電力容性設(shè)備介質(zhì)損耗測(cè)量方法及其影響因素分析

國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司固原供電公司 楊劍鋒 牛育忠 呂安璞 陳 彪

國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 戴 菁

沈陽(yáng)工程學(xué)院電力學(xué)院 王琳媛

0.引言

近年來(lái)，隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整以及使用設(shè)備的容量增大，電壓等級(jí)不斷升高。使得近年來(lái)電站的停電檢修成本不斷增大對(duì)用戶(hù)的影響不斷加深。所以，電力系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定與安全性已經(jīng)成為了電網(wǎng)質(zhì)量不可替代的衡量指標(biāo)。然而電力損耗的不斷增加必然使電力系統(tǒng)增加一定的容量，電氣設(shè)備數(shù)量的快速增加以及各個(gè)站點(diǎn)之間聯(lián)系更加緊密，一旦發(fā)生大型設(shè)備故障，將會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生連鎖反應(yīng)，并且會(huì)對(duì)社會(huì)造成嚴(yán)重影響，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以對(duì)容性設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。目前技術(shù)所支持的對(duì)容性設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)主要測(cè)量數(shù)據(jù)包括了電容量大小以及介質(zhì)損耗值大小等。因此本文通過(guò)對(duì)影響因素方面對(duì)介質(zhì)損耗測(cè)量方法進(jìn)行分析，通過(guò)介紹原理，在線監(jiān)測(cè)分析等方面進(jìn)行提高和改進(jìn)。

1.介質(zhì)損耗因數(shù) tan δ 測(cè)量方法

介質(zhì)損耗因數(shù)( tan δ )是用來(lái)衡量絕緣介質(zhì)絕緣性能的因素，必須在交變電壓的作用下進(jìn)行測(cè)量。絕緣介質(zhì)的形狀與大小不能夠影響該系數(shù)的變化。絕緣并非絕對(duì)意義上的不導(dǎo)電，因?yàn)槔硐虢橘|(zhì)是不存在的，在電場(chǎng)或電壓的作用下它們總伴隨著一定的能量損耗，比如電導(dǎo)損耗、某些有損極化損耗和局放損耗，這些統(tǒng)稱(chēng)為介質(zhì)損耗。對(duì)介質(zhì)損耗因素進(jìn)行測(cè)量，能夠反映出的測(cè)量結(jié)果有，介質(zhì)是否受潮，電介質(zhì)是否變質(zhì)以及是否被漬物臟污等。在設(shè)備電容量較小的前提下，可以通過(guò)對(duì)介質(zhì)損耗因素進(jìn)行測(cè)量來(lái)確定分布性缺陷與集中性缺陷。由此看來(lái)，用tan δ 對(duì)作為設(shè)備絕緣誤差的表示參數(shù)是行之有效的。交流電壓設(shè)備的絕緣特性如下圖。電流，由電容電流分量以及有功電流分量?jī)刹糠窒嗉佣伞?/p>

圖1 電容型設(shè)備絕緣等值電路與向量圖

2.介質(zhì)損耗數(shù)字化測(cè)量方法

將數(shù)字化技術(shù)運(yùn)用到介質(zhì)損耗因數(shù) tan δ 的測(cè)量之中。首先通過(guò)傳感器技術(shù)將所測(cè)試設(shè)備的電壓以及泄漏的電流信號(hào)進(jìn)行收集，然后將收集到的信號(hào)利用數(shù)據(jù)采集裝置轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)，運(yùn)用相關(guān)分析方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣處理。最后計(jì)算出二者之間的相位差，得到介質(zhì)損耗因素具體數(shù)值。目前數(shù)字化測(cè)量方法主要采用的有高階正弦擬合法和正弦波參數(shù)法。

(1) 高階正弦擬合法

該方法在非同步采樣條件下，運(yùn)用了高階正弦擬合法對(duì)δ進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)考慮，所得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一般會(huì)包括諧波和直流分量，所以該方法將基波頻率、直流分量以及基波和諧波分量的幅值以及初相角作為優(yōu)比對(duì)象。對(duì)采樣數(shù)據(jù)i和u，運(yùn)用高階正弦模型來(lái)進(jìn)行擬合。

假設(shè)被測(cè)量信號(hào)的分量有基波和諧波以及直流等分量。而且限制諧波在M 次內(nèi)，于是信號(hào)可表示為式(1)所示。

當(dāng)一采樣周期Ts內(nèi)進(jìn)行采樣后得到N點(diǎn)離散序列可以將擬合的目標(biāo)函數(shù)為式(2)所示。

(2) 正弦波參數(shù)法

該法首先假設(shè)所得電流電壓信號(hào)全為正弦信號(hào)，將信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，對(duì)所得數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理得到相應(yīng)的正弦波參數(shù)。進(jìn)一步得到相位差φ，之后通過(guò)相位差計(jì)算得到δ值。設(shè)電流i(t )及絕緣體兩端電壓u(t )的基波分量分別可以由式(3)、(4)表出。

