容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)方法綜述

梁靜，申文棟

(山西省電力公司晉城供電分公司，山西 晉城 048000)

1 引言

電容型電氣設(shè)備主要指電流傳感器、套管、耦合電容、電容式電壓互感器等［1］。在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，主要起功率補(bǔ)償、整流濾波和過電壓保護(hù)等作用，電容器性能的好壞直接關(guān)系到電網(wǎng)的正常運(yùn)行。由于高壓電氣設(shè)備損壞事故中大部分是絕緣損壞引起的，因此及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)絕緣存在缺陷對(duì)于保障電網(wǎng)安全具有重要意義。為了確保電力系統(tǒng)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，根據(jù)過去長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)研究，逐步確立了一些預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目，這些預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)發(fā)揮過不少積極作用，但是規(guī)程要求定期對(duì)電氣設(shè)備停電進(jìn)行絕緣預(yù)防性試驗(yàn)和檢修，具有一定的盲目性，造成人力、物力的大量消費(fèi)，而且還不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備的絕緣潛伏性故障［2］。

在線監(jiān)測(cè)能利用運(yùn)行電壓對(duì)高壓設(shè)備絕緣狀況進(jìn)行試驗(yàn)，可以大大提高試驗(yàn)的真實(shí)性與靈敏度，彌補(bǔ)僅靠定期離線檢測(cè)的不足之處。隨著電子測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步以及管理水平的提高，對(duì)于電力設(shè)備的健康狀況的判斷和維護(hù)，已經(jīng)從預(yù)防性檢修逐步向狀態(tài)檢修和預(yù)知檢修的方向發(fā)展。在眾多的電氣設(shè)備中，對(duì)于容性設(shè)備(如電壓互感器、變壓器套管、耦合電容器等)，其絕緣狀況的監(jiān)測(cè)主要基于對(duì)其電容量、介質(zhì)損耗值(tgδ)的監(jiān)測(cè)［3］和絕緣電阻。

2 電容型設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及等效電路

2.1 套管

套管是將載流導(dǎo)體引入變壓器或斷路器等電氣設(shè)備的金屬箱內(nèi)或母線穿過墻壁時(shí)的引線絕緣。瓷套管以瓷作為主要絕緣，電容套管、充油套管則以瓷套作為外絕緣(如圖1所示)。

圖1 穿墻套管

套管表面電壓分布很不均勻，在中間法蘭邊緣處電場(chǎng)十分集中，極易從此處開始電暈及滑閃放電。同時(shí)，法蘭和導(dǎo)桿間的電場(chǎng)也很強(qiáng)，絕緣介質(zhì)易被擊穿［4］。

高壓套管按其主絕緣結(jié)構(gòu)分類如表1所示。

表1 高壓套管按主絕緣分類

套管由于表面有電位降，可以想象沿著此表面有單元電容Cs的串聯(lián)。同時(shí)這個(gè)單元電容層對(duì)套管導(dǎo)體還存在有互相并聯(lián)的單元體積電容CV，因?yàn)檫@里同樣存在有一個(gè)電壓降，其他電容相對(duì)較小，因此有等效電路(如圖2所示)。

2.2 支柱絕緣子

支柱絕緣子是支承高壓配電裝置母線和高壓電器帶電部分(如觸頭)的絕緣支柱，它由瓷柱和上、下金屬附件通過水泥膠裝而成。目前我國(guó)生產(chǎn)的支柱絕緣子絕緣件一般均為瓷件。膠合劑一般是由不低于42.5號(hào)的硅酸鹽水泥和瓷沙配制的［7］。此外，還有采用硫化石墨膠合劑膠裝的。金屬附件一般由鑄鐵制成，表面刷上防銹漆或熱鍍鋅。

圖2 套管等效電路圖

按外形結(jié)構(gòu)和工作條件的不同，分為戶外、戶內(nèi)兩大類。戶外支柱絕緣子采用帶傘的實(shí)心圓瓷柱來增加電極間沿瓷表面的泄露距離，以提高濕閃絡(luò)電壓。而戶內(nèi)支柱絕緣子則不需考慮濕閃的問題，多采用空心或?qū)嵭牡膱A柱形瓷件和金屬附件組成［8］。

戶內(nèi)絕緣子按照結(jié)構(gòu)可分為外膠裝、內(nèi)膠裝和聯(lián)合膠裝三種，其中較為常見和使用的是內(nèi)膠裝和聯(lián)合膠裝。

