容性设备在线监测方法综述

梁静，申文栋

(山西省电力公司晋城供电分公司，山西 晋城 048000)

1 引言

电容型电气设备主要指电流传感器、套管、耦合电容、电容式电压互感器等［1］。在电力系统中应用广泛，主要起功率补偿、整流滤波和过电压保护等作用，电容器性能的好坏直接关系到电网的正常运行。由于高压电气设备损坏事故中大部分是绝缘损坏引起的，因此及时有效地发现绝缘存在缺陷对于保障电网安全具有重要意义。为了确保电力系统电气设备的安全运行，根据过去长期的运行经验及试验研究，逐步确立了一些预防性试验项目，这些预防性试验项目已经发挥过不少积极作用，但是规程要求定期对电气设备停电进行绝缘预防性试验和检修，具有一定的盲目性，造成人力、物力的大量消费，而且还不能及时发现电气设备的绝缘潜伏性故障［2］。

在线监测能利用运行电压对高压设备绝缘状况进行试验，可以大大提高试验的真实性与灵敏度，弥补仅靠定期离线检测的不足之处。随着电子测试技术的进步以及管理水平的提高，对于电力设备的健康状况的判断和维护，已经从预防性检修逐步向状态检修和预知检修的方向发展。在众多的电气设备中，对于容性设备(如电压互感器、变压器套管、耦合电容器等)，其绝缘状况的监测主要基于对其电容量、介质损耗值(tgδ)的监测［3］和绝缘电阻。

2 电容型设备的结构特点及等效电路

2.1 套管

套管是将载流导体引入变压器或断路器等电气设备的金属箱内或母线穿过墙壁时的引线绝缘。瓷套管以瓷作为主要绝缘，电容套管、充油套管则以瓷套作为外绝缘(如图1所示)。

图1 穿墙套管

套管表面电压分布很不均匀，在中间法兰边缘处电场十分集中，极易从此处开始电晕及滑闪放电。同时，法兰和导杆间的电场也很强，绝缘介质易被击穿［4］。

高压套管按其主绝缘结构分类如表1所示。

表1 高压套管按主绝缘分类

套管由于表面有电位降，可以想象沿着此表面有单元电容Cs的串联。同时这个单元电容层对套管导体还存在有互相并联的单元体积电容CV，因为这里同样存在有一个电压降，其他电容相对较小，因此有等效电路(如图2所示)。

2.2 支柱绝缘子

支柱绝缘子是支承高压配电装置母线和高压电器带电部分(如触头)的绝缘支柱，它由瓷柱和上、下金属附件通过水泥胶装而成。目前我国生产的支柱绝缘子绝缘件一般均为瓷件。胶合剂一般是由不低于42.5号的硅酸盐水泥和瓷沙配制的［7］。此外，还有采用硫化石墨胶合剂胶装的。金属附件一般由铸铁制成，表面刷上防锈漆或热镀锌。

图2 套管等效电路图

按外形结构和工作条件的不同，分为户外、户内两大类。户外支柱绝缘子采用带伞的实心圆瓷柱来增加电极间沿瓷表面的泄露距离，以提高湿闪络电压。而户内支柱绝缘子则不需考虑湿闪的问题，多采用空心或实心的圆柱形瓷件和金属附件组成［8］。

户内绝缘子按照结构可分为外胶装、内胶装和联合胶装三种，其中较为常见和使用的是内胶装和联合胶装。

支柱绝缘子的等值电路(如图3所示)。

图3 支柱绝缘子等效电路图

其中，绝缘子本身电容为C，对地电容Ce，对导线电容为Cl，在实际中Ce和Cl两种杂散电容同时存在，其中Ce的影响比Cl要大，所以绝缘子串靠近导线的绝缘子的电压降最大，当靠近地面时，Cl作用显著，电压降又有所升高。

2.3 电压互感器

电力系统中用电压互感器将高电压的信息传递到低电压二次侧的计量、测量仪表及继电保护、自动装置的一种特殊变压器，是一次系统和二次系统的联络元件。

电压互感器按照其绝缘介质分类可分:

