容性設(shè)備絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與帶電檢測(cè)

劉光祺，王科，彭晶，馬儀，項(xiàng)恩新，毛傳峰

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217)

容性設(shè)備絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與帶電檢測(cè)

劉光祺，王科，彭晶，馬儀，項(xiàng)恩新，毛傳峰

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217)

闡述了容性設(shè)備絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)和帶電檢測(cè)的測(cè)試原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并從原理、結(jié)構(gòu)、安裝、維護(hù)、價(jià)格等方面分析了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與帶電檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合變電站在運(yùn)容性設(shè)備的絕緣狀態(tài)測(cè)試，對(duì)比分析了在線監(jiān)測(cè)及帶電檢測(cè)的測(cè)試結(jié)果，并對(duì)在線監(jiān)測(cè)及帶電檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際使用情況進(jìn)行了調(diào)查。

容性設(shè)備；介質(zhì)損耗因數(shù)；在線監(jiān)測(cè)；帶電檢測(cè)；諧波分析

0 前言

電力系統(tǒng)容性設(shè)備，主要是指絕緣結(jié)構(gòu)為電容型的設(shè)備，其高壓端對(duì)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(shù)量約占變電站設(shè)備總數(shù)量的40%～50%，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響著整個(gè)變電站乃至電網(wǎng)的安全運(yùn)行[1-2]。電力設(shè)備在運(yùn)行過程中受高壓、機(jī)械、發(fā)熱、污穢、化學(xué)等等各種因素長(zhǎng)期作用，引發(fā)絕緣性能下降、缺陷滋生；如果潛在缺陷沒有被及時(shí)處理，缺陷將持續(xù)發(fā)展導(dǎo)致設(shè)備絕緣局部破壞甚至絕緣擊穿。據(jù)調(diào)查，高壓電氣設(shè)備損壞事故中大部分是絕緣損壞引起[3]。對(duì)容性設(shè)備的絕緣狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)是必要的、有意義的。國(guó)內(nèi)外諸多高校、研究所及商業(yè)公司投入了大量的人力對(duì)容性設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行研究及開發(fā)，并已實(shí)際投入多地變電站運(yùn)行[4-6]。

1 容性設(shè)備絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)

1.1 在線監(jiān)測(cè)

目前我國(guó)電氣設(shè)備的檢測(cè)工作主要通過預(yù)防性試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果決定電氣設(shè)備的絕緣系統(tǒng)在下一次投入運(yùn)行前是否需要進(jìn)行必要的維修，對(duì)不同的設(shè)備有不同的試驗(yàn)項(xiàng)目和相應(yīng)的試驗(yàn)周期[7]，然而，預(yù)防性試驗(yàn)停電時(shí)間長(zhǎng)、試驗(yàn)電壓低、有效性差，具有一定的盲目性[8-10]。隨著電力系統(tǒng)大容量化、高電壓化和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠性指標(biāo)要求也越來越高。這種傳統(tǒng)的試驗(yàn)與診斷方法已越來越不適應(yīng)[11]。

相比較預(yù)防性試驗(yàn)，在線監(jiān)測(cè)無需停電、監(jiān)測(cè)方便；監(jiān)測(cè)時(shí)的電壓就是設(shè)備運(yùn)行電壓，診斷絕緣缺陷的靈敏度高；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患和絕緣變化趨勢(shì)；監(jiān)測(cè)得到的大量數(shù)據(jù)以及對(duì)數(shù)據(jù)的判斷分析可以為狀態(tài)檢修提供依據(jù)，克服了傳統(tǒng)預(yù)防性檢修的不足，對(duì)提高電力設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠成為目前預(yù)防性試驗(yàn)的有益補(bǔ)充[13]。

1.2 帶電檢測(cè)

在線監(jiān)測(cè)克服了傳統(tǒng)預(yù)防性檢修的不足，但是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于安裝復(fù)雜、校驗(yàn)困難、維護(hù)量大、價(jià)格昂貴而難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。相對(duì)于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，帶電檢測(cè)系統(tǒng)安裝方便、校驗(yàn)容易、維護(hù)量小、價(jià)格低廉，且具備在線監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，因而近年來得到快速的推廣。

