容性設備絕緣狀態在線監測與帶電檢測

劉光祺，王科，彭晶，馬儀，項恩新，毛傳峰

(云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217)

容性設備絕緣狀態在線監測與帶電檢測

劉光祺，王科，彭晶，馬儀，項恩新，毛傳峰

(云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217)

闡述了容性設備絕緣狀態在線監測和帶電檢測的測試原理及系統結構，并從原理、結構、安裝、維護、價格等方面分析了在線監測系統與帶電檢測系統的優缺點，結合變電站在運容性設備的絕緣狀態測試，對比分析了在線監測及帶電檢測的測試結果，并對在線監測及帶電檢測系統的實際使用情況進行了調查。

容性設備；介質損耗因數；在線監測；帶電檢測；諧波分析

0 前言

電力系統容性設備，主要是指絕緣結構為電容型的設備，其高壓端對地有較大的等值電容(幾百pF～幾千pF)，主要包括電容式套管、電容式絕緣的電流互感器、電容式電壓互感器、耦合電容器及避雷器等，數量約占變電站設備總數量的40%～50%，其運行狀態的好壞直接影響著整個變電站乃至電網的安全運行[1-2]。電力設備在運行過程中受高壓、機械、發熱、污穢、化學等等各種因素長期作用，引發絕緣性能下降、缺陷滋生；如果潛在缺陷沒有被及時處理，缺陷將持續發展導致設備絕緣局部破壞甚至絕緣擊穿。據調查，高壓電氣設備損壞事故中大部分是絕緣損壞引起[3]。對容性設備的絕緣狀況進行監測是必要的、有意義的。國內外諸多高校、研究所及商業公司投入了大量的人力對容性設備絕緣在線監測裝置進行研究及開發，并已實際投入多地變電站運行[4-6]。

1 容性設備絕緣狀態監測

1.1 在線監測

目前我國電氣設備的檢測工作主要通過預防性試驗，根據試驗結果決定電氣設備的絕緣系統在下一次投入運行前是否需要進行必要的維修，對不同的設備有不同的試驗項目和相應的試驗周期[7]，然而，預防性試驗停電時間長、試驗電壓低、有效性差，具有一定的盲目性[8-10]。隨著電力系統大容量化、高電壓化和結構復雜化，對電力系統的安全可靠性指標要求也越來越高。這種傳統的試驗與診斷方法已越來越不適應[11]。

相比較預防性試驗，在線監測無需停電、監測方便；監測時的電壓就是設備運行電壓，診斷絕緣缺陷的靈敏度高；實時監測，能及早發現設備隱患和絕緣變化趨勢；監測得到的大量數據以及對數據的判斷分析可以為狀態檢修提供依據，克服了傳統預防性檢修的不足，對提高電力設備的運行維護水平、減少停電事故有積極作用[12]?？梢钥闯?，高效可靠的在線監測系統能夠成為目前預防性試驗的有益補充[13]。

1.2 帶電檢測

在線監測克服了傳統預防性檢修的不足，但是在線監測系統由于安裝復雜、校驗困難、維護量大、價格昂貴而難以實現大規模推廣。相對于在線監測系統，帶電檢測系統安裝方便、校驗容易、維護量小、價格低廉，且具備在線監測的優點，因而近年來得到快速的推廣。

2 容性設備絕緣在線監測系統

對于容性設備的絕緣狀態監測，目前主要是基于對其電容量、介質損耗因數、泄漏電流值、三相不平衡電流等項目的監測。在實際運行中，電容型設備由于結構上的相似性，可能發生的故障類型也有很多共同點，主要有絕緣缺陷、絕緣受潮、外絕緣放電和金屬異物放電等幾種類型。對于電力設備絕緣系統的整體性缺陷或較大的集中性局部缺陷，目前主要通過測量其介質損耗因數來發現，因此，對于容性設備絕緣狀態檢測，主要監測介質損耗因數的變化。

2.1 測量原理

目前，大多數電容型設備在線監測系統采用絕對測量法。絕對測量法是指通過串接在被試設備Cx末屏接地線上以及安裝在該母線PT二次端子上的信號取樣單元，分別獲取被試設備Cx末屏接地電流信號Ix和PT二次電壓信號Un，兩路信號經過濾波、放大、采樣等數字處理，利用諧波分析法分別提取其基波分量，并計算出相位夾角α，從而獲得被試設備的絕對介質損耗因數tanδ，測試原理如圖1所示。

圖1 絕對測量法原理

2.2 介質損耗因數計算方法

從測試原理可以看出，介質損耗因數測量的關鍵技術是如何準確獲得并求取兩個工頻基波信號的相位差，諧波分析法是目前最主要的軟件測量方法[14]。

諧波分析法原理是通過傳感器等裝置分別測量運行電壓和流進試品的電流，再將獲得的模擬信號轉化為數字信號，然后采用數字頻譜分析的方法求出兩個信號的基波，進而通過對基波相位的比較求出介質損耗因數。滿足狄利克雷條件的運行電壓和流過容性設備的電流進行傅里葉級數分解，即：

式中：

U0、I0——電壓、電流的直流分量；

Uk、Ik——電壓、電流的各次諧波幅值；

φuk，φik——電壓、電流的各次諧波初相角。

求解容性設備介質損耗因數的關鍵就在于去除系統諧波干擾的影響，準確地求得 u(t)，i(t)的初相角。實際獲得的u(t)、i(t)是經過離散、量化后的有限長度的離散周期序列，假設分別用x(n)、y(n)表示，以x(n)為例，經離散傅里葉變換可得：