(1)干式电压互感器，由普通绝缘材料浸渍绝缘漆作绝缘，多用在500V及以下低电压。

(2)浇注绝缘电压互感器，由环氧树脂或其他树脂混合材料浇注成型，多用在35kV及以下电压等级。

(3)油浸式电压互感器，由绝缘纸和绝缘油作为绝缘，是我国最常见的结构形式，常用于220kV及以下电压等级。

(4)气体绝缘电压互感器，由SF6气体作主绝缘，多用在较高电压等级［9］。

电压互感器按照电压变换原理可分为电磁式电压互感器和电容式电压互感器，当系统中电压等级达到或超过330kV时，电磁式电压互感器由于绝缘结构制约、制造成本大大提高，因此在以上电压等级几乎全部采用电容式电压互感器。它不仅有体积小、重量轻、绝缘结构合理的优点，还可以兼做电力线路高压载波耦合电容器来使用。而在35kV、66kV、110kV电压等级，它虽然价格优势不大，但是具有不与线路谐振的优点，因此也得到使用。但它在准确度和稳定性方面较传统的电磁式还有一些不足［10，11］。

当电容式电压互感器忽略其电磁单元的影响，可以近似把它等效看成一个电容器，其等效电路图应与支柱绝缘子相似，但其各部分对地电容和对导线电容及其参数变化会有不同。

3 介质损耗因数在线监测方法

常见的测量介损方法主要通过硬件和软件两种途径实现［12］。

3.1 硬件方法

也称为直接测量法，主要有过零比较法和基于电桥平衡原理的介损测量方法等。过零比较法和西林电桥法是最早应用在介损测量中的，在前端信号滤波效果很好的情况下，可以达到较高的精度和分辨率。

(1)过零比较法:根据电压、电流信号过零点的时间差或电压、电流归一化后过零点附近两信号幅值差获得信号的相角差［13］。

优点:原理简单、易于实现、测量分辨率高、线性度好。

缺点:对过零点的要求极高，易受硬件的影响，比较器的零点漂移会造成过零点不准，从而带来测量误差，硬件通道延时等对测量精确度的影响也较大。另外，采用高速计数器计数会增加装置的复杂［14］。

(2)西林电桥法:对西林电桥法进行改进，进行数字化处理，同时在系统中用微处理器进行控制，提高了测量的性能。

优点:在前端信号滤波效果很好的情况下，可以达到较高的精度和分辨率。

缺点:硬件处理环节过多，对硬件要求太高，在测量过程中受电磁干扰、谐波干扰等十分明显，会造成较大的误差和分散性［15］。

受基于信号处理的思想的影响，目前可行的方法多为软件方法。软件方法一方面可以减少硬件线路设计的难度和复杂性;另一方面则能利用算法固有的精确性来提高计算结果的精度。

3.2 软件方法

也称为信号重建法，主要以谐波分析法为代表，它根据i、u的采样数据重建正弦信号，再由波形参数求得φ，如正弦波参数法、高阶正弦拟合法和相关系数法，谐波加窗改进法等［16］。

(1)正弦波参数法:该算法用基波去逼近信号，将基波幅值看成变量，基波频率看成常量，高次谐波看成干扰，根据最小二乘法或三角函数的正交性来获得介质损耗角［17］。

优点:该方法原理简单、实现容易、计算量小。

缺点:需要获得基波信号的频率，另外，正弦波参数法应用了三角函数正交性，但正交性仅在和满足整数倍时才成立。因此，应用正弦波参数法时，需要相应的硬件同步采样卡。

(2)高阶正弦拟合法:非同步采样条件下测量介损的算法，考虑到实测数据可能包含直流和谐波分量，所以它以直流分量幅值、基波频率、基波和谐波分量的幅值和初相角为优化对象，用高阶正弦模型来拟合i、u的采样数据［18］。

优点:在一定程度上解决了非同步采样的问题。

缺点:采用最小二乘拟合法在多数情况下并不能获得问题的全局最优解，同时，高阶正弦拟合法实际上是一种迭代的数值计算方法，即使进行简化该算法的计算量仍然很大，只适用于在工控机上完成计算，而无法用于单片机或微处理器系统［19］。

(3)相关系数法:相关函数法利用自相关函数和互相关函数经过一定的算式计算介质损耗角。

优点:相关函数法只要求整周期采样，未具体要求采样点数。可以简化硬件设计，并且可以较好地解决FFT在非整周期采样时的频谱泄漏问题。

缺点:对前置的带通滤波器有较高的要求，在非整周期采样时容易产生较大误差［20］。

(4)谐波加窗改进法:介质损耗值计算中的谐波分析，通常都是通过快速傅立叶变换实现的。然而，在数据采集时，即使采样频率满足奈奎斯特定理，但如果不是同步采样，就将带来泄漏效应及栅栏效应，为了减少谐波间的相互干扰，从而进一步提高了计算精度，引入谐波加窗。Blackman－Harris窗作为一种余弦窗，在频域的卷积运算简单易行，因而有利于插值公式的推导和改进［21］。

