基于电容分压的容性设备介损测量系统

高志国

(辽源供电公司 电力设计院，吉林 辽源 136200)

0 引言

变电站中包含大量的电容型设备，比如电流传感器、电容式电压互感器、耦合电容器和套管等，这些电容型设备占变电站所有设备的40%～50%，因此，其安全运行就直接关乎整个电力系统的安全运行。传统的变电站设备的定时检修(Time Based Maintenance)具有试验周期长、试验强度大和较低的有效性等不足，状态监测 (Condition Based Maintenance)[1～3]凭借其运行成本低、设备运行效率高以及可以改善电能质量等优点，已成为取代定时检修的必然趋势。状态检修的前提是实现在线监测，通过监测得到的各电气设备的信息，对其进行综合处理和分析，然后针对分析结果对设备的可靠性做出相应判断。

电容型设备的介质损耗角的正切值tanδ(即介损)是反映电气设备绝缘功率损耗大小的一个重要的参数，通过分析介损角及其变化情况，可以判断电气设备是否存在绝缘缺陷。正常的情况下，现场的干扰很容易使介损角测量出现误差，严重时会导致测量失去意义。因此，研究电容型设备的在线监测问题，最主要的课题就是对其测量精度的研究。

目前，领域内的介质测量方法主要包括两类:“硬件”方法和“软件”方法。例如，以过零比较法[4]为代表的硬件方法和以谐波分析法[5]为代表的软件方法。这些方法各有特点，但都不同程度的受到一些干扰、误差等的影响。本文对当前介质损耗的监测方法的测量精度问题进行了研究，指出了影响测量精度的因素，最后提出了一种新的介质损耗的测量方法。该方法通过在容性设备末屏串联分压电容来提取电压信号，硬件设计简单，对直流成分和零点漂移的影响起到抑制作用，同时，还可避免传感器角差和比差的干扰，从而提高测量精度。

1 介损测量方法

对容型设备介损的测量必须是高电压、小电流以及小角度的高精密测量，这就对工作提出了更高的要求，尤其得保证测量的有效性，否则介损测量不准确甚至测量失去意义。介损测量的方法可通过硬件和软件方法实现。

1.1 硬件测量方法

通过硬件方式实现介损的测量方法，主要有西林电桥法和过零比较法[4]。不少学者对硬件测量方法进行了改进，但是总体来说硬件方法的实现比较困难，易受环境因素、电力系统谐波等干扰因素的影响，所以，目前容性设备介损测量主要采用以软件方式实现的方法。

1.2 软件测量方法

软件方法主要是对波形进行分析，由硬件来完成数据采样，通过不同的方法处理干扰和谐波的影响。鉴于该方法的灵活性，适宜广泛推广。该类方法主要有谐波分析法[5]、离散傅里叶变换 (DFT)或快速傅里叶变换 (FFT)及其改进算法[6，7]、相关函数法[8]和高阶正弦拟合法[9]。

2 影响系统测量精度的相关问题分析

电力设备的在线监测系统，不可避免地受到一些因素的影响。在容性设备在线监测介损测量中，传感器提取的信号非常微弱，因此如何消除或减小干扰因素的影响，是容性设备在线监测的一个重要课题。

2.1 传感器本身的影响

为了实现电容型设备的绝缘情况的在线监测，必须有效提取电容型设备的末屏电流信号。由于此信号非常微弱，因此作为提取电流信号的传感器，其自身存在的问题影响着容型设备介损的测量。

尽管采用有源传感器[10]可以提高信号的信噪比，有效减少激磁磁势的影响，但在实际操作过程中，由于现场环境较差、干扰较多，在线监测系统由于长时间运行，使得传感器的角差和比差的稳定性有所下降。为了解决这些比较突出的问题，本文提出采用分压电容的绝对测量方法，减小传感器角差和比差的干扰影响。

2.2 电力系统谐波的影响

电力系统中包含较多的谐波分量，而且这些分量随时都在发生变化。不论是谐波的频率、波形的畸变率还是谐波的初相角，对介质损耗角的测量都有较大影响[11]。为了减小谐波对测量的影响，通常采用模拟低通滤波器或带通滤波器来实现滤除高次谐波，但模拟滤波器总是存在一定的相位漂移，不同的模拟滤波器的滤波性能不容易完全相同，并且经过滤波环节后信号相移有所不同，这就会产生相位漂移，从而导致介损测量精度不够精准。因此，可以考虑利用数字滤波器，使得测量电压信号和电流信号的两条支路拥有共同的数字滤波环节，避免相位漂移的出现。

2.3 相间干扰的影响

电力系统A、B、C三相相间存在耦合，在线测试三相高压电容性试验时，会出现相间干扰，最终使得介损角A相增加、B相基本不变、C相减小。相间干扰严重与否取决于试品电流的大小，当主电流大于相间干扰电流时，其相间干扰的影响可忽略不计;当主电流小于相间干扰电流时，必须考虑其影响。电容型设备从末屏得到mA级的电流信号，相比于干扰电流的A级而言，可忽略不计。在故障诊断时，采用的相对比较法，可以认为相同条件下运行电压对同相设备的影响也相同，并且相间和相邻设备的影响是固定的，在通过差分计算和加减之后，剔除了同类设备中存在的同类型干扰，从而避免相间干扰的影响。

2.4 PT角差的影响

电压信号一般都是从母线PT处采集的，随着PT二次负载的变化，电压信号会引起相应的角差变化，进一步影响介损的测量精度，一定情况下会使得介损测量出现负值。此外，实际运行过程中，PT角差会受到运行电压、频率以及负载变化的影响，其中测量角差的误差主要包括激磁支路引起空载误差和负荷支路引起的负载误差，而相差角的变化会引起介质损耗因素的误差。

