基于动态基准源的新型容性设备介质损耗测试研究

魏东亮，王植，张熙，陈江添，李顺尧，徐卫东，刘从聪，杨淼

(1.广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞523000；2.武汉启亦电气有限公司，湖北 武汉430000)

采用电容屏绝缘结构的电容型设备，其数量在变电站电气设备中占比较大，约占设备台数的40%～50%[1-3]，一旦发生绝缘故障，将严重影响变电站的安全运行，引起局部乃至全部地区停电，甚至危及人身安全[4-5]。判断电气设备绝缘状况的一种直观有效方法是测量介质损耗角[6-9]，介质损耗角正切值tanδ反映了设备绝缘功率损耗大小[10]，表征容性设备的绝缘状态优劣；因此，容性设备在线监测的核心是对介质损耗因数的测量[11-12]。

容性设备介质损耗值测量装置一般采用绝对测量法或相对测量法。绝对测量法是采用绝对参考电压和被测设备电流的测试方法，有其固有的弊端，如电压互感器(voltage transformer，VT)角差的影响[13-16]，使介质损耗值的测量精度降低，同时，测试环境的变化如温度、电压、负荷、湿度、运行方式等外部环境波动，也会影响测试结果[17-19]。文献[20]在大量在线监测数据的积累上，研究和分析VT角差、电磁场干扰、运行方式和下雨情况对电流互感器(current transformer，CT)介质损耗值测量的干扰。相对测量法采用同相、同类设备作为参考，测量和计算其他设备的介质损耗值，可以排除VT的误差影响，同时消除环境等因素对所有设备的同向干扰，使测试数据更稳定，从而更真实地反映容性设备的绝缘状态，做出正确判断[17]。文献[21]分别采用相对测量法和绝对测量法对CT进行多次测量，并对2种测量数据进行分析和比较，验证了相对测量法的稳定性优于绝对测量法。

基于相对测量法的介质损耗测量仪主要采用单一固定的基准源，此做法的弊端是当基准参考设备选取不当或参考设备自身介质损耗变化时，将大大影响最终测量结果的精度。同时，现有文献主要从定性的角度出发，研究容性设备绝缘故障情况下的故障定位方法。文献[4]以相对测量法为基础，利用3δ准则，通过相对介质损耗的历史监测数据来确定介质损耗的正常变化范围，然后根据相对介质损耗值变化向量来确定故障台数，进而对故障设备进行准确定位。文献[22]提出根据阈值诊断法和模糊诊断法来判定设备间的相对状态，建立了多台设备的故障矩阵，并给出故障诊断规则。然而，对于容性设备在非故障情况下或介质损耗变化较小时，如何得到各个设备的介质损耗最优测量值，以及基准设备的选取方法，鲜有文献进行论述和研究。

为此，本文研制一种采用动态基准源数据分析的测试装置，依据该分析算法，装置在实时监测中动态选取介质损耗变化最小的设备作为基准，从而得到各个设备的介质损耗最精确值，可以避免采用单一固定基准源所带来的弊端，并且在容性设备发生故障时，可较为简便、快速地定位故障设备，相较于故障矩阵迭代算法，具有计算简单、直观的特点。

1 相对测量法原理

选取容性设备1为参考设备，设备2为待测设备，I1为参考设备的参考电流，I2为被测设备的测试电流。根据投产试验或停电试验可以得到参考设备1的介质损耗值和电容值，对于参考设备1来说，其介质损耗tanδ1和电容值C1为已知量。图1所示为相对测量法介质损耗向量图，其中：I1为参考电流，其介质损耗角为δ1；I2为被测电流，其介质损耗角为δ2；IR为阻性电流分量；IC为容性电流分量。根据参考电流I1和被测电流I2的基波信号幅值及相位夹角Δδ，得到被测设备的相对介质损耗差值Δtanδ和电流幅度比值I2/I1，再依据式(1)和式(2)得到被测设备2的介质损耗值tanδ2和电容值C2，如下：

Δtanδ=tanδ2-tanδ1≈tan(δ2-δ1),

(1)

C2/C1=I2/I1.

