基于自激原理的非接触CVT介质 损耗测量方法

邓旭东 温元喜 魏 钢 姚 林

（国网重庆市电力公司检修分公司，重庆 400039）

电容式电压互感器（CVT）已有五十多年的发展历史，在72.5～1000kV 电力系统中得到广泛应用，CVT 能否正常运行直接影响到整个电力系统的稳定性。据电力系统实例统计，因设备绝缘性能老化导致的绝缘故障约占总故障率的50%以上[1]，因此评估CVT 绝缘状态对电网系统的正常运行有着十分重要的意义。目前最常见的评估方法则是通过测量CVT 介质损耗参数tanδ判断绝缘老化的程度，分析其绝缘性能。

介质损耗测量方法可以分为传统测量法和现代测量法。以电桥测量法为代表的传统介损测量方法，因其操作过程复杂、易受人为因素影响、接线有高压危险、受电场干扰引入较大误差等限制了其应用。随着微电子技术和数字信号处理技术的发展，涌现出一批采用不同变换处理技术为代表的现代测量方法[2]，自由轴法、相位差法、过零点电压比较、谐振分析法等的应用提高了测量精度。国内外也有设备研制公司开发了高性能的自动测量仪，比如济南泛华电子研制的 “AI-6000 自动抗干扰精密介质损耗测量仪”，扬州宝应设备厂研制的“BC2690B 抗干扰介质损耗测试仪”，在测量的准确性和可靠性上都有了较大提高，但在干扰较强时仪器的可重复性不高，有时出现测试不准确等问题[3-4]。英国开发的“DELTA-2000 全自动介质损耗测量仪”，美国Doble公司的“M4000 全自动绝缘测试仪”由于价位较高也限制其推广应用[5-9]。在CVT 介损测量方面，上述方法和设备的应用也都有局限性，存在受电磁场干扰较大，可重复性不高，在实际测量时存在不安全等因素。

为改善CVT 介损测量方法，提高测量精确度，本文提出了一种非接触式CVT 介损测量方法，基于自激法原理通过非接触式测量平台对CVT 各部分电容的电压电流波形同步采样，并由无线WIFI 模块将所测得电参量传输至PC 端，在LabVIEW 软件平台上用谐波分析法进行电压电流信号的处理并计算得出介质损耗参数tanδ。该方法有高压隔离，安全系数高，抗干扰能力强等特点，并且能可视化所测得电压电流波形，便于判断绝缘材料介损参数变化情况。

1 方法及原理

1.1 CVT 结构特点

电容式电压互感器（CVT）由电容分压器和电磁单元两部分组成[10]，其电气原理图如图1所示。分压电容器由高压分压电容C1和低压分压电容C2组成。电磁单元的中间变压器T 的中压连线分有、无引出线两大类。T 和补偿电抗器L、阻尼电阻Z在C2下面的油箱内共同组成一基本电容分压器单元。

图1 CVT 电气原理图

CVT 在运行中容易出故障的部分表现在介损值、电容量超标，为保证合格设备投入使用、保证电网安全稳定，根据《试验规程》要求[11]，高压电容C1和低压电容C2的电容量、tanδ和中间变压器的tanδ是需要准确测量的参数。

1.2 介损测量原理

在交流电压的作用下电介质产生一定能量损耗，这部分损耗称为介质损耗或介质损失[12]。电介质并联或串联等值电路中，电压与电流向量之间的夹角的余角δ，即为介质损耗角，如图2所示。

图2 电介质的等值电路与相量图

本文介绍的介损参数tanδ计算方法是基于傅里叶级数的选频特性的谐波分析法，基本思想是将时域信号变换为频域信号，在频域上采用幅度、频率和相位、频率方式表示[13]。设施加于被测设备上的电压为u，流过该设备的电流为i，分别将其进行傅里叶级数分解，可以表示为

式中，U0、I0分别为电压电流的直流分量；Ukm、Ikm分别为电压、电流的各次谐波幅值；αk、βk分别为电压、电流的各次谐波相角（k=1，2，3，…∞）。容性试品的电流超前电压π/2，其介质损耗角的正切值为：

式中，α1、β2分别为电压、电流的基波相角。由于在介质损耗测量中测得的介质损耗角是在基波情况下的值，因此使用谐波分析法只需要求得电压、电流中的基波分量，通过三角函数的正交性计算得出准确的tanδ。以被测电压信号为例，设被测电压信号的周期为T，一周期采样点数为N，即采样时间间隔为T/N。当均匀同步采样一个周期，可以获得一系列数值将其表示为{Uk}=U0,U1,U2,…,UN-1，离散化后系数P0、P1为

求得电压信号基波的幅值和初相角分别为

同理，离散化后系数Q0、Q1为

求得电流信号基波的幅值和初相角分别为

介质损耗角为

1.3 非接触式测量平台

介损测量主要是测得试品的电压电流值，再经过数据处理分析得出介损值。本文引入了一种非接触式检测方法，借助于无线检测平台，如图3所示，该平台由检测系统和无线传输系统两部分组成，测量时由检测模块利用电压电流传感器测量电参量，然后通过无线传输模块将所测电参量传输到PC 端，通过计算机软件进行数据分析处理，得出所需结果。