由上式可知，序列x(n)的初相角：

同理，可得到i(t)的初相角，進而求到介質損耗因數。

2.3 在線監測系統結構

容性設備在線監測系統采用分布式結構、就地測量、數字傳輸，只需在被監測設備上安裝本地測量單元 (在線監測裝置)，即可實現就地測量，并通過現場總線把監測數據傳送到中央監控器 (綜合監測單元)。用戶 (站端監測單元)利用局域網或電話線可隨時獲取監測數據和診斷結果。

圖2 在線監測系統結構示意圖

2.4 實際運用

為研究在線監測數據與停電試驗數據的差別，對云南某220 kV變電站在運的電流互感器和10 kV電容器的線監測數據與停電試驗數據進行了對比，可以看出，在線監測系統可以準確監測容性設備的介損，但因電容型設備介質損耗因數檢測屬于微小信號測量，受現場干擾、PT自身角差誤差、儀器誤差等多種因素的制約[15]，其準確性和分散性與停電例行試驗相比較大。因此對于在線監測診斷，除了通過閾值判斷設備狀態外，應充分考慮歷史數據和停電試驗數據進行比較，才能對設備狀態做出綜合判斷[16]。

3 容性設備絕緣帶電檢測系統

3.1 測量原理

目前，大多數電容型設備帶電檢測設備采用相對測量法。相對測量法是指選擇一臺與被試設備Cx并聯的其它容性設備作為參考設備Cn，通過串接在其設備末屏接地線上的信號取樣單元，分別測量參考電流信號In和被測電流信號Ix，兩路電流信號經濾波、放大、采樣等數字處理，與在線監測系統類似，利用諧波分析法分別提取其基波分量，計算出相位夾角α，從而獲得被試設備和參考設備在同相相同電壓作用下的相對介損因數：

考慮到兩臺設備同時發生相同絕緣缺陷可能性較小，因此通過它們的變化趨勢，可判斷設備的劣化情況，其原理如圖3所示。

圖3 相對測量法原理

3.2 帶電檢測系統

容性設備帶電檢測設備一般由取樣單元、測試引線和主機等部分組成，如圖4所示。取樣單元用于獲取電容型設備的電流信號或者電壓信號；測試引線用于將取樣單元獲得的信號引入到主機；主機負責數據采集、處理和分析。

圖4 帶電監測系統結構示意圖

3.3 實際運用

以某220 kV變電站主變套管介質損耗因數檢測為例，其在線監測數據與帶電檢測試驗數據如圖5。

圖5 某220 kV變電站主變高壓套管在線監測數據

根據在線監測結果，A相套管介損從2013年7月份起就逐漸增大，且介質損耗增長速度很快；根據帶電檢測結果，對比2013年6月份與2014年4月份數據，A相套管介損增加0.199%，增長幅度達36.7%?？梢钥闯鲈诰€監測與帶電檢測結果具有一致性，兩者結果均顯示出該套管可能存在受潮的可能性。因此，帶電檢測數據可以反映容性設備的絕緣狀態變化。需要說明的是，帶電檢測采用的是相對測量法，在線監測采用的是絕對測量法，因此兩者在數字上的差異對比是無意義的，在絕緣診斷時，應結合歷史數據對設備狀態做出綜合判斷。

可以看出，帶電檢測設備結構簡單、安裝方便、維護量小，克服了在線監測的不足，同時又具備了在線監測的優點，因此具有更好的推廣性。

4 結束語

在線監測系統由于在安裝、檢驗、維護、價格方面存在不足，不適于進行大規模推廣；而帶電檢測設備的優勢在于安裝方便、檢驗容易、維護量小、價格低廉、測試效果好，具有更好的推廣性。根據對在運容性設備的絕緣狀態測試結果對比，帶電檢測與在線監測結果具有一致性，可以反映實際設備的絕緣變化。然而，在線監測系統可以長時間在線監測容性設備的絕緣狀態，因此在實際運用時，應依據設備的重要等級來選擇安裝在線監測系統。

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Application of Online Monitoring and Live Detecting of Capacitive Equipment Insulation

LIU Guangqi，WANG Ke，PENG Jing，MA Yi，XIANG Enxin，MAO Chuanfeng
(Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China)

Introduced the structure and testing principle of online monitoring system and live detecting of capacitive equipment insulation，and analyzed the advantages and disadvantages of online monitoring system and live detecting system from the principle，structure，installation，maintenance，price，etc.Combined of the measurement of capacitive equipment in substation.and contrastive analyzed the results of the online monitoring and live detecting test.Investigated the actual usage of online monitoring system and live detecting system.

capacitive equipment；dielectric loss；online monitoring；live detecting；harmonic analysis

TM76

B

1006-7345(2015)04-0027-04

2015-02-15

劉光祺 (1986)，男，碩士，云南電網有限責任公司電力科學研究院，從事高電壓研究工作 (e-mail)23819918＠qq.com。

王科 (1982)，男，碩士，高級工程師，云南電網有限責任公司電力科學研究院，長期從事高電壓研究工作 (e-mail) 41872645＠qq.com。

彭晶 (1986)，男，碩士，工程師，云南電網有限責任公司電力科學研究院，從事高電壓研究工作 (e-mail)563715547＠qq.com。