1、国内图书分类号：TM854国际图书分类号：681.586工程硕士学位论文高压电气设备绝缘在线监测技术的研究硕 士 研究生：郭春志导 师：王武义 副教授申请学位级别：工程硕士工 程 领 域：机械工程所 在 单 位：沈阳超高压局答 辩 日 期：2007 年 12 月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TM854U.D.C: 681.586Dissertation for the Masters Degree in EngineeringA STUDY ON THE ON-LINEINSULATION MONITORINGTECHNIQUE OF THE HIGH VOL
2、TAGEELECTRIC EQUIPMENTSCandidate:Supervisor:Academic Degree Applied for:Specialty:Date of Oral Examination:University:Guo ChunzhiAssociate Prof. Wang WuyiMaster of EngineeringMechanical EngineeringDecember,2007Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘 要电力设备绝缘监测一直是电力部门的一个关键环节，长期以来所使用的方法是每年一度的人工检
3、测。人工检测具有人为因素影响大、测量精度低、工作效率低等缺点。同时每年进行的春季设备绝缘检测工作需要停电检测，费时费力。为解决上述问题，本文结合电力部门特别是各级变电所（站）的需求，提出了绝缘在线监测技术方案，研制了相应的检测传感器，实现了变电所高压电气设备绝缘状况的多点、实时、在线监测。本文主要介绍了适于进行高压电气设备绝缘在线监测的传感器工作原理，研制了灵敏度好、精确度高、适合于在北方严寒气候环境下监测高压电气绝缘状况的传感器，并对传感器误差补偿方法进行研究。通过实验对电容补偿法和传感器互补法进行比较，证明电容补偿法和传感器互补法的可行性。在对绝缘监测信号分析处理的基础上，研究了基于傅利叶
4、变换的信号谐波分析和参数计算方法。通过对西林电桥法和过零比较法的分析研究，提出了应用傅利叶变换的方法处理在线监测传感器输出信号并对其进行谐波分析，从而进一步对提取出的标准电压信号基波和泄漏电流信号基波相角分析处理，并由此提出了设备绝缘参数的计算方法，为设备绝缘状况的评价提供数据。同时研究了基于小波变换的绝缘监测信号分析方法。主要利用样条小波包对信号的分解处理，把绝缘监测信号分解为不同频域的不重复的信号的叠加，并在分解过程中，提取出频率为 50Hz 的基波信号，进一步利用得到的分解信号进行基于小波变换的信号重构，得到检测信号和标准信号的 50Hz 基波，从而实现对绝缘在线监测信号的分析和处理，为
5、反映设备绝缘状况的绝缘参数的计算提供了有效的数据源。实验表明，基于小波变换的信号分析方法与提出的傅利叶变换谐波分析法都是取代传统的过零比较法的重要方法。在研究过程中，本文还完成了高压电气设备绝缘在线监测系统硬件电路和相应的软件系统的研究，实现了变电所高压电气设备绝缘状况的多点、实时、在线监测。关键词 绝缘性能；传感器；傅利叶变换；小波变换I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractThe insulation monitoring of the electric power equipment is always a key part of theelectric department,
6、and manual measurment has been adopt for a long time,which isgreatly affected by artificial factor resulting in low measuring precision and workingefficiency. In addition, the annual spring manual insulation monitoring must stop themeasured electric power equipment, which directly leads to the unnec
7、essary waste of timeand financial power. In order to solve all the problem above, the dissertation presentson-line insulation monitoring technology precept, studies and manufactures theappropriate transducer, realizes the on-line insulation monitoring system of the electricequipment. The paper reali
8、zes the multiply-point, real time and on-line monitoring of thehigh voltage electric power equipments insulation.In this paper the working theory of the transducer using on-line insulation monitoringof the high voltage electric equipments insulation is mainly studied. The transducerworked on low tem
