安防之家讯：摘 要：介绍了一种变电站
电气设备污秽泄漏电流在线监测系统
的设计与实现。该系统通过数据采集单元实时在线监测电气设备绝缘子表面的泄漏电流和环
境温、湿度等数据，采用CAN现场总线将数据传到
监控分析系统进行处理，当绝缘子污秽过
度时及时告警，为准确划分污区和实现状态检修提供科学依据。
关键词：污秽；泄漏电流；在线监测
1引言
随着工业生产的迅速发展，大气污秽程度的加剧，沉积在绝缘子表面的污秽层受潮后使电气
设备绝缘能力下降，并常引起变电站的污闪事故。增加绝缘子串中绝缘子的片数和采用耐污绝缘子，在绝缘子表面涂憎水性防污涂料或采用有机合成绝缘子、半导体釉绝缘子，对绝缘子进行定期清扫等措施在实际运行中都有一定的作用，但减少污闪事故的效果仍不理想［1］。究其原因主要是监测外绝缘污秽程度的方法不够全面和真实，使污区分布图污级的划分与实际不吻合，从而导致运行人员对污秽程度了解不够，没有及时清扫造成的。而污区分布图污级的划分与实际运行情况不符的主要原因有两点：其一是未及时修定污区分布图，其二是因停电测量盐密的方法传统、落后，给盐密监测带来很大的不便。
研制一种污秽泄漏电流实时在线监测系统，实时、长期的在线监测电力设备泄漏电流，真实地反映运行中电气设备外绝缘的污秽状况，研究污秽积聚过程，判断污秽达到危险值的时间，总结出合理的报警值，准确划分污秽等级，及时修订污区分布图，给出确定的清扫周期，为现场防污措施提供科学的依据，从而促进电力系统由计划检修向状态检修转变。
2监测原理
污秽绝缘子表面的泄漏电流是指运行电压下受污表面受潮后流过绝缘子表面的电流。它是电压、气候（大气压力、温度、湿度等）、污秽三要素综合作用的结果，是动态参数。
污秽绝缘子表面的污染物如工业污秽、自然盐碱和灰尘等在干燥时是不导电的。但是如果空气中的湿度很高，污染物就会变湿，导电性能就会增强，泄漏电流就会增加。泄漏电流的增加使导电的污秽层被加热，这个热量起两个作用：一个作用是使湿润层变干，从而使泄漏电流降低；另外一个作用是由于污秽中具有正温度系数的电解质的作用使湿润层的导电能力加强。由于污秽层和泄漏电流的不均匀分布，就会形成一些干燥区。这时根据作用电压的大小，表面物理过程的发展是不相同的。大致可以分为几个阶段：起初，干燥区大，单位长度上的电压较低，电场强度不足以使空气电离产生局部放电，这种情况下泄漏电流比较平滑，一般有效值为几百微安。第二个阶段，如果湿度增加或者有过电压产生，使干燥区的电场强度增大到使该区域上的空气电离并发生局部放电，在此时放电电弧具有上升的伏安特性，放电通道的电阻随着局部放电电弧的发展而增大，从而使泄漏电流减小。同时，被电弧短接的干燥区重新变得湿润而恢复导电性，然后放电电弧消失。如果外界条件不变，整个过程将不断重复。这种情况下泄漏电流通常只有几个毫安或几十个毫安，绝缘子在这种情况下是没有危险的。第三个阶段，如果湿度和电压继续增大，局部放电电弧将具有下降的伏安特性，这种局部放电被称为局部闪络，在这种情况下，泄漏电流大约为几百毫安，污闪就可能发生。
图1所示曲线为自然污秽绝缘子交流闪络过程的典型示波图（升压法），从运行中污秽绝缘的监视和预报角度出发，可将其分成三部分（如图1所示）。如果以闪络电压为基准的标么值表示，A点B点的电压标么值分别为0.5和0.9，A点之前称为非预报区，A-B之间称为预报区，B点之后至闪络为危险区。
从示波图可以看出，自然污秽绝缘子泄漏电流的特点是出现在预报区的泄漏电流呈不稳定状态，常以脉冲群出现，并伴有局部的电弧形成和熄灭，预报区的泄漏电流脉冲群幅值多为几十至几百毫安，其宽度常为几个至几十个周波［3］。在闪络前，泄漏电流脉冲幅值迅速增加，且高幅值脉冲的密度也增高。正因为泄漏电流在闪络前具有上述特点，使得通过在线监测绝缘子的泄漏电流幅值和脉冲数及环境参数来估计绝缘子的污秽程度，并在污闪发生之前给出预警成为可能。
3监测系统构成
系统采用两层结构体系，由泄漏电流检测部分、若干数据采集单元、监控分析系统三部分组成，如图2所示。
3.1泄漏电流检测部分
监测系统根据变电站电气设备情况选择不同位置、不同电压等级和不同型号的绝缘子作为泄漏电流的采集点，由于变电站设备相对集中，这些典型的采集点就代表了该变电站电气设备绝缘子的污秽状况。
泄漏电流的采集是利用截流环来完成的。截流环是一只耐腐蚀金属开口圆环，宽度约为10mm，它固定在绝缘子的下部，接地法兰以上约10mm处。为了使截流环与绝缘子表面可靠接触，二者之间涂有一层导电胶。截流环采集的泄漏电流通过耐高温航空线传入电流传感器，然后与大地相连，截流环与电流传感器之间的信号传输线利用金属桡性管可靠屏蔽，减少现场干扰信号叠加到有用信号上。
