容性设备绝缘状态在线监测与带电检测

刘光祺，王科，彭晶，马仪，项恩新，毛传峰

(云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217)

容性设备绝缘状态在线监测与带电检测

刘光祺，王科，彭晶，马仪，项恩新，毛传峰

(云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217)

阐述了容性设备绝缘状态在线监测和带电检测的测试原理及系统结构，并从原理、结构、安装、维护、价格等方面分析了在线监测系统与带电检测系统的优缺点，结合变电站在运容性设备的绝缘状态测试，对比分析了在线监测及带电检测的测试结果，并对在线监测及带电检测系统的实际使用情况进行了调查。

容性设备；介质损耗因数；在线监测；带电检测；谐波分析

0 前言

电力系统容性设备，主要是指绝缘结构为电容型的设备，其高压端对地有较大的等值电容(几百pF～几千pF)，主要包括电容式套管、电容式绝缘的电流互感器、电容式电压互感器、耦合电容器及避雷器等，数量约占变电站设备总数量的40%～50%，其运行状态的好坏直接影响着整个变电站乃至电网的安全运行[1-2]。电力设备在运行过程中受高压、机械、发热、污秽、化学等等各种因素长期作用，引发绝缘性能下降、缺陷滋生；如果潜在缺陷没有被及时处理，缺陷将持续发展导致设备绝缘局部破坏甚至绝缘击穿。据调查，高压电气设备损坏事故中大部分是绝缘损坏引起[3]。对容性设备的绝缘状况进行监测是必要的、有意义的。国内外诸多高校、研究所及商业公司投入了大量的人力对容性设备绝缘在线监测装置进行研究及开发，并已实际投入多地变电站运行[4-6]。

1 容性设备绝缘状态监测

1.1 在线监测

目前我国电气设备的检测工作主要通过预防性试验，根据试验结果决定电气设备的绝缘系统在下一次投入运行前是否需要进行必要的维修，对不同的设备有不同的试验项目和相应的试验周期[7]，然而，预防性试验停电时间长、试验电压低、有效性差，具有一定的盲目性[8-10]。随着电力系统大容量化、高电压化和结构复杂化，对电力系统的安全可靠性指标要求也越来越高。这种传统的试验与诊断方法已越来越不适应[11]。

相比较预防性试验，在线监测无需停电、监测方便；监测时的电压就是设备运行电压，诊断绝缘缺陷的灵敏度高；实时监测，能及早发现设备隐患和绝缘变化趋势；监测得到的大量数据以及对数据的判断分析可以为状态检修提供依据，克服了传统预防性检修的不足，对提高电力设备的运行维护水平、减少停电事故有积极作用[12]。可以看出，高效可靠的在线监测系统能够成为目前预防性试验的有益补充[13]。

1.2 带电检测

在线监测克服了传统预防性检修的不足，但是在线监测系统由于安装复杂、校验困难、维护量大、价格昂贵而难以实现大规模推广。相对于在线监测系统，带电检测系统安装方便、校验容易、维护量小、价格低廉，且具备在线监测的优点，因而近年来得到快速的推广。

2 容性设备绝缘在线监测系统

对于容性设备的绝缘状态监测，目前主要是基于对其电容量、介质损耗因数、泄漏电流值、三相不平衡电流等项目的监测。在实际运行中，电容型设备由于结构上的相似性，可能发生的故障类型也有很多共同点，主要有绝缘缺陷、绝缘受潮、外绝缘放电和金属异物放电等几种类型。对于电力设备绝缘系统的整体性缺陷或较大的集中性局部缺陷，目前主要通过测量其介质损耗因数来发现，因此，对于容性设备绝缘状态检测，主要监测介质损耗因数的变化。

2.1 测量原理

目前，大多数电容型设备在线监测系统采用绝对测量法。绝对测量法是指通过串接在被试设备Cx末屏接地线上以及安装在该母线PT二次端子上的信号取样单元，分别获取被试设备Cx末屏接地电流信号Ix和PT二次电压信号Un，两路信号经过滤波、放大、采样等数字处理，利用谐波分析法分别提取其基波分量，并计算出相位夹角α，从而获得被试设备的绝对介质损耗因数tanδ，测试原理如图1所示。

图1 绝对测量法原理

2.2 介质损耗因数计算方法

从测试原理可以看出，介质损耗因数测量的关键技术是如何准确获得并求取两个工频基波信号的相位差，谐波分析法是目前最主要的软件测量方法[14]。

谐波分析法原理是通过传感器等装置分别测量运行电压和流进试品的电流，再将获得的模拟信号转化为数字信号，然后采用数字频谱分析的方法求出两个信号的基波，进而通过对基波相位的比较求出介质损耗因数。满足狄利克雷条件的运行电压和流过容性设备的电流进行傅里叶级数分解，即：

式中：

U0、I0——电压、电流的直流分量；

Uk、Ik——电压、电流的各次谐波幅值；

φuk，φik——电压、电流的各次谐波初相角。

求解容性设备介质损耗因数的关键就在于去除系统谐波干扰的影响，准确地求得 u(t)，i(t)的初相角。实际获得的u(t)、i(t)是经过离散、量化后的有限长度的离散周期序列，假设分别用x(n)、y(n)表示，以x(n)为例，经离散傅里叶变换可得：

