受潮、污秽等故障。
我厂与四川电力试验研究院合作开发的TIA2000系统在结构设计、传感器技术运用、内核硬件、抗干扰等方面均取得进展，辅以上层友好的操作界面、完善的数据库管理以及诊断系统的有效配合，已达到实用化要求，可对变压器套管、互感器、电容器、避雷器等设备的绝缘状况实施在线监测。
对电容型设备介损测量是由母线PT的二次电压信号经过电阻变换成电流信号，由安装在PT下方的传感器进行检测，电容型设备Cx的末屏电流信号由本地传感器检测，在中央控制器的控制下，对两个传感器的信号同步采样并经过FFT变化，得到两个输入信号及相对工频电流的基波相位，即可计算出末屏电流信号相对母线的相位差，从而获得介损和电容量。
TIA2000对MOA的检测采用与电容型设备类似的方法，将传感器并联在MOA下端的放电计数器上，同步采样并计算出容性电流和阻性电流。
在线检测系统基本原理见图1。
在计算机控制下，用传感器采集数据，通过串行接口RS232送到安装在现场的计算机系统进
数据处理，并将结果存储在计算机中。远方的工作站可以对存储在现场计算机中的数据随时下载，通过安装在工作站的数据分析系统对数据进行分析，从而判断设备的绝缘状态。
3诊断系统的原理
TIA2000在线检测系统对电气设备绝缘状况的诊断，采用比较绝缘参数相对变化的原理，基本与检测参数的绝对值大小无关。运行经验表明，变电站同时有几个设备发生故障的可能性很小，如果所有同类设备检测数据同时增大或减小，则是由外部因素引起；如果仅个别设备的检测数据发生相对变化，且具备一定的变化过程，则判定该设备的绝缘状况异常。检测系统的上层软件提供数据库曲线、表格等工具，能有效分析判断故障。
4系统对变电站干扰采取的措施
随着电网容量的增大、系统电压的升高，变电站的电磁干扰现象极为严重。另外，以微电子技术为基础的变电站绝缘在线检测设备对电磁干扰的敏感度也比老的指针式装置高，而且测量、计算和控制设备分散安装于变电站中高压设备的附近。因此，提高在线检测设备抗电磁干扰能力就显得尤为重要。
高压设备的介质损耗因数一般较小，对测量的精度要求高，在变电站测量介损容易受到各种干扰。对电容型设备介质损耗因数的在线检测的关键技术是如何准确获得并求取两个工频基波电流信号的相位差。传统的方法是采用过零比较技术，通过计数器的方式获得两个信号的时间差，然后根据信号周期的大小转换成相位差。该方法需要采用复杂的硬件结构，对滤波器(滤除3次及以上的谐波)和过零比较器的工作稳定性要求极高，并难以保证测量精度的长期稳定性。鉴于TIA2000检测系统采用了以386EX为核心的嵌入式计算机系统，具备较强的数学运算能力，故专门设计和使用了以快速傅立叶变换(FFT)为核心的数字滤波方法来准确求取被测电流信号基波分量的相位差。比较两路信号的相关性，根据相关定理：
考虑谐波影响，变电站绝缘在线检测系统从传感器获得两个电流信号可先通过FIR低通滤波器以滤掉高次谐波分量。高次谐波分量来自两个方面：一方面现场高压设备绝缘介质具有电导及极化特性，可视为非线性负载，其泄漏电流发生畸变；另一方面，在现场测量时电流信号受电磁干扰严重，干扰电流存在高次谐波分量，其表达式为：
式中i1(t)和in分别为基波和n次谐波电流。根据介损测量的特点，设计两输入的自适应滤波器，电流i可分解成基波电流i1和谐波电流In之和，电压信号u为参考输入，一路直接为sinωt，另一路cosωt可由正、余弦相差90°延时得到，通过权值Ws和Wc自适应调整，使输出i1以最小均方误差逼近“噪声干扰”电流i1。其中，调整权值是通过误差信号e(t)实现的：
通过若干次迭代，Ws和Wc分别最优逼近I1cosφ1和I1sinφ1求出tgσ=Ws/Wc。再经过FFT变化和自适应滤波技术，有效地消除了现场干扰。
5提高测量精度的措施