优点:算法通过加Blackman－Harris窗在很大程度上抵消了非同步采样导致的频谱泄露和栅栏效应，抗谐波干扰，即使在非同步采样下该方法计算所得的介损仍具有很高的精确度［22］。

缺点:如果电网频率不是采样频率的整数倍，计算出的介损值仍会有较大的误差。

4 其他在线监测方法

4.1 泄露电流和电容量的测量

泄露电流一般也会用来作为在线监测电容型设备，它可以发现一些尚未完全贯通的集中性缺陷。然而测试现场环境复杂，强电磁场交互作用，从而使测试信号极易受到强电场的干扰，导致测试结果不准确。因此要求信号采集和传输设备具有较高的稳定性和抗干扰性。

电容量的测量是根据泄漏电流和采集的母线电压换算得到的。国内泄漏电流和电容量在线监测装置数据准确、稳定，可以满足现场需要。

文献［23］介绍了根据三相容性设备泄漏电流和的变化量来判别设备的绝缘状态的基本原理和方法:对称三相系统电压对称平衡，且同组设备的参数完全一致时，其泄漏电流之和为零。而一般三相设备的参数不可能完全一致，故三相泄漏电流和总是存在的。可以认为设备泄漏电流的变化主要是由其电容的变化决定的，因此它也可作为一种在线监测的方法。

这一方法，其测量结果易受多方面因素的干扰，如:三相电压波动或不平衡、系统频率及三相测量电路漂移、信号中的谐波成分等等。

4.2 局部放电的在线监测

目前已较多的采用电气法和超声法相结合，并乐于用多探头同时进行检测，以提高在线监测的准确性，而且还有可能对设备内部的局部放电进行大致定位。但是干扰问题仍比较严重。除此之外，还有油中气体含量的监测，基于红外技术的在线监测等方法。

文献［24］指出，基于介损的在线监测几乎是判断容性试品故障的最有效的依据，而其他诸如局放，超声测量法，油中溶解气等方法并不能保证单一的有效判断出容性试品的故障，但是在一定的故障情况下，可以作为判断的一个辅助依据。

5 电容性设备在线监测的信号取样位置

系统的泄漏电流取样由电容、套管或支柱绝缘子等容性设备的接地线上的小电流传感器取得，采集设备末屏的电流信号非常微弱，一般为mA级。而电压采样信号分别由三相电压互感器的二次侧提取。信号取得(如图4所示)。

图4 信号取样位置图

6 电容性设备的常见故障

套管:套管的表面电压分布很不均匀，在中间法兰边缘处十分密集，如果恰逢末屏接触不良则很易从此开始电晕及滑闪放电。另外，由于高压套管的制造工艺的原因，以及设备老化等的影响，在运行中可能发生套管内部电容屏发生击穿从而产生贯穿性的导电通道，从而使套管出现裂纹，严重时还可能出现套管爆炸的恶性事故。

支柱绝缘子:高压支柱绝缘子大多安装在户外，经受着日晒、雨淋、气候变化及化学物质的腐蚀。因此，正常运行时，很容易发生湿闪和污闪，从而造成系统的对地短路。另外，由于高电压等级的支柱绝缘子通常较高，受机械应力的影响，在运行了一段时间之后，由于老化等因素还可能造成绝缘子的断裂。

电容式电压互感器:CVT在运行过程中经常会出现故障，根据事故统计，40%的事故是在运行中电容器发生爆炸，26%的事故是电磁单元在运行中绝缘损坏造成击穿［31］，其他诸如二次侧电压下降以及失压等也较为常见。其中很大一部分是由于CVT本身制造质量不佳致使铁芯气隙变化，从而引起的电容部分击穿，另有一些由于安装错误引起谐振，导致设备的故障。除此之外，系统中常出现的匝间短路及外部短路也是导致CVT损坏的一个重要原因。

7 结语

应用绝缘在线监测系统可实时掌握变电站高压设备的绝缘状况，对提高设备的运行维护水平，及时发现事故隐患，减少停电事故有着积极的意义。

本文对现有的介损监测方法和其他方法进行了详细的分析比较，介绍了各自的原理和性能，指出了容性设备常见的故障，说明了当前的高压电容设备在线监测方法仍需要继续改进和提高。

［1］陈维荣，宋永华，孙锦鑫.电力系统设备状态监测的概念及现状［J］.电网技术，2000，24(11):12 －17.