支柱絕緣子的等值電路(如圖3所示)。

圖3 支柱絕緣子等效電路圖

其中，絕緣子本身電容為C，對(duì)地電容Ce，對(duì)導(dǎo)線電容為Cl，在實(shí)際中Ce和Cl兩種雜散電容同時(shí)存在，其中Ce的影響比Cl要大，所以絕緣子串靠近導(dǎo)線的絕緣子的電壓降最大，當(dāng)靠近地面時(shí)，Cl作用顯著，電壓降又有所升高。

2.3 電壓互感器

電力系統(tǒng)中用電壓互感器將高電壓的信息傳遞到低電壓二次側(cè)的計(jì)量、測(cè)量?jī)x表及繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置的一種特殊變壓器，是一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)元件。

電壓互感器按照其絕緣介質(zhì)分類可分:

(1)干式電壓互感器，由普通絕緣材料浸漬絕緣漆作絕緣，多用在500V及以下低電壓。

(2)澆注絕緣電壓互感器，由環(huán)氧樹脂或其他樹脂混合材料澆注成型，多用在35kV及以下電壓等級(jí)。

(3)油浸式電壓互感器，由絕緣紙和絕緣油作為絕緣，是我國(guó)最常見的結(jié)構(gòu)形式，常用于220kV及以下電壓等級(jí)。

(4)氣體絕緣電壓互感器，由SF6氣體作主絕緣，多用在較高電壓等級(jí)［9］。

電壓互感器按照電壓變換原理可分為電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器，當(dāng)系統(tǒng)中電壓等級(jí)達(dá)到或超過330kV時(shí)，電磁式電壓互感器由于絕緣結(jié)構(gòu)制約、制造成本大大提高，因此在以上電壓等級(jí)幾乎全部采用電容式電壓互感器。它不僅有體積小、重量輕、絕緣結(jié)構(gòu)合理的優(yōu)點(diǎn)，還可以兼做電力線路高壓載波耦合電容器來使用。而在35kV、66kV、110kV電壓等級(jí)，它雖然價(jià)格優(yōu)勢(shì)不大，但是具有不與線路諧振的優(yōu)點(diǎn)，因此也得到使用。但它在準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性方面較傳統(tǒng)的電磁式還有一些不足［10，11］。

當(dāng)電容式電壓互感器忽略其電磁單元的影響，可以近似把它等效看成一個(gè)電容器，其等效電路圖應(yīng)與支柱絕緣子相似，但其各部分對(duì)地電容和對(duì)導(dǎo)線電容及其參數(shù)變化會(huì)有不同。

3 介質(zhì)損耗因數(shù)在線監(jiān)測(cè)方法

常見的測(cè)量介損方法主要通過硬件和軟件兩種途徑實(shí)現(xiàn)［12］。

3.1 硬件方法

也稱為直接測(cè)量法，主要有過零比較法和基于電橋平衡原理的介損測(cè)量方法等。過零比較法和西林電橋法是最早應(yīng)用在介損測(cè)量中的，在前端信號(hào)濾波效果很好的情況下，可以達(dá)到較高的精度和分辨率。

(1)過零比較法:根據(jù)電壓、電流信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)間差或電壓、電流歸一化后過零點(diǎn)附近兩信號(hào)幅值差獲得信號(hào)的相角差［13］。

優(yōu)點(diǎn):原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、測(cè)量分辨率高、線性度好。

缺點(diǎn):對(duì)過零點(diǎn)的要求極高，易受硬件的影響，比較器的零點(diǎn)漂移會(huì)造成過零點(diǎn)不準(zhǔn)，從而帶來測(cè)量誤差，硬件通道延時(shí)等對(duì)測(cè)量精確度的影響也較大。另外，采用高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)會(huì)增加裝置的復(fù)雜［14］。

(2)西林電橋法:對(duì)西林電橋法進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)行數(shù)字化處理，同時(shí)在系統(tǒng)中用微處理器進(jìn)行控制，提高了測(cè)量的性能。

優(yōu)點(diǎn):在前端信號(hào)濾波效果很好的情況下，可以達(dá)到較高的精度和分辨率。

缺點(diǎn):硬件處理環(huán)節(jié)過多，對(duì)硬件要求太高，在測(cè)量過程中受電磁干擾、諧波干擾等十分明顯，會(huì)造成較大的誤差和分散性［15］。

受基于信號(hào)處理的思想的影響，目前可行的方法多為軟件方法。軟件方法一方面可以減少硬件線路設(shè)計(jì)的難度和復(fù)雜性;另一方面則能利用算法固有的精確性來提高計(jì)算結(jié)果的精度。

