容性设备介质损耗在线检测及误差

穆亚明

(云南电网公司玉溪供电局，云南 玉溪 653100)

1 前言

电容型设备主要指电流互感器、套管、耦合电容器、电容式电压互感器等，在电力系统设备构成中占相当大的比重，这些设备的安全可靠是实现整个电力系统安全运行的基础，而高压电气设备损坏事故中很大一部分是绝缘损坏引起的。绝缘材料的介质损耗角正切 (tan δ)是反映高压电气设备绝缘性能的一项重要指标，通过测量tan δ可以发现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［4］。对容性设备tan δ在线检测能在实际运行电压下对高压设备绝缘状况进行试验，增加了试验的真实性，弥补仅靠定期停电检测的不足之处，具有非常重要的意义。在现场实际检测中，可以通过采用基准设备比较法来消除或减小相间耦合及环境温、湿度因素、TV角差变化对其测量结果的影响，对在线检测试验数据的真实性和有效性也可以通过纵向或横向比较的方式进行分析进而判断运行设备的绝缘状况。

2 介质损耗在线检测的原理

2.1 在线检测的基本原理

电介质在电压作用下都是有能量损耗，包括电导引起的损耗和极化过程引起的损耗。在交流电压作用下，电介质等值电路及向量图如图1所示。

在等值电路，可得:

图1 电介质等值电路及向量图

从公式 (2)可知介质损耗与外施电压、电源频率、介质电容C和介质损耗因数tanδ成正比。而当外加电压、频率一定时，介质损耗仅与介质的等值电容和介质损耗因数有关，对于被试设备来说等值电容是一个定值，因此tanδ就完全反映了介质损耗情况。

在向量图中电压、电流夹角的余角就是介质损耗角。对于无损耗的理想介质，介质损耗角δ为零，电压与电流夹角为π。由于实际运行的容性设备并非理想介质，故此流经末屏的电流与容性设备高压端电压的相位差将＜π/2，介质损耗角δ也就不可能零。

2.2 介质损耗在线检测方法

由于介质损耗角δ就是流经容性设备的电流和运行电压的向量之间夹角的余角，电流和电压两个参量都可以通过传感器在运行现场测得，因此目前国内外电容型设备的在线检测都采用了这个原理。从电容、套管或TA等容性设备的地线处的电流传感器获取被测设备的泄露电流I，而通过电压传感器获取电压的方式有两种，一种是直接从电压互感器二次侧获得与加在被测设备上的电压同相的电压U，一种是采用电流传感器检测容性设备的泄漏电流，通过有源积分电路将电流信号重构成电压信号。

图2 tan δ在线监测原理图

3 误差分析及方法选择

3.1 误差分析

1)相间干扰:电力系统属于三相系统，相间存在着耦合，因此在线检测A，B，C，三相电容型设备时，会产生相间干扰，使得介损损耗因数A相偏大，B相基本不变，C相偏小。相间干扰对测量数据的影响程度取决于流经绝缘的信号电流大小，信噪比越高，相间干扰影响就越小。电容型设备末端电流信号一般为毫安级，相间干扰电流为微安级，基本是可以忽略的。

2)系统谐波的影响:电压谐波对介质损耗因数测量影响较大，必须采用低通滤波器滤除高次谐波，将三次谐波含量控制在1%以内。

3)电压互感器角差的影响:作为相位基准信号，电压互感器角差的变化会引起介质损耗因数的测量误差，而运行电压、频率和负载的变化会引起电压互感器的相角差的改变。在电网电压和频率允许的变化范围内，角差的变化小于1’，影响是可以忽略的，但负载阻抗变化所引起的角差变化是影响介质损耗因数准确性的主要因素。角差变化对同一相位基准的所有设备介质损耗因数测量的影响相同，可以通过同一相位基准设备间介质损耗因数值相对变化情况进行区分［2］。

4)电网频率波动的影响:电网频率的波动影响信号整周期采样，用离散傅立叶变换 (DFT)时会出现栅栏效应和泄漏效应，使相位产生较大的误差，影响测量的精度。

5)环境温度和湿度的影响:环境湿度会改变设备表面的电场分布，影响介质损耗因数测量值。同时，绝缘材料的介质损耗因数与本身的温度也有关系。

3.2 测量方法的选择

测量电容型设备的介质损耗有如图3所示的两种测量方式。容性设备在线检测仪采用了先进的数字鉴相技术，具有较强的自我校验功能，可排除母线谐波分量造成的影响［1］。但并未消除运行电压、TV基准电压、相间耦合及环境温、湿度等对测量结果的影响，尤其是TV二次负载的变化会引起电压互感器的相角差的变化，对测量结果的影响很大。

对应用同一TV电压作为基准的多台设备在相同负荷和环境条件下，二次负载阻抗变化所引起的角差变化也相同，对同相设备的介损测量结果影响相似，测量数据有同时变化的特征，如果取其两差值，可消除TV电压基准的影响。同理，相间耦合及环境温、湿度等其它因素的影响也可采用基准设备比较法消除，其诊断结果的可靠程度好于直接测量法。

图3 电容型设备介质损耗在线检测方式

4 基准设备比较法

基准设备比较法的原理是同一母线下，同一相、应用同一电压基准测量的多台同类型设备，它们的绝缘结构相似处于相同的运行条件和环境条件下，各种因素对同相设备介质损耗因数测量结果的影响相似，测量数据有同时变化的迹象。如果设备绝缘状况良好，则测试结果基本相同，如果测量数据有明显差异，则其中某台设备的绝缘状况可能出现异常。运行经验及研究结果表明，在线检测电气设备周围电磁环境的复杂多变，虽然采用基准设备比较法可将干扰因素的影响减弱，但要获得真实可靠的在线测试结果，仍需要通过纵向或横向比较的方式来判断运行设备的绝缘状况。

4.1 测试数据真实性分析

电压采集来自同一变电站同一母线电压，通过基准设备比较法在线测量所得介质损耗的差值是真实的试验数据。

4.2 测试数据有效性分析

1)纵向比较:从在线检测的数据看，测试结果无论是介质损耗差值还是电容比值都没有发生明显的变化，可以认为测量数据是有效的。

2)横向比较法:通过在线检测与停电测试数据的比对，计算后在线检测的数据无论是介质损耗还是电容值都没有发生明显的变化，误差值都在可接受的范围内，可以认为在线检测得数据是有效的。

5 结束语

通过采用基准设备比较法进行在线检测的介质损耗因数以及电容量数据，排除无实际意义的数据后，通过横向、纵向比较后可以知道在线检测与停电预试定检的测试的误差值在可接受的范围内，说明在线检测与停电预试定检试验数据具有等效性，能够满足容性设备绝缘在线检测的实际要求。

［1］RCD－1B容性电气设备带电测试测试装置使用手册 (第5版)［Z］.北京圣泰实时电气技术有限公司，2008，11.

［2］陈安伟，董国伦，胡文堂.输变电设备状态检修［M］.北京:中国电力出版社，2012(5):29，91－92.

［3］DL/T 474.3－2006，现场绝缘试验实施导则介质损耗因数tanδ 试验 ［S］ .

［4］唐炬，刘明军，张晓星，等.基于虚拟仪器的电容性设备介损在线监测系统［J］.重庆大学学报 (自然科学版)，2007(3).

［5］杜林，刘伟明，司马文霞，等.基于容性设备泄漏电流的电网电压测量方法［J］.电力系统自动化，2008，10.