變壓器套管介損在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法的探討

梁書銘

【摘 要】本文以變壓器套管介損在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法為主題，展開具體探討。主要從變壓器套管介損在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中所遇到的問題以及針對(duì)這些問題所采取的有效辦法進(jìn)行具體論述。希望通過本文初步分析，可以引起更多的關(guān)注與交流，同時(shí)，希望可以為該方面的研究工作提供一些有價(jià)值的信息，以供參考。

【關(guān)鍵詞】變壓器套管 介損 在線監(jiān)測(cè) 數(shù)字波形分析法

變壓器的高壓側(cè)套管易受高介電及熱應(yīng)力影響，一些研究數(shù)據(jù)表明套管故障占到變壓器故障的40%，還有數(shù)據(jù)顯示52%的套管故障都是很嚴(yán)重的，會(huì)引起火災(zāi)等嚴(yán)重危害而導(dǎo)致變壓器被迫停運(yùn)，因此套管的在線監(jiān)測(cè)是變壓器套管在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可或缺的一部分。而我們通常根據(jù)套管的介質(zhì)損失角的正切值tgδ（以下簡(jiǎn)稱為介損值）、電容、絕緣電阻、套管油色譜分析、套管末瓶介損及其絕緣電阻來(lái)判斷套管的絕緣狀況。不同的絕緣參數(shù)反應(yīng)了套管不同方面的絕緣狀態(tài)。而介損值是在交流電壓作用下，電介質(zhì)中的電流有功分量和無(wú)功分量的比值，在一定的電壓和頻率下，它反映電介質(zhì)內(nèi)單位體積中能量損耗的大小，它與電介質(zhì)的體積尺寸大小，因此介損值是評(píng)價(jià)高壓設(shè)備絕緣狀況的有效方法之一。

1 影響在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量介損值的因素

1.1 環(huán)境溫濕度

絕緣材料的絕緣性能會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生變化，空氣的相對(duì)濕度較大，也會(huì)使絕緣表面形成低電阻導(dǎo)電回路，從而使介損值發(fā)生明顯的變化。對(duì)于容性設(shè)備，充油套管的介損值會(huì)隨著溫度升高而上升，而對(duì)于油紙電容套管的介損值在-40～+60℃的溫度范圍內(nèi)，介損值會(huì)隨著溫度的上升而下降，但溫度的變化所引起介損值的變化在+5～+40℃的范圍內(nèi)是很小的。

1.2 電網(wǎng)頻率的不斷變化

在電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行中，電網(wǎng)的頻率并不是一成不變的，經(jīng)常會(huì)在在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，而整周期采樣需要在固定頻率下的采樣，因此沒辦法整周期采樣，如果采用非整周期采樣，又會(huì)產(chǎn)生泄露效應(yīng)和柵欄效應(yīng)，而導(dǎo)致相位計(jì)算誤差的增大，進(jìn)一步影響到介損值的檢測(cè)。

1.3 間干擾

在變電站里，由于電磁場(chǎng)的影響，三相設(shè)備如果并列平行運(yùn)行，彼此之間會(huì)產(chǎn)生明顯的相鄰耦合的相間容性電流干擾。而變壓器套管就常為三相并列方式，因此變壓器套管在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)的阻性電流肯定會(huì)包含了相間容性電流，這就必然會(huì)影響到所測(cè)介損值的準(zhǔn)確性了。而相間干擾的所產(chǎn)生的測(cè)量誤差主要取決于套管主電流大小與干擾電流大小的比值，因此，當(dāng)主電流遠(yuǎn)大于相間干擾電流的時(shí)候，就可以忽略相間干擾的影響；否則就必須考慮相間干擾的影響。而對(duì)于套管來(lái)說(shuō)，由于主電流一般都會(huì)比相間干擾電流大一千倍以上，因此，套管相間干擾的情況基本可以忽略不計(jì)。

1.4 系統(tǒng)諧波

諧波是不斷地產(chǎn)生，不斷地發(fā)生變化的，其初相角、波形畸變率和頻率都影響在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)介損值的測(cè)量精度，而電力系統(tǒng)中的諧波無(wú)處不在。因此，要保證介損值的測(cè)量精度，就必須保證測(cè)量單元內(nèi)的三次諧波含量保持在1%以內(nèi)。在硬件方面可以通過濾波電路過濾掉系統(tǒng)的高次諧波，在軟件方面可以通過改進(jìn)介損值在線監(jiān)測(cè)的算法來(lái)增加的測(cè)量精度。