2 容性設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

對(duì)于容性設(shè)備的絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)，目前主要是基于對(duì)其電容量、介質(zhì)損耗因數(shù)、泄漏電流值、三相不平衡電流等項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)。在實(shí)際運(yùn)行中，電容型設(shè)備由于結(jié)構(gòu)上的相似性，可能發(fā)生的故障類型也有很多共同點(diǎn)，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(duì)于電力設(shè)備絕緣系統(tǒng)的整體性缺陷或較大的集中性局部缺陷，目前主要通過測(cè)量其介質(zhì)損耗因數(shù)來發(fā)現(xiàn)，因此，對(duì)于容性設(shè)備絕緣狀態(tài)檢測(cè)，主要監(jiān)測(cè)介質(zhì)損耗因數(shù)的變化。

2.1 測(cè)量原理

目前，大多數(shù)電容型設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用絕對(duì)測(cè)量法。絕對(duì)測(cè)量法是指通過串接在被試設(shè)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(hào)取樣單元，分別獲取被試設(shè)備Cx末屏接地電流信號(hào)Ix和PT二次電壓信號(hào)Un，兩路信號(hào)經(jīng)過濾波、放大、采樣等數(shù)字處理，利用諧波分析法分別提取其基波分量，并計(jì)算出相位夾角α，從而獲得被試設(shè)備的絕對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ，測(cè)試原理如圖1所示。

圖1 絕對(duì)測(cè)量法原理

2.2 介質(zhì)損耗因數(shù)計(jì)算方法

從測(cè)試原理可以看出，介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)是如何準(zhǔn)確獲得并求取兩個(gè)工頻基波信號(hào)的相位差，諧波分析法是目前最主要的軟件測(cè)量方法[14]。

諧波分析法原理是通過傳感器等裝置分別測(cè)量運(yùn)行電壓和流進(jìn)試品的電流，再將獲得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后采用數(shù)字頻譜分析的方法求出兩個(gè)信號(hào)的基波，進(jìn)而通過對(duì)基波相位的比較求出介質(zhì)損耗因數(shù)。滿足狄利克雷條件的運(yùn)行電壓和流過容性設(shè)備的電流進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)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(shè)備介質(zhì)損耗因數(shù)的關(guān)鍵就在于去除系統(tǒng)諧波干擾的影響，準(zhǔn)確地求得 u(t)，i(t)的初相角。實(shí)際獲得的u(t)、i(t)是經(jīng)過離散、量化后的有限長(zhǎng)度的離散周期序列，假設(shè)分別用x(n)、y(n)表示，以x(n)為例，經(jīng)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(jìn)而求到介質(zhì)損耗因數(shù)。

2.3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)、就地測(cè)量、數(shù)字傳輸，只需在被監(jiān)測(cè)設(shè)備上安裝本地測(cè)量單元 (在線監(jiān)測(cè)裝置)，即可實(shí)現(xiàn)就地測(cè)量，并通過現(xiàn)場(chǎng)總線把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到中央監(jiān)控器 (綜合監(jiān)測(cè)單元)。用戶 (站端監(jiān)測(cè)單元)利用局域網(wǎng)或電話線可隨時(shí)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果。

圖2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 實(shí)際運(yùn)用

為研究在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差別，對(duì)云南某220 kV變電站在運(yùn)的電流互感器和10 kV電容器的線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，可以看出，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)容性設(shè)備的介損，但因電容型設(shè)備介質(zhì)損耗因數(shù)檢測(cè)屬于微小信號(hào)測(cè)量，受現(xiàn)場(chǎng)干擾、PT自身角差誤差、儀器誤差等多種因素的制約[15]，其準(zhǔn)確性和分散性與停電例行試驗(yàn)相比較大。因此對(duì)于在線監(jiān)測(cè)診斷，除了通過閾值判斷設(shè)備狀態(tài)外，應(yīng)充分考慮歷史數(shù)據(jù)和停電試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，才能對(duì)設(shè)備狀態(tài)做出綜合判斷[16]。