9、perature condition is studied and manufactured. Comparing the methodof capacitance compensation and the method of transducer complementarity byexperiment, it proves feasibility of the two methods.Based on the insulation monitoring signal analysis and processing, a new method ofharmonic analysis and
10、the calculating of parameter is studied. And through the study onthe electric bridge method and the passing zero comparison method, a method based onthe Fourier transform is proposed to process the output signals of the on-line monitoringtransducer. So the phase angles of the base wave of the extrac
11、ted standard voltage signaland leaking current signal are processed. Therefore, a calculating method of theequipments insulation parameters is proposed. And the data of the equipment insulationcondition is provided.At the same time, the analyzing method of the monitoring insulation signal based onth
12、e wavelet transform is studied. The monitoring insulation signals are decomposed intounrepeated signals in different frequency domain by the spline wavelet package. Andduring the decomposing, the 50Hz base wave signals are extracted and based on thewavelet transform the signals are recomposed accord
13、ing to the decomposed signals. So the50Hz base waves of detected signals and standard signals are acquired. By this means, themonitoring signals are analyzed and processed and the data source for calculating theII哈尔滨工业大学工程硕士学位论文insulation parameters that reflect the equipments insulation conditions
14、is provided. Theexperiments shows that the signal analysing method based on wavelet transform and theproposed harmonic wave analysis method based on Fourier transform both are theimportant methods to substitute the traditional passing zero comparison method.In this paper, the circuit of hardware and
15、 corresponding software system of theon-line insulation monitoring system of high voltage electric equipment are accomplished.And multi-point, real time and on-line monitoring of the insulation condition of highvoltage electric equipment is carried out.Keywords insulation capability, transducer, fou
16、rier transform, wavelet transformIII哈尔滨工业大学工程硕士学位论文目 录摘 要 . IAbstract . II第 1 章 绪 论 . 11.1 引言. 11.2 课题来源及选题意义 . 11.3 绝缘在线监测技术的发展及应用. 31.3.1 高压电气设备绝缘在线监测技术概述 . 31.3.2 国外研究及应用概述 . 51.3.3 国内研究及应用概况 . 81.4 论文的主要研究内容 . 8第 2 章 绝缘在线监测传感器的设计. 102.1 传感器的工作原理及误差分析. 102.1.1 传感器的工作原理. 102.1.2 传感器的误差分析. 122.2 传感
17、器的设计. 142.2.1 传感器的类型选择. 142.2.2 传感器铁芯形状的选择 . 152.2.3 传感器的材料分析. 162.3 传感器的低温实验及数据分析. 172.3.1 实验线路的设计. 172.3.2 实验数据分析. 182.4 传感器误差补偿方法 . 202.4.1 电容补偿法. 202.4.2 传感器互补法. 212.5 本章小结. 22第 3 章 绝缘在线监测系统硬件和软件的设计. 233.1 引言 . 233.2 数据采集系统的设计 . 233.2.1 数据采集系统的硬件结构及电路. 23IV哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3.2.2 数据采集系统的扩展性和可靠性分析 .