3.2 軟件方法

也稱為信號(hào)重建法，主要以諧波分析法為代表，它根據(jù)i、u的采樣數(shù)據(jù)重建正弦信號(hào)，再由波形參數(shù)求得φ，如正弦波參數(shù)法、高階正弦擬合法和相關(guān)系數(shù)法，諧波加窗改進(jìn)法等［16］。

(1)正弦波參數(shù)法:該算法用基波去逼近信號(hào)，將基波幅值看成變量，基波頻率看成常量，高次諧波看成干擾，根據(jù)最小二乘法或三角函數(shù)的正交性來獲得介質(zhì)損耗角［17］。

優(yōu)點(diǎn):該方法原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易、計(jì)算量小。

缺點(diǎn):需要獲得基波信號(hào)的頻率，另外，正弦波參數(shù)法應(yīng)用了三角函數(shù)正交性，但正交性僅在和滿足整數(shù)倍時(shí)才成立。因此，應(yīng)用正弦波參數(shù)法時(shí)，需要相應(yīng)的硬件同步采樣卡。

(2)高階正弦擬合法:非同步采樣條件下測(cè)量介損的算法，考慮到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可能包含直流和諧波分量，所以它以直流分量幅值、基波頻率、基波和諧波分量的幅值和初相角為優(yōu)化對(duì)象，用高階正弦模型來擬合i、u的采樣數(shù)據(jù)［18］。

優(yōu)點(diǎn):在一定程度上解決了非同步采樣的問題。

缺點(diǎn):采用最小二乘擬合法在多數(shù)情況下并不能獲得問題的全局最優(yōu)解，同時(shí)，高階正弦擬合法實(shí)際上是一種迭代的數(shù)值計(jì)算方法，即使進(jìn)行簡(jiǎn)化該算法的計(jì)算量仍然很大，只適用于在工控機(jī)上完成計(jì)算，而無法用于單片機(jī)或微處理器系統(tǒng)［19］。

(3)相關(guān)系數(shù)法:相關(guān)函數(shù)法利用自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)經(jīng)過一定的算式計(jì)算介質(zhì)損耗角。

優(yōu)點(diǎn):相關(guān)函數(shù)法只要求整周期采樣，未具體要求采樣點(diǎn)數(shù)?？梢院?jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，并且可以較好地解決FFT在非整周期采樣時(shí)的頻譜泄漏問題。

缺點(diǎn):對(duì)前置的帶通濾波器有較高的要求，在非整周期采樣時(shí)容易產(chǎn)生較大誤差［20］。

(4)諧波加窗改進(jìn)法:介質(zhì)損耗值計(jì)算中的諧波分析，通常都是通過快速傅立葉變換實(shí)現(xiàn)的。然而，在數(shù)據(jù)采集時(shí)，即使采樣頻率滿足奈奎斯特定理，但如果不是同步采樣，就將帶來泄漏效應(yīng)及柵欄效應(yīng)，為了減少諧波間的相互干擾，從而進(jìn)一步提高了計(jì)算精度，引入諧波加窗。Blackman－Harris窗作為一種余弦窗，在頻域的卷積運(yùn)算簡(jiǎn)單易行，因而有利于插值公式的推導(dǎo)和改進(jìn)［21］。

優(yōu)點(diǎn):算法通過加Blackman－Harris窗在很大程度上抵消了非同步采樣導(dǎo)致的頻譜泄露和柵欄效應(yīng)，抗諧波干擾，即使在非同步采樣下該方法計(jì)算所得的介損仍具有很高的精確度［22］。

缺點(diǎn):如果電網(wǎng)頻率不是采樣頻率的整數(shù)倍，計(jì)算出的介損值仍會(huì)有較大的誤差。

4 其他在線監(jiān)測(cè)方法

4.1 泄露電流和電容量的測(cè)量

泄露電流一般也會(huì)用來作為在線監(jiān)測(cè)電容型設(shè)備，它可以發(fā)現(xiàn)一些尚未完全貫通的集中性缺陷。然而測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，強(qiáng)電磁場(chǎng)交互作用，從而使測(cè)試信號(hào)極易受到強(qiáng)電場(chǎng)的干擾，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。因此要求信號(hào)采集和傳輸設(shè)備具有較高的穩(wěn)定性和抗干擾性。

電容量的測(cè)量是根據(jù)泄漏電流和采集的母線電壓換算得到的。國(guó)內(nèi)泄漏電流和電容量在線監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。