(2)

图1 相对测量法介质损耗向量图Fig.1 Dielectric loss diagram based on relative measurement

传统相对测量法一般采用单一的基准源作为参考，使用参考设备1最近1次停电试验(或投产试验)数据作为参考数据。由于基准源固定且单一，若基准设备1从停电试验到在线监测这段时间内，其介质损耗值增长较大，此时仍以该设备为参考时，换算得到其他设备的介质损耗值，将导致较大误差，误差与基准设备的介质损耗增长量正相关。

2 基准设备介质损耗值变化对测试结果的影响

基准设备从停电测量(或投产试验)到在线监测的这段时间内，其本身的介质损耗值变化，将对其他被测设备的测量结果产生较大影响，影响整个测试精度。

设备1和设备2停电测试(或出厂测试)时，其介质损耗值分别为tanδ1和tanδ2。设备运行一段时间后，参考设备的电流为I′1,其介质损耗角δ′1，被测设备电流为I′2，其介质损耗角为δ′2。以相对测量法监测得到设备1和设备2的电流I′1和I′2的相角分别为φ′1和φ′2。以设备1为基准参考，基于相对测量法，设备2介质损耗角的测量值

δ′2s=δ1+φ′2-φ′1.

(3)

考虑到基准设备1从停电测试到在线监测这段时间内，存在自身的介质损耗角增长量Δδ′1，所以设备2的介质损耗角真实值

δ′2r=δ1+φ′2-φ′1+Δδ′1=δ′2s+Δδ′1.

(4)

因此设备2的介质损耗真实值δ′2r与以相对测量法得到的测量值δ′2s存在如下关系：

(5)

工程上，一般采用多次停电测试结果较为稳定的设备x作为基准参考设备，即认为Δδ′x≈0，使得测量得到的其他设备n介质损耗测量值δ′ns接近真实值δ′nr。然而实际中，从停电测试到在线监测的这段时间内，Δδ′x可能增大而不能忽略为0，这将使得设备n的介质损耗测量结果偏离其实际的真实值，偏离程度与Δδ′x大小正相关。图2、图3和图4所示分别为在基准设备1介质损耗值不变、微增以及剧增情况下，对被测设备2测量结果的影响。

图2 基准设备1介质损耗值不变对设备2测量结果的影响Fig.2 Effect of unchanged dielectric loss value of reference device 1 on measuring result of device 2

图3 基准设备1介质损耗值微增对设备2测量结果的影响Fig.3 Effect of slightly increased dielectric loss value of reference device 1 on measuring result of device 2

图4 基准设备1介质损耗值剧增对设备2测量结果的影响Fig.4 Effect of sharply increased dielectric loss value of reference device 1 on measuring result of device 2

图2中，基准设备1的介质损耗角未发生变化，即Δδ′1=0，此时设备2的介质损耗测量值等于介质损耗真实值，得到的测量值反映了设备2的真实情况。

图3中，基准设备1介质损耗角微增，即Δδ′1>0，使得设备2的介质损耗测量值小于真实值。

图4中，基准设备1绝缘失效引起介质损耗值剧增，使得Δδ′1较大，此时：

a)若Δδ′1>δ′2r-δ2时，根据式(4)，可以得到设备2的测试值δ′2s将小于上次停电测试(或出厂测试)的结果，反映设备2的绝缘情况越来越好，实际上，这点不符合设备特性；

b)若Δδ′1继续增大，当Δδ′1大于设备2的实际值δ′2r时，根据式(4)，得到δ′2s<0，这点不符合逻辑。

由以上分析可以得到，采用单一基准源的相对测量法，基准源设备的介质损耗变化将引起其他被测设备测量值的误差，误差大小与基准源介质损耗变化量正相关，且误差较大时，会出现设备绝缘越来越好或介质损耗为负的错误结论。鉴于此，需要引入动态基准源数据分析，以避免单一基准源带来的较大误差。