18、 263.2.3 数据采集系统的软件结构 . 263.3 前台计算机软件设计 . 273.3.1 软件开发环境和功能 . 273.3.2 前台计算机软件实现 . 273.4 远程计算机数据分析系统的软件设计 . 293.4.1 远程计算机系统概述 . 293.4.2 远程数据分析系统功能及软件设计. 293.5 本章小结. 31第 4 章 绝缘监测信号的分析技术. 324.1 引言 . 324.2 西林电桥法. 324.3 信号过零比较分析法. 334.4 基于傅利叶变换的绝缘信号谐波分析 . 354.5 西林电桥法、过零比较法和傅利叶变换法的应用结果分析 . 374.6 基于小波变换的绝缘监
19、测信号多分辨分析方法 . 394.6.1 样条小波 . 394.6.2 样条小波的信号分解与重构 . 404.6.3 基于样条小波的绝缘监测信号分解与重构 . 424.7 本章小结. 43结 论 . 44参考文献 . 45哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明. 49哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书. 49哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理. 49致 谢 . 50个人简历 . 51V哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第 1 章 绪 论1.1 引言高压电气绝缘设备的老化、失效是一个缓慢发展的潜伏性故障，传统的预防性试验存在试验周期长，不能发现设备短期内劣化，试验电压远低于设备正常运行电压，易受温湿
20、度及现场强电磁场干扰和影响等诸多缺陷。而且对急剧发展的突发性故障不能及时发现，易给供电和生产造成严重后果1-3。电力设备绝缘在线监测是保证安全发电和供电，及时发现事故隐患，减少停电检修，提高供电可靠性的重要技术手段4 5。电力设备绝缘在线监测系统能够二十四小时对运行高压电气绝缘设备的泄漏电流、介质损耗、等值电容、运行电压、环境温度和湿度进行在线监测，经计算机采集数据和自动分析，作出设备能否正常工作的最后评价，从而可以提高高压电气绝缘设备损坏的早期预防能力。要确保电力设备绝缘在线监测的可行性和有效性，首先，必须对能反映电气设备绝缘运行工况的特征量进行准确地、可靠地在线监测；其次对所监测到的数据进
21、行处理并对设备进行故障诊断；最后根据所诊断的结果制定维修方案，并加以实施。即在线监测故障诊断实施维修三个步骤构成了设备状态维修的主题内涵6-9。而在线监测的最重要环节是基础数据的采集，即那些能够反映设备绝缘状况的特征量的采集。电气设备中介质损耗和绝缘漏电流是直接反映绝缘劣化或缺陷的主要特征量之一，各种在线检测、监测装置都把它作为重要的信号加以采集10 11 。1.2 课题来源及选题意义本课题来源于沈阳超高压局沙岭变电站科技项目“高压电气设备绝缘在线监测系统的研制” 。我国曾在 50 年代引进前苏联的电气预防性试验规范，起过积极的作用，但有明显的缺点，一是要中断对用户的供电，二是不能在线及时发现
22、设备的缺陷。从 80年代起，电力部为推广这项技术先后召开了三次电气设备在线测试技术经验交流会，为进一步发展这项技术提出了更深更广的目标和要求，开拓新的诊断方法，为推动电气设备在线监测技术的发展，中国电力设备管理协会会同全国各电力公司对国内外目前技术现状进行了大量的调研工作，获得了许多新的信息，从而提高了在线监测技术的可靠性、实用性，使得传统的计划检修转变到的状态监测，加强了对设备-1-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文故障的预防能力。近年来，随着电器和电力变压器绝缘结构的改进，高压电气设备绝缘在线监测技术的有效性也得到了提高。绝缘在线监测技术已能实现带电监测，即不须中断对用户的供电，直接对高压电气