文獻(xiàn)［23］介紹了根據(jù)三相容性設(shè)備泄漏電流和的變化量來判別設(shè)備的絕緣狀態(tài)的基本原理和方法:對(duì)稱三相系統(tǒng)電壓對(duì)稱平衡，且同組設(shè)備的參數(shù)完全一致時(shí)，其泄漏電流之和為零。而一般三相設(shè)備的參數(shù)不可能完全一致，故三相泄漏電流和總是存在的。可以認(rèn)為設(shè)備泄漏電流的變化主要是由其電容的變化決定的，因此它也可作為一種在線監(jiān)測(cè)的方法。

這一方法，其測(cè)量結(jié)果易受多方面因素的干擾，如:三相電壓波動(dòng)或不平衡、系統(tǒng)頻率及三相測(cè)量電路漂移、信號(hào)中的諧波成分等等。

4.2 局部放電的在線監(jiān)測(cè)

目前已較多的采用電氣法和超聲法相結(jié)合，并樂于用多探頭同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，以提高在線監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，而且還有可能對(duì)設(shè)備內(nèi)部的局部放電進(jìn)行大致定位。但是干擾問題仍比較嚴(yán)重。除此之外，還有油中氣體含量的監(jiān)測(cè)，基于紅外技術(shù)的在線監(jiān)測(cè)等方法。

文獻(xiàn)［24］指出，基于介損的在線監(jiān)測(cè)幾乎是判斷容性試品故障的最有效的依據(jù)，而其他諸如局放，超聲測(cè)量法，油中溶解氣等方法并不能保證單一的有效判斷出容性試品的故障，但是在一定的故障情況下，可以作為判斷的一個(gè)輔助依據(jù)。

5 電容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的信號(hào)取樣位置

系統(tǒng)的泄漏電流取樣由電容、套管或支柱絕緣子等容性設(shè)備的接地線上的小電流傳感器取得，采集設(shè)備末屏的電流信號(hào)非常微弱，一般為mA級(jí)。而電壓采樣信號(hào)分別由三相電壓互感器的二次側(cè)提取。信號(hào)取得(如圖4所示)。

圖4 信號(hào)取樣位置圖

6 電容性設(shè)備的常見故障

套管:套管的表面電壓分布很不均勻，在中間法蘭邊緣處十分密集，如果恰逢末屏接觸不良則很易從此開始電暈及滑閃放電。另外，由于高壓套管的制造工藝的原因，以及設(shè)備老化等的影響，在運(yùn)行中可能發(fā)生套管內(nèi)部電容屏發(fā)生擊穿從而產(chǎn)生貫穿性的導(dǎo)電通道，從而使套管出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重時(shí)還可能出現(xiàn)套管爆炸的惡性事故。

支柱絕緣子:高壓支柱絕緣子大多安裝在戶外，經(jīng)受著日曬、雨淋、氣候變化及化學(xué)物質(zhì)的腐蝕。因此，正常運(yùn)行時(shí)，很容易發(fā)生濕閃和污閃，從而造成系統(tǒng)的對(duì)地短路。另外，由于高電壓等級(jí)的支柱絕緣子通常較高，受機(jī)械應(yīng)力的影響，在運(yùn)行了一段時(shí)間之后，由于老化等因素還可能造成絕緣子的斷裂。

電容式電壓互感器:CVT在運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障，根據(jù)事故統(tǒng)計(jì)，40%的事故是在運(yùn)行中電容器發(fā)生爆炸，26%的事故是電磁單元在運(yùn)行中絕緣損壞造成擊穿［31］，其他諸如二次側(cè)電壓下降以及失壓等也較為常見。其中很大一部分是由于CVT本身制造質(zhì)量不佳致使鐵芯氣隙變化，從而引起的電容部分擊穿，另有一些由于安裝錯(cuò)誤引起諧振，導(dǎo)致設(shè)備的故障。除此之外，系統(tǒng)中常出現(xiàn)的匝間短路及外部短路也是導(dǎo)致CVT損壞的一個(gè)重要原因。

7 結(jié)語

應(yīng)用絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)掌握變電站高壓設(shè)備的絕緣狀況，對(duì)提高設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)水平，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患，減少停電事故有著積極的意義。

本文對(duì)現(xiàn)有的介損監(jiān)測(cè)方法和其他方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析比較，介紹了各自的原理和性能，指出了容性設(shè)備常見的故障，說明了當(dāng)前的高壓電容設(shè)備在線監(jiān)測(cè)方法仍需要繼續(xù)改進(jìn)和提高。

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