1.5 PT角差

介損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要從母線PT二次測(cè)量端子抽取電壓作為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，但PT二次電壓相對(duì)于一次電壓會(huì)由于角差的存在而發(fā)生相位變化，從而影響介損值的測(cè)量。電網(wǎng)的頻率、PT的一次負(fù)載和二次負(fù)載的變化都會(huì)引起到角差的變化，其中二次負(fù)載變化的影響最明顯，過大的角差所造成的測(cè)量誤差會(huì)影響到對(duì)設(shè)備絕緣真實(shí)狀況的判斷，因此，必須采取措施消除或減小PT角差對(duì)測(cè)量的影響。

2 介損值的測(cè)量方法

根據(jù)套管的絕緣特性，套管的結(jié)構(gòu)在電氣上可等效為電容與電阻的并聯(lián)支路。如圖2-1所示。

介質(zhì)值的公式為：tgδ=1/RCω 其中ω是系統(tǒng)電壓的角頻率，從式中可以看出確定任意的兩個(gè)量，介損值就確定了。

介質(zhì)值和電容值目前最有效的檢測(cè)方法為數(shù)字波形分析法，主要原因如下： 數(shù)字波形分析法通過電流和電壓信號(hào)的測(cè)量，并將電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，然后進(jìn)過數(shù)字頻譜分析計(jì)算出電壓和電流基波的幅值，再通過對(duì)比基波相位差來(lái)求計(jì)算出介損值，也就是對(duì)電壓和電流進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解（電壓和電流需滿足狄里赫利條件），具體表達(dá)式如下：

而數(shù)字波形分析法的基本原理是在諧波分析法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，其基本原理是對(duì)于一個(gè)非正弦周期信號(hào)f（t）（周期信號(hào)滿足f（t）= f（t-nT）），其中T為周期，n=1，2，3…，可以展開傅里葉級(jí)數(shù)。形式為： 式中：ω1為基波角頻率；、……..為基波和各次諧波的初相角。

通過諧波分析法求得的基波分量可確定初相角和及基波幅值和，因此介質(zhì)損耗角以及電容量也就確定了。

δ=-

因此，從數(shù)字波形分析法的原理可以看出，主要有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）數(shù)字波形分析法是對(duì)從電流、電壓信號(hào)中分離出的基波成分進(jìn)行分析的，所以從根本上消除了變電站現(xiàn)場(chǎng)的干擾和諧波對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。（2）由于主要工作是在軟件內(nèi)完成，不需要對(duì)波形進(jìn)行預(yù)處理，除傳感器外無(wú)需額外的硬件，而且容易克服系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，可以在分析軟件中，可通過重心法和修正積分的方法獲得更為準(zhǔn)確的基波頻率，并通過幾次測(cè)量結(jié)果去平均值消除硬件電路中的隨機(jī)誤差。

數(shù)字波形分析法在應(yīng)用存在以下兩個(gè)問題：

（1）測(cè)量準(zhǔn)確度的問題：根據(jù)數(shù)學(xué)測(cè)量理論，數(shù)字波形分析系統(tǒng)的基本誤差是量化誤差，其主要表現(xiàn)為幅值誤差。數(shù)字測(cè)量的最大量化誤差為：

設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的標(biāo)稱電壓為U，則最大精度量化誤差為

若被測(cè)信號(hào)的幅值為Um，則由量化誤差引起的幅值最大相對(duì)誤差為

由上可知，提高被測(cè)電壓的幅值Um，降低A/D轉(zhuǎn)換器的標(biāo)稱電壓U?；蛟黾覣/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，都可減小幅值誤差。

（2）穩(wěn)定性問題。目前所有在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最重要的問題就是系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題，很多系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果都有較大的分散性，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性低，這個(gè)問題在數(shù)字波形分析系統(tǒng)中也存在著。影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素有很多。主要因素還是硬件的質(zhì)量低、電路設(shè)計(jì)不合理以及裝配工藝不良造成的，所以當(dāng)前解決這個(gè)問題的辦法就是選用質(zhì)量高，工藝好的檢測(cè)裝置，并且利用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的輔助處理，如采用多次平均的方法消除隨機(jī)誤差。

3 結(jié)語(yǔ)

通過以上分析可見，可通過在數(shù)字波形分析系統(tǒng)中提高A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來(lái)減少的量化誤差；通過選用質(zhì)量高，工藝好的檢測(cè)裝置來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其缺點(diǎn)都能較好的得到解決，而優(yōu)點(diǎn)又非常明顯，投資費(fèi)用小，抗干擾能力強(qiáng)，因此對(duì)于變壓器套管在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用數(shù)字波形分析系統(tǒng)是可行的。

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