3 采用动态基准源的新型介质损耗测试方法

采用动态基准源的新型测试方法，依次以各个设备为基准，得到不同基准下各设备的测量值，进一步分析和处理这个值，可以判断各设备介质损耗变化量的相对大小。动态选取介质损耗变化量最小的设备作为基准，从而得到介质损耗最精确值，因此可以有效避免采用单一固定基准源带来的较大误差。

具体而言，对于变电站内n台被测容性设备，可以得到其停电时每台容性设备的最近停电测试(或出厂测试)介质损耗值矩阵[tanδ1tanδ2tanδ3… tanδn]，通过同步采样每个容性设备的泄漏电流，并进行数据处理，得到泄漏电流幅值矩阵[I′1I′2I′3…I′n]和相角矩阵[φ′1φ′2φ′3…φ′n]。以设备1为基准时，可以计算得到其他各设备的介质损耗测量值矩阵[tanδ′1tanδ′2tanδ′3… tanδ′n]。依此类推，分别以设备2、设备3……为基准，可以计算得到不同基准设备介质损耗测量值矩阵为

(6)

而由第2章的分析得到，各设备的介质损耗真实值矩阵为

(7)

对于设备1而言，无论以哪个设备为参考，其介质损耗真实值都是相同的，因此矩阵中的第1列有如下关系：

tanδ1+tan Δδ′1=tan(δ2+φ′1-φ′2)+

tan Δδ′2=…=tan(δn+φ′1-φ′n)+tan Δδ′n.

(8)

由式(8)可知，若以设备x为基准得到的设备1介质损耗测量值大于以其他设备为基准得到的设备1的介质损耗值时，即tan(δx+φ′1-φ′x)最大，使得

tan(δx+φ′1-φ′x)≥tan(δy+φ′1-φ′y),

y∈{1,2,3,…,n}.

(9)

根据式(8)和式(9)，可知设备x自身的介质损耗变化量最小，因此选择设备x作为基准，可得到设备1介质损耗最精确值。依此方法类推，可以得到其他设备最优介质损耗值，从而得到各个设备的介质损耗最精确值为

[tan(δx+φ′1-φ′x) tan(δx+φ′2-φ′x)

tan(δx+φ′3-φ′x) … tan(δx+φ′n-φ′x)].

理论上，各设备所选取的基准设备应该是同一个设备。考虑到实际情况中，测量和算法误差的影响，可能有基准设备的选择出现不统一的情况，为了基准设备选择的统一性，建立如下算法：

a)对于式(6)介质损耗测量矩阵的每一列数据而言，该列的每行数据由大到小进行排序和赋值，最大赋值为N，由大到小依次赋值为N，N-1，…，2，1；因此，介质损耗测量矩阵可以进一步处理得到排序矩阵，根据测量的情况排序矩阵可能为

(10)

b)对上述矩阵的每行相加，得到列向量为

(11)

其中[S1S2S3…Sn]为式(10)的n×n排序矩阵每一行元素值相加之和。

c)比较这个列向量的每一个值，最大值Sx对应的设备x即可动态选为基准设备。

上述算法实现简单、高效，可动态选择基准设备，适合嵌入式系统的使用。根据基准设备x可进一步计算出其他各设备的介质损耗值，即为介质损耗最精确值，将该值结合检修试验规程的门限规定，用于判别设备绝缘状况优劣。

4 仿真分析

为了验证上述算法的有效性，在实验室内进行人工模拟，建立4个RC并联支路，模拟变电站4个电容型设备，通过调节电阻值和电容值，即可调节各设备介质损耗值大小。为降低测量误差的影响，将设备的初始介质损耗值调整为略高于一般的正常水平(但未失效)，使其分别为0.39%、0.12%、0.44%、0.23%，再继续调节各个并联支路的电阻值，模拟容性设备运行若干时间后介质损耗的增长。对于3号设备，进一步增大其介质损耗，模拟此设备失效的状态，得到4个设备的实际介质损耗值为0.58%、0.25%、5.65%、0.39%。

此时，依据相对测量法，采集各个RC支路的泄漏电流，建立动态基准源数据的介质损耗值测量矩阵为

(12)

