容性设备多渠道状态评价方法研究

施涛 王清波 邹璟 王朝宇 方勇 路智欣 段永生

摘 要：本文首先分析了高压容性设备的电气等效方法，并介绍了介质损耗的原理。容性设备介质损耗测试方法包括四类在线监测法和离线预防性试验法，在资源有限的情况下给出带电测试法（绝对法和相对法）的重要性。提出了基于离线补充法的闭环在线介质损耗测试，通过算例分析得出该方法可以形成对容性设备的闭环控制，提高设备的运行维护效率。

关键词：介质损耗;在线监测;离线预防性试验;闭环控制

0 前言

电气设备的安全可靠是实现整个电力系统运行的基础，而电气设备（尤其是高压设备）损坏事故很大一部分是绝缘损坏引起的，因此及时发现设备的绝缘缺陷对保障电网安全运行具有重要意义。电容型设备介质损耗测试方法有在线监测法和离线预防性试验法。

在线监测法能利用运行电压对高压设备绝缘状态进行试验，从而大大提高试验的真实性与灵敏度，弥补紧靠定期离线监测的不足，对实现从定期检修转向状态检修具有非常重要的意义[1-12]。目前离线预防性试验法是电容型电力设备绝缘诊断的主要手段[13]，即根据电力设备预防性试验规程的规定，定期地对停电的电容型设备进行试验，然而，随着对供电可靠性和试验数据准确性要求不断提高，预防性试验暴露出问题越来越多，高压电容型设备介质损耗在线监测的地位越来越突出，介质损耗在线监测又不可能完全代替离线预防性试验，本文针对上述矛盾，综合在线监测法和离线预防性试验法的优点，提出了离线补充法的在线介质损耗测试，并通过算例分析得出离线补充法的在线介质损耗测试在实际工程应用中具有重要的应用价值。

1 高压电容型设备介质损耗分析

如图1.1为高压容性设备的电气等效图，（a）图为套管等效电路，套管由于表面有电位降，可以等效成沿着此表面有单位电容Cn的n个电容串联而成。同时这个单位电容层对套管导体还存在有互相并联的单元体积电容Cv1、Cv2、…、Cvn;R为套管有功功率损耗对应的等效电阻。当电容式电压互感器忽略其电磁效应的影响，其等效电路与支柱绝缘子等效电路相似，只有对应的参数不同。如（b）图为支柱绝缘子和电容式电压互感器的等效电路，绝缘子本身电容由Cn1、Cn2、…、Cnn串联而成，相应的单元对应的对地电容为Ce1、Ce2、…、Cen，对导线电容为Cv1、Cv2、…、Cvn;R为相应有功功率损耗对应的等效电阻。（a）和（b）等效电路可以用戴维南等值电路等效，C为戴维南等效电容，R为戴维南等效电阻。

2 介质损耗测试方法

2.1 在线监测法

介质损耗因数在线监测的方法有四类：一类是改进在线测量方法，包括综合相对测量法和绝对测量法，通过研究表明综合相对测量法较绝对测量法准确性高;第二类是改进在線测量软件计算方法;第三类改善硬件电气参数提取能力，提高介质损耗因素测试的精确度;第四类是计划带电试验法。其中前三类采用1个中央监控器（SV）和若干个设备测量单元（DE）

构成系统，实时监测设备的介质损耗，如图2.1所示。提高测量单元数据精度的方法有三种，第一种是采用高精度的恒角差的微电流传感器技术，第二种是提高测量单元的数据采集能力，第三种是改进数据的处理算法，如采用海宁加权插值快速傅里叶变化FFT算法对采样信号进行处理，从而降低了介质损耗因数在线监测的误差。在用快速傅里叶变化FFT求出电压、电流信号基波傅里叶系数时，考虑到FFT的泄露效应和栅栏效应，采用加多项余弦窗算法对FFT进行修正，进一步提高了测量单元的准确性。