由上式可知，序列x(n)的初相角：

同理，可得到i(t)的初相角，进而求到介质损耗因数。

2.3 在线监测系统结构

容性设备在线监测系统采用分布式结构、就地测量、数字传输，只需在被监测设备上安装本地测量单元 (在线监测装置)，即可实现就地测量，并通过现场总线把监测数据传送到中央监控器 (综合监测单元)。用户 (站端监测单元)利用局域网或电话线可随时获取监测数据和诊断结果。

图2 在线监测系统结构示意图

2.4 实际运用

为研究在线监测数据与停电试验数据的差别，对云南某220 kV变电站在运的电流互感器和10 kV电容器的线监测数据与停电试验数据进行了对比，可以看出，在线监测系统可以准确监测容性设备的介损，但因电容型设备介质损耗因数检测属于微小信号测量，受现场干扰、PT自身角差误差、仪器误差等多种因素的制约[15]，其准确性和分散性与停电例行试验相比较大。因此对于在线监测诊断，除了通过阈值判断设备状态外，应充分考虑历史数据和停电试验数据进行比较，才能对设备状态做出综合判断[16]。

3 容性设备绝缘带电检测系统

3.1 测量原理

目前，大多数电容型设备带电检测设备采用相对测量法。相对测量法是指选择一台与被试设备Cx并联的其它容性设备作为参考设备Cn，通过串接在其设备末屏接地线上的信号取样单元，分别测量参考电流信号In和被测电流信号Ix，两路电流信号经滤波、放大、采样等数字处理，与在线监测系统类似，利用谐波分析法分别提取其基波分量，计算出相位夹角α，从而获得被试设备和参考设备在同相相同电压作用下的相对介损因数：

考虑到两台设备同时发生相同绝缘缺陷可能性较小，因此通过它们的变化趋势，可判断设备的劣化情况，其原理如图3所示。

图3 相对测量法原理

3.2 带电检测系统

容性设备带电检测设备一般由取样单元、测试引线和主机等部分组成，如图4所示。取样单元用于获取电容型设备的电流信号或者电压信号；测试引线用于将取样单元获得的信号引入到主机；主机负责数据采集、处理和分析。

图4 带电监测系统结构示意图

3.3 实际运用

以某220 kV变电站主变套管介质损耗因数检测为例，其在线监测数据与带电检测试验数据如图5。

图5 某220 kV变电站主变高压套管在线监测数据

根据在线监测结果，A相套管介损从2013年7月份起就逐渐增大，且介质损耗增长速度很快；根据带电检测结果，对比2013年6月份与2014年4月份数据，A相套管介损增加0.199%，增长幅度达36.7%。可以看出在线监测与带电检测结果具有一致性，两者结果均显示出该套管可能存在受潮的可能性。因此，带电检测数据可以反映容性设备的绝缘状态变化。需要说明的是，带电检测采用的是相对测量法，在线监测采用的是绝对测量法，因此两者在数字上的差异对比是无意义的，在绝缘诊断时，应结合历史数据对设备状态做出综合判断。

可以看出，带电检测设备结构简单、安装方便、维护量小，克服了在线监测的不足，同时又具备了在线监测的优点，因此具有更好的推广性。

4 结束语

在线监测系统由于在安装、检验、维护、价格方面存在不足，不适于进行大规模推广；而带电检测设备的优势在于安装方便、检验容易、维护量小、价格低廉、测试效果好，具有更好的推广性。根据对在运容性设备的绝缘状态测试结果对比，带电检测与在线监测结果具有一致性，可以反映实际设备的绝缘变化。然而，在线监测系统可以长时间在线监测容性设备的绝缘状态，因此在实际运用时，应依据设备的重要等级来选择安装在线监测系统。

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Application of Online Monitoring and Live Detecting of Capacitive Equipment Insulation

LIU Guangqi，WANG Ke，PENG Jing，MA Yi，XIANG Enxin，MAO Chuanfeng
(Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China)

Introduced the structure and testing principle of online monitoring system and live detecting of capacitive equipment insulation，and analyzed the advantages and disadvantages of online monitoring system and live detecting system from the principle，structure，installation，maintenance，price，etc.Combined of the measurement of capacitive equipment in substation.and contrastive analyzed the results of the online monitoring and live detecting test.Investigated the actual usage of online monitoring system and live detecting system.

capacitive equipment；dielectric loss；online monitoring；live detecting；harmonic analysis

TM76

B

1006-7345(2015)04-0027-04

2015-02-15

刘光祺 (1986)，男，硕士，云南电网有限责任公司电力科学研究院，从事高电压研究工作 (e-mail)23819918＠qq.com。

王科 (1982)，男，硕士，高级工程师，云南电网有限责任公司电力科学研究院，长期从事高电压研究工作 (e-mail) 41872645＠qq.com。

彭晶 (1986)，男，硕士，工程师，云南电网有限责任公司电力科学研究院，从事高电压研究工作 (e-mail)563715547＠qq.com。