将上述数据进一步整理，结果见表1。

将上述计算值减去实际值，得到不同基准下各个设备的测量误差，绘制成图5。通过对比图5中曲线可知：以2号设备为基准时，各设备的误差最小 (-0.13%)；以3号设备为基准时，误差最大(-5.21%)。各设备的误差主要来自于基准设备其自身介质损耗值的增长，因此同一基准下各个设备的误差基本相同，且等于该基准设备的介质损耗增长量。

图5 容性设备仿真试验误差曲线Fig.5 Error curves of simulation test for capacitive equipment

进一步分析误差曲线和表1数据得到：

a)以1号设备为基准时，计算得到2号设备的介质损耗值为0.06%，小于其停电测试初始值(0.12%)。当1号基准设备的介质损耗增量tan Δδ′1大于2号设备的介质损耗增量tan Δδ′2时，得到2号设备绝缘越来越好的错误结果。

b)以3号设备为基准时，1号设备介质损耗测量值为-4.63%。当3号基准设备介质损耗增量tan Δδ′3大于1号设备的实际介质损耗tanδ′1，将得到1号设备测量结果为负值的错误结果。

c)依据第3章的算法，排序列向量中第2行S2最大，即以2号设备为基准时，得到各设备测量值大于以其他设备为基准得到的测量值，因此选用2号设备为基准较为适宜，并可得到各设备的介质损耗最精确值[0.45% 0.12% 5.52% 0.26%]。同时，根据DL/T 596—1996《电力设备预防性试验规程》中规定的CT的tanδ限值(66～110 kV为1%)，可判定3号设备故障。

5 采用动态基准源的新型容性设备介质损耗测试装置的研制与测试

图6所示为采用动态基准源的新型介质损耗测试装置示意图。该装置监测同一母线、同一相内的多个容性设备的泄漏电流，由通信主机、数据分析后台和多个泄漏电流测量单元组成。其主要参数为：①电流测量范围1～999 mA，测量误差小于±(0.1%读数+0.01 mA)；②电容测量范围100～50 000 pF，测量误差小于±1%读数；③介质损耗测量范围0.001～0.3，测量误差小于±(1%读数+0.001)。

表1 容性设备介质损耗仿真数据Tab.1 Simulation data of capacitive equipment dielectric loss %

图6 采用动态基准源的测试装置Fig.6 Test device using dynamic reference source

泄漏电流测量单元采用就地测量模式，得到各设备的泄漏电流大小和相位。测量单元使用型号为HCT-1(80)AH的穿心式互感器感应泄漏电流，该互感器精度达到0.1%，线性度为0.05%，角差变化小于5′，精度温度漂移小于(5×10-6)，角差温度漂移小于5′/℃，具有精度高、可重复性好等优点。测量单元通过内置无线模块接收无线通信主机发送的同步信号进行高精度采样，并将采样信号通过快速傅里叶(fast Fourier transform，FFT)变换后，得到各设备泄漏电流的大小和相位。各测量单元将测量结果以无线方式发送至通信主机，通信主机将全站数据汇总至数据分析后台。最后，后台采用动态基准源的新型测试方法，得到各设备介质损耗的最精确值。泄漏电流测量单元内部信号传递示意图如图7所示。

图7 泄漏电流测量单元内部信号传递示意图Fig.7 Internal signal transmission diagram of leakage current measuring unit

图8所示为使用该装置对东莞供电局某220 kV变电站内电容式电压互感器(capacitor voltage transformer，CVT)进行介质损耗在线监测的现场测试图。为了对该装置和算法进行测试和验证，于2019年8月16日，采用12个在线监测单元分别对东莞供电局某220 kV变电站内的4组CVT设备进行相对介质损耗的检测，并通过无线通信主机接收和处理采样信号，得到表2中的数据。

图8 某220 kV变电站CVT介质损耗在线监测图Fig.8 Field on-line monitoring of dielectric loss of CVT in a 220 kV substation