［2］龙锋，王富荣，李大进，等.容性设备介质损耗因数在线监测方法及误差分析研究［J］.电力科学与工程.2004，19(3):19 －21.

［3］严璋.电气绝缘在线检测技术［M］.西安:水利电力出版社，1995.

［4］邱志贤.高压绝缘子的设计与应用［M］.北京:中国电力出版社，2006.

［5］周泽存，沈其工.高电压技术［M］.北京:中国电力出版社，1988.

［6］严璋.高电压绝缘技术［M］.北京:中国电力出版社，2003.

［7］GB/T 722—2005.高压绝缘子瓷件技术条件［S］.

［8］GB8287.1—1998.高压支柱绝缘子［S］.

［9］凌子恕.高压互感器技术手册［M］.北京:中国电力出版社，2005.

［10］王乐仁.电力互感器检定及应用［M］.北京:中国计量出版社，2009.

［11］高压电器原理和应用［M］.北京:清华大学出版社，1989.

［12］朱德恒，谈克雄.电气设备状态监测与故障诊断技术的现状与展望［J］.电气设备，2003，4(6):1 －8.

［13］蔡国雄，甄为红，杨晓洪.测量介质损耗的数字化过零点电压比较法［J］.电网技术，2002，26(7):15 －18.

［14］李泽文，曾祥君，覃丹，等.基于FPGA的容性设备介质损耗在线测量系统［J］.电力系统自动化，2006，30(12):92 －96.

［15］陈天翔，张保会，陈天涛，等.基于电桥平衡原理的高准确度在线测量［J］.高电压技术，2005，31(1):42 －44.

［16］王瑞闯，肖仕武.容性设备介质损耗在线监测方法的研究及几点建议［J］.电力电容器与无功补偿，2009，30(4):44 －50.

［17］柴旭峥，关根志，文习山，等.tanδ高准确度测量的加权插值FFT算法［J］.高电压技术，2003，29(2):32 －33，3.

［18］王微乐，李福祺，谈克雄.测量介质损耗角的高阶正弦拟合算法［J］.清华大学学报(自然科学版)，2001，41(9):5 －8.

［19］袁旭龙，冯小华.改进保留非线性算法在介损测量应用中的研究［J］.高电压技术，2005，31(3):39 －40.

［20］王楠，律方成，李燕青，等.相关函数法计算容性设备介质损失角正切［J］.华北电力大学学报，2001，28(3):22 －25.

［21］刘剑.容性设备分布式绝缘在线监测系统及介损值算法研究［D］.湖南:湖南大学，2004:14 －15.

［22］吴艳辉，陈勇.基于C8051F060的容性设备介损因数在线监测系统［J］.电力科学与工程，2008，24(9):59 －63.

［23］金之俭，黄结成.三相泄漏电流和的变化反映容性设备的绝缘状态［J］.高电压技术，2001，27(6):12 ～13.

［24］孟源源，徐长响，严璋.从Bradley报告看容性设备在线监测方法的有效性［J］.高电压技术，2003，29(6):32 －35.

［25］赵汝国.500 kV电容式电压互感器电容值及介损值的现场测试［J］.电力电容器，2007，28(3):46 －47.

［26］BradleyDan A.Detection of imminent failure of oil filled current transformers final report［R］.Vancouver，WA:bonneville power administrator engineering and technical services，1999.

［27］Meyer Y.Wavelets Algorithms＆ Application［M］.Society for Industrial and Applied Mathematics.Philadelphia，PA:SIAM Press，1993.

［28］陈卫东.变压器在线监测系统的现状研究与应用探讨［J］.中国电力教育，2009，(S1).

［29］王楠，陈志业，律方成.电容型设备绝缘在线监测与诊断技术综述［J］.电网技术，2003，27(8):72 －76.

［30］Mallat S G，W L.Singularity Detection and Processing with Wavelets［J］.IEEE Transactions on Information Theory，1992，38(2):617 －643.

［31］VUJOVIC D P，FRICKERRK，EHRICH J A，et al.Development of an on － line continuous tgδmonitoring system//Conference Record of the IEEE International Symposium on Electrical Insulation.Junes5 － 8，1994.Pittsburgh，PA，USA.Piscataway，NJ，USA:IEEE，1994:50 －53.

［32］Kulikov G V.Influence of Harmonie Interference on Noise Immunlty of a Correlation MFK Demodulator.Radiotekhnika，2002(7):42 －44.

［33］电力变压器 GB 1094.3 －2003［S］.