泄漏电流的变化通常从几十微安到几百毫安，且有高频闪络脉冲电流，因此电流传感器设计和选择时遵循以下原则：线性度好、线性范围宽、敏度高、频带宽、稳定性好、抗电磁干扰能力强等，能将高频泄漏电流复现到数据采集装置的信号输入端。为了满足这些要求，我们与南京某公司经过多次试验合作开发出了一种电流传感器，该传感器在电流大小从100μA到500mA、频率从0.01Hz到100kHz范围内具有足够的线性度，能够满足检测泄漏电流大小和闪络脉冲电流对电流传感器的要求。为了防止高电压通过传感器进入装置，在传感器的原边两端并接小型避雷器，为防止大电流烧坏传感器，从而烧坏监测装置，在传感器的原、副边串接可恢复熔断丝，从而提高系统可靠性。
3.2数据采集单元
3.2.1硬件设计
数据采集装置基于87C196CB硬件平台，其硬件结构框图如图3所示。主要由第二级电流传感器、模拟滤波电路、采样保持电路、多路开关、16位A/D转换器ADS7805、87C196CB微处理器、ROM、RAM、FLASH数据存储器（10M）、硬件时钟电路DS1302、看门狗电路MAX706、打印机接口、CAN通讯回路、大屏幕液晶显示器等部分组成。装置可检测8路泄漏电流（包括有效值和脉冲电流幅值及次数），1路温度量，1路湿度量。泄漏电流信号通过第一级电流传感器隔离放大后由屏蔽电缆送入第二级电流传感器，第二级传感器将电流信号变换成电压信号，经过滤波处理后送入A/D转换器，从而完成数据的采集。由于装置采用了高分辨率的A/D转换器及模拟量刻度的自适应校正，使所采集的泄漏电流精度可达0.5级以上，最小能准确测量10μA。同时为了提高系统的可靠性，装置采取了如下措施：
（1）装置电源采用开关电源，将交流电压经抗干扰滤波回路后，利用逆变原理输出五组直流电源，将模拟电源与数字电源分开，CPU数字电源与通讯电源分开，从而减小由电源引入的干扰；
（2）每个模拟量输入回路均设有瞬变二极管等高电压抑制元件，防止高电压进入装置其它回路；
（3）为了提高系统的抗共模、差模干扰能力，在交流输入回路的前端设有共、差模扼流圈及电容等，使装置抗快速瞬变干扰能力达到4kV；
（4）采用硬件、软件看门狗及非法指令中断等措施。
3.2.2软件设计
在本系统中，数据采集单元软件完成如下功能：(1)实时采集泄漏电流及环境温、湿度等动态参数，并定时存储。定时存储时间间隔可整定为:5min至24h任意档；每次定时录波数据时间为60ms/路；告警录波数据时间为1s/路；各种录波数据经打包后存入10Mflash中，保存时间一年（1次/2h）；(2)泄漏电流越限自动声、光报警，越限定值按每个回路分别整定；(3)泄漏电流波形和有效值自动和手动显示及打印功能。越限自动显示、打印，手动实时显示、打印；(4)越限事件和历史数据追忆功能。越限事件按时间先后顺序显示、打印，历史数据按人工输入的时间段显示、打印；(5)网络通讯功能。采集单元能将各种数据信息通过CAN现场总线与监控系统通讯，通过GSM网络与远方调度中心通信；(6)校时功能。
因此，对于小型变电站，在监测点数小于8点时，一般一台数据采集单元即可完成对污秽泄漏电流的监测；而对于大型变电站，在监测点数大于8点时，则可使用两台或多台数据采集单元即可完成，工程组态灵活。
3.3监控分析系统
后台监控分析系统软件基于Windows2000/98平台，采用VC 面向对象语言编制而成。监测系统软件界面友好，操作方便，具有如下功能：
（1）显示所监测变电站电气设备（以图标的形式，图标可以任意组态）在站中的分布，通过点击图标可以查阅被监测设备相关信息；（2）网络通讯功能。通过CAN现场总线与采集单元交换各种数据信息，通过GSM网络与远方调度系统交换数据信息，供远方信息查阅。（3）记录历史数据和告警数据，并提供各种方式的查询、显示（图表和波形）及打印；（4）记录SOE事件信息（包括监测设备泄漏电流越限告警事件和采集装置本身故障事件）并自动显示和打印信息；（5）事故分析：系统通过对被监测电气设备绝缘子的历史数据信息进行“纵比”，对同一站内其它被监测设备点的数据进行“横比”，利用趋势比较和相对比较相结合的方法，同时结合环境温、湿度等动态参数，实现绝缘子污秽越限的及时分析与报警；（6）显示泄漏电流幅值随时间变化的运行曲线，显示泄漏电流在一定时间段内随温、湿度变化的运行曲线；（7）显示并打印实时波形、历史波形和故障波形；（8）监视通信报文等。
4结束语
在本监测系统的研制与设计过程中，查阅了大量的国内外科技文献，分析和借鉴了大量的绝缘子泄漏电流和污秽闪络的实验数据。监测装置的数据和各种信息可以通过GSMMODEM以SMS的形式传送到调度中心，也可通过CAN总线传送到后台监控分析系统，然后在远传，通讯稳定可靠。在系统的硬件和软件上采取了一系列的抗干扰措施，解决了在变电站复杂电磁环境中准确检测微弱信号的技术难题，从而提高了装置的灵敏度和可靠性。该系统已经通过了型式实验和挂网试运行，并有多套应用到陕西、甘肃、福建等电网，促进了变电站电气设备由计划检修到状态检修的转变，提高了电力系统运行管理水平。
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