图3 非接触式电参量无线检测平台

检测模块所采用的是基于电场耦合原理的D-dot 电压传感器和基于巨磁效应的GMR 电流传感器。通过传感器检测被试设备的电压电流波形，并将数据传送至无线模块1，通过无线WiFi 将数据传输至无线模块2。无线传输模块是建立在专用无线数据传输系统（433MHz 频段和2.4G 频段）或借用CDPD、GSM、CDMA 等公用网信息平台进行无线传输的一种模块，主要由发射器，接收器和控制器组成[14]。本设计采用的是STR-30 系列微功率无线数传模块，具有微发射功率、传输距离远、实现智能数据控制等优点。

2 介损测试

电容式电压互感器的高压电容C1部分是由C11、C12两节耦合电容与分压电容C13串联而成，低压部分主要是C2。而电网中使用最广泛的是C2和C1连在一起，中间没有电压引出端子但有中间变压器相连的CVT。传统的介损测量方法是利用电桥平衡的原理通过正接线或反接线实现C11、C12的测量，通过自激法实现C13、C2的测量。自激法是以CVT 的中间变压器作为试验变压器，从二次侧施加电压对其进行激磁，在一次侧感应出高压作为电源来测量C1和C2的电容及介损[15]。本文在自激法的基础上将非接触式测量技术加以应用，如图4所示，通过电压电流传感器测量电容C1、C2的电压电流波形，由测控终端通过无线传输至PC 端进行信号的处理和数据的计算，最终就可以得到相应的电容和介损值tanδ。

图4 非接触式介损测量原理图

2.1 CVT 中C1、C2 的介损测试

由于B 点未引出，试验电压无法直接加到B 点，因此要用电磁单元升压。根据CVT 结构原理，CVT自激法试验电压的选择主要需考虑试品绝缘安全、二次激磁绕组容量、二次激磁绕组过流、串联补偿电抗器过流等因素。文献[9]综合分析以上几个方面后，认为试验电压的选择范围一般是2～4kV。中间变压器高压侧的额定电压通常是10kV 左右，但在测量电路中考虑到分压电容器低压端N点的对地1min 工频耐压仅4kV，所以中间变压器低压侧加压时应使其高压侧电压＜4kV，可取为2.5kV。由于CVT 中C2的电容值要大于C1的电容值，为了测量的准确性和减少电磁场干扰带来的误差，引入了标准电容CN并考虑到σ端绝缘电阻C1C2CNRσ的影响[10]。

自激法测C1的接线图如图5所示。测控终端用变频输出自激法加压，A 点接信号端子，加于C1的电压（即B 点电压UB）由σ端子引至标准电容的高压端。

图5 测量C1 时的原理图

自激法测C2的接线如图6所示，当计算出C1的电容和介损值时，可以当作标准电容来使用，C1和标准电容CN串联，C1将影响CN支路的电容介损，由于影响不大，一般可以忽略不计。同测试C1一样，通过测得C2的电压电流波形可以计算出C2的电容值和介损值。

图6 测量C2 时的原理图

PC 端软件程序是以LabVIEW 开发软件作为开发平台设计的，由LabVIEW 编写的在线检测系统软件部分拥有良好的人机交互界面，操作简单，功能齐全。由硬件测量电路采集到的C1、C2电压电流数据经无线WiFi 模块发送至PC 端，然后由LabVIEW软件编写的UDP 数据接收模块进行数据的接收，再将数据输送至相应模块的分析、处理和计算，最后，采集数据的波形及相应的分析数据的结果将在可视化的界面上显示。获得电压电流波形后，通过谐波分析法计算出基波的幅值和相初相角，最终得到介质损耗正切值tanδ。并由式（13）可以对电容值进行计算：

式中，u(t)、iC(t)分别是相应电容的电压电流时域分量。利用PC 端的软件程序可以计算出CVT 各部分电容器的电容值。同时，PC 端软件程序也通过UDP端口向测控终端的硬件电路发送指令，实现对电压电流测量的控制和测量参数的修改。得到的波形数据也将通过相应模块保存于计算机存储空间中，以便再次查询。

2.2 试验测量

在搭建了非接触式测量平台后，本文对某变电站的一台220kV 2 母线CVT 进行了介损测试，试验电压为2000V。通过检测平台测量到的C2电压电流波形如图7所示，在可视化界面可以准确获得电压电流的各部分参数，便于进一步计算。

图7 测量C2 电压电流波形图

经过多次测试，CVT 三相电容器的介损值和电容值见表1。可以看出，三相之间变化不大，C2电容值明显高于其余电容值，且介损值可以作为评判其绝缘状态的有效参数。

表1 CVT 各部分电容器的介损值和电容值

3 结论

针对电容式电压互感器的结构特点，基于自激法 的原理对CVT 进行电压电流波形的同步采样，测得在2kV 电压下各部分电容器的电参量信号，实现了电压电流波形的非接触式检测，并无线传输至PC端，获得介质损耗参数。

通过试验证明，非接触式介损测量方法能有效检测电容式电压互感器的介质损耗参量tanδ，可视化电压电流波形，无线传输增强了抗干扰能力，提高了介损测量的可信度，为智能电网的发展又提供了一种电压电流检测的新思路。

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