将上述CVT设备的介质损耗历史值导入至装置后台，并开启算法进行计算，得到各相介质损耗的测量最精确值。其中，主机监测到2号CVT的A相介质损耗值为4.26%，B相为0.13%，C相为0.12%。A相存在较大绝缘缺陷的可能，于2019年8月17日申请停电复测，停电复测结果A、B、C相介质损耗值分别为4.24%、0.13%、0.13%，与本装置在线监测结果差别不大，说明该装置在线测量的有效性和精确性。立刻对A相进行检修，之后恢复正常。同时，为了验证其他CVT设备介质损耗测量值的准确度，分别在2019年12月2日、12月25日、2020年3月3日对其他3组CVT设备(1号、3号和4号)进行停电测量，得到停电测试下的介质损耗值，将其作为介质损耗真实值，用于验证数据结果。将以上数据进行整理，得到表3。

表2 CVT相对介质损耗测量表Tab.2 Measurement table of relative dielectric loss of CVT %

表3 CVT相对介质损耗验证数据Tab.3 Relative dielectric loss data %

将表3中不同基准下的测量值减去真实值，得到不同基准下各个设备的绝对误差值，将误差绘制成曲线，分别得到图9各CVT设备的A相误差曲线图、图10各CVT设备的B相误差曲线图和图11各CVT设备的C相误差曲线图。由误差曲线图可以看出，A、B、C三相分别选取4号CVT的A相、3号CVT的B相、4号CVT的C相为基准参考设备时，各设备误差最小。

根据历史停电测试数据和表2，建立各单元介质损耗测量值矩阵。采用动态基准源分析算法，将选择介质损耗变化最小的设备为参考，根据第3章所述算法，A相排序列向量中S4=16为最大值，B相中S3最大，C相S4最大；因此，该装置的测试结果是：对于A相，将选取4号设备作为基准参考；B相选取3号设备为基准参考。C相选取4号设备为参考，由此得到各设备介质损耗最精确值。

图9 CVT设备A相误差曲线Fig.9 A phase error curves of CVT equipment

图10 CVT设备B相误差曲线Fig.10 B phase error curves of CVT equipment

图11 CVT设备C相误差曲线Fig.11 C phase error curves of CVT equipment

由表3可以看出，采用动态基准源进行分析计算所得到的介质损耗值较为接近真实值，可以选择介质损耗变化最小的设备作为基准设备。对于A相来说，以4号设备为基准时其他单元介质损耗测量值最大，而以2号设备为基准时其他单元介质损耗测量值最小，说明在A相的4个CVT中，4号自身的介质损耗变化量最小而2号最大。同样，对于B相和C相，分别选用3号和4号设备为基准，可以得到各CVT设备的介质损耗最精确值。

在传统的单一基准源方法中，若正好选用2号设备为基准时，会导致较大的误差，误差与2号的介质损耗增长量有关。以其为基准时，计算其他单元的A相介质损耗值为负值，与本文第2章的分析一致。

再次停电测试得到各CVT设备的介质损耗真实值，与在线测量的介质损耗最精确值进行比对和分析，发现误差相对最小，且选取的基准设备介质损耗变化最小，从而验证了该装置采用动态基准源分析测量和计算介质损耗值的有效性。该装置测量得到的介质损耗最精确值后，根据试验规程DL/T 596—1996等的规定，对设备绝缘优劣性能进行判断，对绝缘劣化的设备及时维护，可有效保障电力设备的安全。

6 结束语

本文研制了一种采用动态基准源的新型容性设备介质损耗测试装置，该装置可根据在线监测数据，建立介质损耗值测量矩阵进行数据分析，动态识别和选择介质损耗变化最小的设备，将其作为基准源，从而得到各个设备的介质损耗最精确值，最终根据检修试验规程的限值判断设备绝缘状况优劣。该装置的算法可以有效克服单一基准设备介质损耗较大增长量对测量结果带来较大误差，相比传统基于单一基准源的相对测量法，具有更高的准确度。仿真研究和实例测试结果验证了该装置和方案的有效性、准确度和实用性。