3 容性設(shè)備絕緣帶電檢測(cè)系統(tǒng)

3.1 測(cè)量原理

目前，大多數(shù)電容型設(shè)備帶電檢測(cè)設(shè)備采用相對(duì)測(cè)量法。相對(duì)測(cè)量法是指選擇一臺(tái)與被試設(shè)備Cx并聯(lián)的其它容性設(shè)備作為參考設(shè)備Cn，通過串接在其設(shè)備末屏接地線上的信號(hào)取樣單元，分別測(cè)量參考電流信號(hào)In和被測(cè)電流信號(hào)Ix，兩路電流信號(hào)經(jīng)濾波、放大、采樣等數(shù)字處理，與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)類似，利用諧波分析法分別提取其基波分量，計(jì)算出相位夾角α，從而獲得被試設(shè)備和參考設(shè)備在同相相同電壓作用下的相對(duì)介損因數(shù)：

考慮到兩臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā)生相同絕緣缺陷可能性較小，因此通過它們的變化趨勢(shì)，可判斷設(shè)備的劣化情況，其原理如圖3所示。

圖3 相對(duì)測(cè)量法原理

3.2 帶電檢測(cè)系統(tǒng)

容性設(shè)備帶電檢測(cè)設(shè)備一般由取樣單元、測(cè)試引線和主機(jī)等部分組成，如圖4所示。取樣單元用于獲取電容型設(shè)備的電流信號(hào)或者電壓信號(hào)；測(cè)試引線用于將取樣單元獲得的信號(hào)引入到主機(jī)；主機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理和分析。

圖4 帶電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 實(shí)際運(yùn)用

以某220 kV變電站主變套管介質(zhì)損耗因數(shù)檢測(cè)為例，其在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與帶電檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5。

圖5 某220 kV變電站主變高壓套管在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)在線監(jiān)測(cè)結(jié)果，A相套管介損從2013年7月份起就逐漸增大，且介質(zhì)損耗增長(zhǎng)速度很快；根據(jù)帶電檢測(cè)結(jié)果，對(duì)比2013年6月份與2014年4月份數(shù)據(jù)，A相套管介損增加0.199%，增長(zhǎng)幅度達(dá)36.7%?？梢钥闯鲈诰€監(jiān)測(cè)與帶電檢測(cè)結(jié)果具有一致性，兩者結(jié)果均顯示出該套管可能存在受潮的可能性。因此，帶電檢測(cè)數(shù)據(jù)可以反映容性設(shè)備的絕緣狀態(tài)變化。需要說明的是，帶電檢測(cè)采用的是相對(duì)測(cè)量法，在線監(jiān)測(cè)采用的是絕對(duì)測(cè)量法，因此兩者在數(shù)字上的差異對(duì)比是無意義的，在絕緣診斷時(shí)，應(yīng)結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備狀態(tài)做出綜合判斷。

可以看出，帶電檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、維護(hù)量小，克服了在線監(jiān)測(cè)的不足，同時(shí)又具備了在線監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，因此具有更好的推廣性。

4 結(jié)束語

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于在安裝、檢驗(yàn)、維護(hù)、價(jià)格方面存在不足，不適于進(jìn)行大規(guī)模推廣；而帶電檢測(cè)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)在于安裝方便、檢驗(yàn)容易、維護(hù)量小、價(jià)格低廉、測(cè)試效果好，具有更好的推廣性。根據(jù)對(duì)在運(yùn)容性設(shè)備的絕緣狀態(tài)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，帶電檢測(cè)與在線監(jiān)測(cè)結(jié)果具有一致性，可以反映實(shí)際設(shè)備的絕緣變化。然而，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間在線監(jiān)測(cè)容性設(shè)備的絕緣狀態(tài)，因此在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，應(yīng)依據(jù)設(shè)備的重要等級(jí)來選擇安裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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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(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)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(jí)工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)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(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，從事高電壓研究工作 (e-mail)563715547＠qq.com。