2.5 环境的影响

容性设备在线监测的测量精度会受到周围环境温度和湿度的影响，当被测设备周围环境发生变化时，介质损耗因素的测量结果会受到一定影响。

大量研究表明，一般在－40～60°C温度范围内油纸绝缘的tanδ变化不明显;而当环境温度超过60°C时，tanδ便随温度升高而增加。

湿度对容性设备介质损耗的测量精度也存在较大的影响。如果容性设备长期处在湿度较大的环境中，会使绝缘受潮，导致介损tanδ的测量偏大。这是由于相对过大的空气湿度，会使绝缘表面出现低电阻支路，进而对测量造成空间干扰。

2.6 零点漂移的影响

实际测量介损tanδ时，零点漂移和波形畸变常会导致信号过零点的偏移，影响了介损测量的精度[13]。当发生系统接地不当的情况时，信号会发生零点漂移的现象，同时可能出现信号正负半周大小不相等的情况。若两路信号零点漂移的程度不同，就容易产生较大的测量误差。可以通过采用正确的接线方式来解决这个问题。

2.7 其他因素的影响

在线监测结果还受相邻设备、操作方式及运行电压等因素的影响。在线监测得到的数据经常会受到某些不确定因素的干扰，以致会出现虚假点，对数据分析造成很大的影响，因此，在绝缘诊断前，需要对在线监测所得的数据进行预处理，剔除这些虚假点，比如通过一阶差分法、Turkey提出的53H[14]等。基本思路为:根据正常状态下在线监测数据及实际测量值确定其变化规律，若不符合认为是虚假点，并用相应的内插值代替。

3 介损测量的新方法

上一节介绍了影响介损测量精度的一些主要的因素，尽管目前的一些方法不同程度的考虑到如何减小或消除这些因素的影响，但其仍然存在一定的问题。本文在对影响介损测量精度的因素进行研究的基础上，提出一种基于电容分压的绝对测量方法。

基于电容分压的绝对测量方法，其工作原理为:分别提取高压母线的电压U和套管末屏分压电容的电压信号U1，再通过计算二者之间的夹角的正切值 (记为tanφ)，从而近似得到介损 tanδ的值。其测量原理如图1所示。

图中:C为高压容性设备对地的主电容;C1为末屏传感器等值电容。由图可知，当C≪C1时，tanφ≈tanδ，计算公式为:

图1 基于电容分压的绝对测量法Fig.1 Absolute measurement based on capacitive divider

因此，通过选择合适的末屏传感器等值电容C1，利用式 (1)计算公式可以间接求得介损值tanδ。

通过图1电路得到母线电压U和经分压的电压U1后，再进一步通过运放进行信号的放大、低通滤波器滤除谐波干扰，而后进行信号相位的比较，得出准确的结果，系统原理的框图如图2所示。

图2 系统原理框图Fig.2 System block diagram

(1)放大单元

差分放大单元用来消除共模干扰，程控放大单元对信号进一步预处理。

(2)数字滤波器

模拟滤波器存在一定的相移及非线性，多个模拟滤波器的滤波性能不易做到完全相同，经过滤波环节后信号相移不一样，这样会带来相位漂移，而测量介质损耗因数却是要精确得到两路信号的相位差以求解介质损耗因数。

本文采用数字滤波器进行滤波。滤波器一种特殊的点阻滤波器，一个理想的点阻滤波器在需消除的信号频率点处，频率特性为零;而在其他频率点处，其值等于1，如图3所示。合理设计滤波器，可以有效滤除掉电网中的谐波成分。

图3 数字陷波器频率响应特性Fig.3 Frequency response characteristic of digital trap

(3)过零比较单元

过零比较器对滤波、放大后的信号进行整形将其变为方波，便于下一步进行信号相位计算。

(4)信号相位计算

计算两个方波信号的相位差，从而算出介质损耗 tanδ。

需要注意的是为防止套管末屏开路以及测量回路过电压，需要设计合理的保护电路来保证测量的精度。

同时，通过对影响介损测量精度的因素及对介损各种测量方法的研究，笔者认为采用该方法，并结合相对比较法和趋势提取的方法，来减小环境温度、湿度等因素的影响，可以进一步提高测量精度。

4 介损测量模拟实验

介损测量模拟实验原理如图1所示。实验中需要注意的是，对于采用不同的电压传感器，会导致信号存在角差，因此需要对传感器信号进行校正。通过模拟实验，对电压传感器加以相同的信号，测出电压和电流两者的角差，作为角差的修正量，测量结果如表1所示。

表1 电压固有角差Tab.1 Voltage angular difference (°)

对于本文提出的测量方法，测量系统中加入了不同的数字滤波器，对傅里叶滤波和IIR滤波器滤波的结果进行了对比，结果表明采用IIR滤波器的相位一致性比傅里叶滤波要好。在测取容型设备介损值时，经IIR数字滤波器滤波后的介损值也更加准确，实验结果如表2所示。

表2 介质损耗因数值测得结果Tab.2 Measurement results of dielectric loss factor value

5 结论

本文简要介绍了介损测量方法的两种方法，即“硬件”方法和“软件”方法，分析了两类方法的优点和缺点并进行了对比。而后对影响介损测量精度的因素进行了详细研究。在对这些干扰因素和方法研究的基础上，为了进一步减小和消除干扰因素的影响，提出了一种基于电容分压的容性设备在线监测介损测量方法，给出了该方法的原理框图。该方法硬件设计简单，可有效抑制直流成分和零点漂移造成的影响，又可避免传感器角差和比差造成的干扰，能够较好地满足实际工程的需要，模拟实验验证了该方案的有效性。