实时监测系统存在的问题是建设成本巨大，在中国很多供电局并没有建设相应的监测系统，而是采用第四类计划带电测试法，计划带电测试法分绝对法和相对法。绝对法是指测量时需要选取电压参考信号作为介损电桥的标准信号，电压信号一般在电压互感器二次侧获取，测量同一母线下的容性设备。相对法是指选取同一母线下的某台容性设备参数作为标准值，比较其他容性设备的介损值，如图2.2所示，Cx为被试品电容，Cn为标准电容值，In为参考信号输出电流值，Ix为被试品电流输出值。（a）图为绝对测量法的接线原理图，（b）图为相对测量法的接线原理图，相对法的判断依据如下：

按计划临时布置在线介损测试系统，这种方法投资成本少，缺点是不能实时监测介损，当发现设备异常时，必须安排停电，采用离线补充试验法，确认设备是否继续投运。

2.2 离线预防试验法

离线预防试验法就是根据设备运行时间，按计划停电对设备进行试验，掌握设备的运行状态并做出投运或退出评估。电容型设备介质损耗预防试验法有正接法、反接法，其原理接线如图2.3所示，图中Cx为试品电容，In为被试品电流输出值，     为检修电源电压。正接法的优点是试品两端对地绝缘，电桥处于低电位，试验电压不受电桥绝缘水平限制，易于排出高压端对地杂散电流对实际测量结果的影响，抗干扰性强。反接法的缺点是测量时电桥处于高电位，试验电压受电桥绝缘水平限制，高压端对地杂散电容不易消除，抗干扰性差。

其中电容式电压互感器（CVT）由于无中间抽压端子，无法使用常规的正接法、反接法测量C11、C2电容及介损值。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C11、C2的电容及介损值，其原理接线图如图2.4所示，图中1a、1n、2a、2n、3a、3n、da和dn为电压互感器的二次端子，T为铁芯，Z为da、dn之间的保护电抗，X为接地端，Ix为试品电流值，Cn为标准电容，C12和C13为互感器的其他电容，这两个电容采用反接法测量，Ux和Un分别为平衡电桥输入电压。

3 离线补充法的在线介质损耗测试

离线补充法是指设备经过在线测试后，发现异常后对相应设备停电，采用离线预防试验法复试，最终确定设备是否投切，离线补充法实施的流程如图3.1所示。

从图3.1可以看出，加大在线监测的力度，可以提高工作效率和设备从定期检修转向状态检修的重要意义，而离线预防性试验可以补充在线监测法的缺陷，形成对容性设备状态的的闭环控制。

4 算例分析

某供电局2013年03月14日，试验员工按计划对某变电站临时建立了带电介质测试系统，在对220kV某线路电流互感器C相电流互感器测试时，发现介质损耗因素 相对2012年在线监测数据增长5陪，而上次对该设备停电预试时间为2010年07月16日。如图4.1、4.2所示，3是带电测试电容和介损对应的曲线，从曲线3可以看出，带电测试得到的是一个点的值，135kV对应的电容量为950.2pF，介损为1.254，可以初步断定该电流互感器C相有严重绝缘劣化趋势。1是离线预防性试验法得出的绝缘劣化时电容和介损随电压的变化曲线，2是离线预防性试验法得出的绝缘正常时电容和介损随电压的变化曲线。当电压为135kV时，对应的电容量为949.2pF，介损为1.225，按规程规定，判定该设备已经处于绝缘劣化，通过进一步试验，将设备投入正常电压下运行，8天后设备绝缘击穿并发生漏油，该设备被淘汰。从图中可以看出，绝缘劣化与绝缘正常的曲线增长速度直接反应了设备的绝缘状态，绝缘劣化时电容和介损随电压的增长速度很快，反之侧很慢。

通过上述分析，在线监测可以及时的发现容性设备的绝缘劣化趋势，而离线预防性补充法可以进一步验证设备的劣化问题，为检修提供坚实可靠的判定。

5 结束语

本文分析了容性设备介质损耗原理及其对应的等效电路，在此基础上分析了四类在线监测法、三种离线预防性试验法。综合在线监测法和离线预防性试验法的优点，提出了离线补充法的在线介质损耗测试，并通过算例分析得出离线补充法的在线介质损耗测试在实际工程应用中具有重要的应用价值。限于文章篇幅，未对在线监测法和离线预防性试验法的具体算法做详细的研究。

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