另一方面，测量电容型试品的介损必须获得精确的末屏电流的幅值与相位，因此，测量高压设备泄漏电流的电流互感器性能好坏，直接影响电容型设备介质损耗的测量精度。为确保信号取样的安全性，通常需要采用穿芯结构的电磁式电流互感器。电磁式电流互感器的激磁磁势的存在是造成传感器误差的主要原因。降低铁心激磁磁势的传统方法是采用截面较大，磁路较短的高导磁铁心，并适当增加二次线圈的匝数。由于电容型设备末屏电流通常为毫安级，传感器的激磁阻抗很小，而且又必须采用穿芯取样的方式，故采用常规的无源传感器往往难以达到介损测量的精度要求。
有源零磁通设计技术能提高小电流传感器精度。TIA2000检测系统采用先进的自动补偿式电流传感器，除了选用起始导磁率较高，损耗较小的坡莫合金做铁芯外，还采用深度负反馈补偿技术，能够对铁芯的激磁磁势进行全自动补偿，保持铁芯工作在接近理想的零磁通状态。试验结果表明，这种穿芯结构的电流互感器能准确检测70 μA～700 mA范围内的工频电流信号，相位变换误差不大于±0.01°，并且具有很好的温度特性，可以满足绝大多数电气设备电流信号的取样要求。
从采用TIA2000检测系统测量220 kV电流互感器，其试验数据与停电进行预防性试验的数据非常吻合，可以证明设备已达到实用要求。表1列出2001年5月23日投运初期的试验数据与停电预试数据的对比。
变电站的避雷器三相呈一字形排列，如果不加处理，三相各自的阻性电流往往相差很大，一般是中间B相正常，而两个边相有一相偏大，另一相偏校研究证实，这主要是由于在线检测时的相间电容耦合所引起的。为此，TIA2000系统采用先测出A、C两个边相的相位差，用软件求出误差角α后将基准电压相关自动移相α角，然后再用常规的方法测出准确的阻性电流。
6检测故障实例
(1)宝珠寺电厂220 kV开关站DL260IIM电流互感器C相在2000年4月发现其油中含有C2H2，我们一直对其取油样跟踪，监视运行。到2001年6月，发现C2H2含量突然增长，达到1.4×10-6，初步判断其内部有间隙性放电缺陷，决定更换该互感器。但更换一台电流互感器需要2个月左右的准备时间，因此只能对其监视运行。我们一方面继续取油样化验，另一方面利用TIA2000绝缘在线监测系统对其绝缘状态进行实时检测，随时掌握其绝缘状态变化情况。通过几个月的跟踪监视，其绝缘参数未向坏的方向发展，从油样分析结果看，其油中C2H2含量也未见增长。由此可见，TIA2000可以准确反应设备的绝缘状态，系统运行稳定，具有一定的实用性；
(2)2000年6月，该系统监测到DL262间隔A相CVT介质损耗和电容量异常增大，与其它相及宝龙西线比较存在较大的差异。现场检查装有低压电磁式电压互感器的油箱中电磁声较大，测量二次绕组开口三角形和开口电压为33.1 V；用示波器测该相绕组波形畸波严重，因此，判断该CVT内部发生了谐振。由于该条线路带成都重要负荷，难以停电进行检修，现场采取措施消除谐振现象后，监测数据恢复正常。可以看出，TIA2000绝缘状态监测系统能灵敏地反应设备异常。试验证明，在线检测系统提供的结论及我们采取的方法的确有效，处理后在线检测测得A相的数据与其它相及宝丰西线一致，该系统监测到的宝丰东线三相CVT处理前后的介损数据及当时宝丰西线三相CVT的介损数据见表2。
从表2中不难看出，TIA2000系统的确能灵敏地反映设备内部的绝缘故障，并能分析判断情况，一旦发现问题及时报警。对于设备存在隐患，而又不能及时检修更换时，能随时监视设备故障的发展变化，对保证设备安全运行发挥了积极的作用。
7结语
TIA2000在线检测系统在宝珠寺电厂投运半年多来，设备运行稳定，能准确地反应设备的绝缘状态，达到对高压电气设备的状态检修提供依据的要求。运用TIA2000变电站电气设备绝缘状态监测系统的监测结果对设备绝缘状态的判断，应主要看设备绝缘参数的相对变化趋势，与同相或同类设备进行比较。其分析软件给出了同类设备绝缘参数的变化趋势比较曲线，结果直观明了。该系统结构简单，配置灵活，安装简便，维护量小，具有很强的实用性。
但是，该系统能否替代常规预防性试验，今后还有待于技术监督和运行管理等部门的共同努力，制定出相应的标准，才能有效地推动变电站电气设备开展状态检修的进程。
参考文献
［1］邱毓昌.电气绝缘在线监测技术［M］.西安：西安交通大学，1995.