23、绝缘设备的泄漏电流、介质损耗、等值电容、运行电压、环境温度和湿度进行在线监测，经后台计算机采集数据和自动分析，作出设备能否正常工作的最后评价，提高了高压电气绝缘设备损坏的早期预防能力。设备在工作状态下的绝缘检测和设备停电检测时一样。计算机对测量和分析过程实现自动化，也可由相应的运行人员对试样作定期测量和分析。测量和分析实现自动化不仅能减少运行人员的工作量，而且数据测量周期可以任意选定和比较。传感器是整个在线监测中拾取信号的重要组成部分，它担负着采集信号的任务。在北方地区，由于冬季气温低，传感器的工作条件恶劣，常规的传感器在低温下的测量误差会显著增加。因此研制一种灵敏度好，精确度高，适合于在北方
24、严寒气候环境下监测高压电气绝缘状况的传感器具有一定的理论意义与实用价值。采用在线监测技术可及时而有效地发现、分析和处理高压电气绝缘设备的缺陷和故障，以防止不该发生的设备事故，起到预防性试验因试验周期长，而不能起到的监测作用，克服了预防性试验对设备一个试验周期前后两次停电测试结果进行分析比较的弊端，同时在线监测系统在运行电压下测试，更符合现场运行状态，测试数据可靠，测试方法简便，可对比性高，抗干扰能力强。随着传感技术和计算机技术的高速发展，对高压电气设备实施状态适时在线监测已成为可能。在线监测具有四大优点：1） 能及时发现电气设备运行中的缺陷。2） 减少设备停电维护和修理的盲目性，降低供电成本。
25、3） 能准确反映电气设备绝缘状况，提高电力系统供电可靠性。4） 在线监测设备接线状态固定，避免了大量停电操作和高空拆装引线及临时布置试验场地等带来的不安全因数，避免了繁重劳动，减少了现场试验人员，提高了工作效率，节约了劳动力，增强了人身安全性。从实用角度看，国内目前大量运行的变电站设备先进性较差，可靠性高的变电设备短期内尚不可能普及或大量替换，设备的备用系数较低，对电力设备安全运行的可靠性不能保证。在这个基础上推广绝缘在线监测，就具有十分重要的现实意义。数据的采集作为在线监测的关键技术之一，是能否真实反映设备的运行状况的关键，对数据的采集主要通过传感器，所以对传感器的研究就显得尤为重要。本课题
26、试验地沈阳超高压局沙岭变电站，沈阳属于北方严寒地区，设备的能否正常运行与环境温度有着直接的关系，所以对低温环境下传感器的研究就显得更为有意义。-2-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文高压电气设备的运行可靠性很大程度上取决于其绝缘的可靠性，长期以来，国内对运行设备的绝缘检测一直采用定期停电进行预防性试验，此方法已积累了丰富的经验，并形成了一套绝缘预防性试验规程，各单位据此定期进行设备预试，检出了许多缺陷，收到了较好效果。但是随着东北电网的迅速发展，电网容量的增大，设备数量的急剧增加，特别是近几年来,东北电网积极推行设备状态检修工作，传统的预防性试验方法愈来愈显示出许多不足：1预防性试验设备必须停电，
27、有时停电申请难以批准，试验工作量大；2试验周期较长，有效数据少；3试验电压低，所得数据有时不能真实反映出设备的真实绝缘状态。针对上述情况，沈阳超高压局和东北电科院进行合作研究，积极探索和应用快捷准确的在线监测方法，利用先进的电子计算机技术和传感技术，对变电所的高压运行设备进行实时监测，采集设备的绝缘特征量和状态量，并对采集的大量数据自动进行综合分析或专家诊断, 从而预测设备绝缘可靠性。绝缘在线监测系统能够实现对高压设备运行状态的实时监测，避免了传统的停电预防性试验方法的试验电压低、周期长，很难及时发现设备绝缘缺隐患等缺点，能够及时、准确地检测高压电气设备绝缘状态。它的经济效益体现在检出缺陷，避
28、免事故损失，减少停电时间，节省定期试验费用等方面，因此具有重大的经济效益和社会效益。1.3 绝缘在线监测技术的发展及应用1.3.1 高压电气设备绝缘在线监测技术概述高压电气设备在长期使用中必须保持高度的可靠性，为此必须对设备按照设计的规格进行各种试验和监测。电气设备的绝缘缺陷有一些是制造时潜伏下的，另一些则是运行中在外界因素的影响下发展起来的。外界作用有工作电压、过电压、环境影响（如潮湿、温度等）、机械力、热、化学等。高压电气绝缘设备的老化、失效是一个缓慢发展过程，在电力系统中经常进行预防性试验，及时发现缺陷，可减少许多事故的发生12-15。绝缘的缺陷通常可以分成两大类：第一类是集中性的缺陷，例如悬式绝缘子的磁质开裂；发电机绝缘局部磨损、挤压破裂；电缆由于局部有气隙在工作电压作用下发生局部放电而损坏，以及它的机械损伤、受潮等。第二类是分布性的缺陷，指电气设备整体绝缘性能下降，例如电机、变压器、套管等绝缘中的有机材料的受潮、-3-