由此可知：

對(duì)信號(hào)u(t )和i(t )采樣并計(jì)算求得C0，C1，D0，D1之后，既可根據(jù)(5)、(6)算出，之后進(jìn)一步求得介損角δ的值，設(shè)從某一刻起對(duì)u( t )和i( t )進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，采樣率為 fs，從而可得到M對(duì)采值u( tj)和i( tj)，其中 tj為不同的采樣時(shí)刻，采用最小二乘法來(lái)計(jì)算C0，C1，D0，D1時(shí)，能夠?qū)M合信號(hào)與實(shí)際信號(hào)誤差的平方和縮減到最小，令誤差平方和為：

為了使X、Y 為最小值，則下式成立：

通過(guò)上式建立出相應(yīng)的線性方程組，最終能夠求出tan δ 的值。

當(dāng) fs和 f 兩者滿(mǎn)足整數(shù)倍關(guān)系時(shí)正交性才能夠成立。所以要有相應(yīng)的硬件同步采樣卡才能夠保證該運(yùn)算方法在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)能夠正常使用。

總結(jié)上述各類(lèi)算法的特點(diǎn)：在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要擁有較快的反應(yīng)時(shí)間，高階正弦擬合法計(jì)算量過(guò)大不能夠很好地滿(mǎn)足系統(tǒng)快速性；相關(guān)分析法需要噪音消除環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理才能夠完成相應(yīng)流程，系統(tǒng)過(guò)于冗雜；正弦波參數(shù)法無(wú)法良好克服噪聲干擾并且采樣時(shí)間必須為周期性采樣所以也不滿(mǎn)足要求；諧波分析法可以很好的適用于系統(tǒng)構(gòu)建。

3.結(jié)論

綜上所述在線監(jiān)測(cè)所得的介質(zhì)損耗角 δ 存在一定的波動(dòng)，主要分為傳感器和現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾兩個(gè)方面的影響：

（1）在介損角測(cè)試中，要對(duì)基準(zhǔn)電壓以及被測(cè)電流兩種信號(hào)進(jìn)行獲取。電流信號(hào)被電流傳感器轉(zhuǎn)化為模數(shù)轉(zhuǎn)換器可識(shí)別的信號(hào)，之后傳送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器。電流傳感器在轉(zhuǎn)換電流信號(hào)的過(guò)程之中，都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，從而使得 tan δ 的測(cè)量受到影響。該影響是帶電測(cè)試中無(wú)法改變的誤差之一。故一般電流傳感器都會(huì)在銘牌上將角差標(biāo)注明確，計(jì)算過(guò)程之中可以參考。

（2）在檢測(cè)過(guò)程之中，由于待測(cè)的設(shè)備處于工作狀態(tài)下，各種干擾信號(hào)來(lái)源不一。這些干擾信號(hào)可以是電暈信號(hào)，以及來(lái)自外界的電場(chǎng)干擾信號(hào)，硅整流型號(hào)，以及非測(cè)量電氣設(shè)備內(nèi)的放電信號(hào)，作為廣播通訊信號(hào)以及電力系統(tǒng)內(nèi)部的高頻保護(hù)及載波通信信號(hào)等。

本文通過(guò)對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)值的測(cè)量方法進(jìn)行研究，從而得出設(shè)備絕緣狀況的好壞可以通過(guò)測(cè)量介質(zhì)損耗角來(lái)進(jìn)行反饋。之后將數(shù)字化技術(shù)運(yùn)用到介質(zhì)損耗因數(shù) tan δ 的測(cè)量之中，主要包括高階正弦擬合法和正弦波參數(shù)法，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要擁有較快的反應(yīng)時(shí)間，相關(guān)分析法需要噪音消除環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理才能夠完成相應(yīng)流程，系統(tǒng)過(guò)于冗雜；正弦波參數(shù)法無(wú)法良好克服噪聲干擾并且采樣時(shí)間必須為周期性采樣所以也不滿(mǎn)足要求。

[1]張?chǎng)?段本成.一種新型容性設(shè)備帶電檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償,2013,34(6)：74-79.

[2]王麗宏,杜榮華,趙建利.無(wú)線傳輸技術(shù)在容性設(shè)備帶電檢測(cè)中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)：理論與實(shí)踐,2015(4)：97-97.

[3]劉光祺,王科,彭晶等.容性設(shè)備絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與帶電檢測(cè)[J].云南電力技術(shù),2015,43(4)：27-30.

[4]龍凱華,郝震,郭紹偉等.容性設(shè)備末屏放電超聲檢測(cè)研究[J].華北電力技術(shù), 2012(12)：11-14.

[5]杜林,劉偉明,司馬文霞等.基于容性設(shè)備泄漏電流的電網(wǎng)電壓測(cè)量方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008,32(19)：67-70.