容性設(shè)備多渠道狀態(tài)評(píng)價(jià)方法研究

施濤　王清波　鄒璟　王朝宇　方勇　路智欣　段永生

摘 要：本文首先分析了高壓容性設(shè)備的電氣等效方法，并介紹了介質(zhì)損耗的原理。容性設(shè)備介質(zhì)損耗測(cè)試方法包括四類(lèi)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法和離線(xiàn)預(yù)防性試驗(yàn)法，在資源有限的情況下給出帶電測(cè)試法（絕對(duì)法和相對(duì)法）的重要性。提出了基于離線(xiàn)補(bǔ)充法的閉環(huán)在線(xiàn)介質(zhì)損耗測(cè)試，通過(guò)算例分析得出該方法可以形成對(duì)容性設(shè)備的閉環(huán)控制，提高設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)效率。

關(guān)鍵詞：介質(zhì)損耗;在線(xiàn)監(jiān)測(cè);離線(xiàn)預(yù)防性試驗(yàn);閉環(huán)控制

0 前言

電氣設(shè)備的安全可靠是實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，而電氣設(shè)備（尤其是高壓設(shè)備）損壞事故很大一部分是絕緣損壞引起的，因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的絕緣缺陷對(duì)保障電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要意義。電容型設(shè)備介質(zhì)損耗測(cè)試方法有在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法和離線(xiàn)預(yù)防性試驗(yàn)法。

在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法能利用運(yùn)行電壓對(duì)高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，從而大大提高試驗(yàn)的真實(shí)性與靈敏度，彌補(bǔ)緊靠定期離線(xiàn)監(jiān)測(cè)的不足，對(duì)實(shí)現(xiàn)從定期檢修轉(zhuǎn)向狀態(tài)檢修具有非常重要的意義[1-12]。目前離線(xiàn)預(yù)防性試驗(yàn)法是電容型電力設(shè)備絕緣診斷的主要手段[13]，即根據(jù)電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程的規(guī)定，定期地對(duì)停電的電容型設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，然而，隨著對(duì)供電可靠性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求不斷提高，預(yù)防性試驗(yàn)暴露出問(wèn)題越來(lái)越多，高壓電容型設(shè)備介質(zhì)損耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的地位越來(lái)越突出，介質(zhì)損耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)又不可能完全代替離線(xiàn)預(yù)防性試驗(yàn)，本文針對(duì)上述矛盾，綜合在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法和離線(xiàn)預(yù)防性試驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)，提出了離線(xiàn)補(bǔ)充法的在線(xiàn)介質(zhì)損耗測(cè)試，并通過(guò)算例分析得出離線(xiàn)補(bǔ)充法的在線(xiàn)介質(zhì)損耗測(cè)試在實(shí)際工程應(yīng)用中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 高壓電容型設(shè)備介質(zhì)損耗分析

如圖1.1為高壓容性設(shè)備的電氣等效圖，（a）圖為套管等效電路，套管由于表面有電位降，可以等效成沿著此表面有單位電容Cn的n個(gè)電容串聯(lián)而成。同時(shí)這個(gè)單位電容層對(duì)套管導(dǎo)體還存在有互相并聯(lián)的單元體積電容Cv1、Cv2、…、Cvn;R為套管有功功率損耗對(duì)應(yīng)的等效電阻。當(dāng)電容式電壓互感器忽略其電磁效應(yīng)的影響，其等效電路與支柱絕緣子等效電路相似，只有對(duì)應(yīng)的參數(shù)不同。如（b）圖為支柱絕緣子和電容式電壓互感器的等效電路，絕緣子本身電容由Cn1、Cn2、…、Cnn串聯(lián)而成，相應(yīng)的單元對(duì)應(yīng)的對(duì)地電容為Ce1、Ce2、…、Cen，對(duì)導(dǎo)線(xiàn)電容為Cv1、Cv2、…、Cvn;R為相應(yīng)有功功率損耗對(duì)應(yīng)的等效電阻。（a）和（b）等效電路可以用戴維南等值電路等效，C為戴維南等效電容，R為戴維南等效電阻。

由（c）圖的戴維南等值電路，流過(guò)電介質(zhì)的電流? ? 就可以分為有功分量? ? ?和無(wú)功分量? ? ?兩部分。

2 介質(zhì)損耗測(cè)試方法

2.1 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法

介質(zhì)損耗因數(shù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的方法有四類(lèi)：一類(lèi)是改進(jìn)在線(xiàn)測(cè)量方法，包括綜合相對(duì)測(cè)量法和絕對(duì)測(cè)量法，通過(guò)研究表明綜合相對(duì)測(cè)量法較絕對(duì)測(cè)量法準(zhǔn)確性高;第二類(lèi)是改進(jìn)在線(xiàn)測(cè)量軟件計(jì)算方法;第三類(lèi)改善硬件電氣參數(shù)提取能力，提高介質(zhì)損耗因素測(cè)試的精確度;第四類(lèi)是計(jì)劃帶電試驗(yàn)法。其中前三類(lèi)采用1個(gè)中央監(jiān)控器（SV）和若干個(gè)設(shè)備測(cè)量單元（DE）

構(gòu)成系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的介質(zhì)損耗，如圖2.1所示。提高測(cè)量單元數(shù)據(jù)精度的方法有三種，第一種是采用高精度的恒角差的微電流傳感器技術(shù)，第二種是提高測(cè)量單元的數(shù)據(jù)采集能力，第三種是改進(jìn)數(shù)據(jù)的處理算法，如采用海寧加權(quán)插值快速傅里葉變化FFT算法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，從而降低了介質(zhì)損耗因數(shù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的誤差。在用快速傅里葉變化FFT求出電壓、電流信號(hào)基波傅里葉系數(shù)時(shí)，考慮到FFT的泄露效應(yīng)和柵欄效應(yīng)，采用加多項(xiàng)余弦窗算法對(duì)FFT進(jìn)行修正，進(jìn)一步提高了測(cè)量單元的準(zhǔn)確性。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題是建設(shè)成本巨大，在中國(guó)很多供電局并沒(méi)有建設(shè)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而是采用第四類(lèi)計(jì)劃帶電測(cè)試法，計(jì)劃帶電測(cè)試法分絕對(duì)法和相對(duì)法。絕對(duì)法是指測(cè)量時(shí)需要選取電壓參考信號(hào)作為介損電橋的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，電壓信號(hào)一般在電壓互感器二次側(cè)獲取，測(cè)量同一母線(xiàn)下的容性設(shè)備。相對(duì)法是指選取同一母線(xiàn)下的某臺(tái)容性設(shè)備參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)值，比較其他容性設(shè)備的介損值，如圖2.2所示，Cx為被試品電容，Cn為標(biāo)準(zhǔn)電容值，In為參考信號(hào)輸出電流值，Ix為被試品電流輸出值。（a）圖為絕對(duì)測(cè)量法的接線(xiàn)原理圖，（b）圖為相對(duì)測(cè)量法的接線(xiàn)原理圖，相對(duì)法的判斷依據(jù)如下：

按計(jì)劃臨時(shí)布置在線(xiàn)介損測(cè)試系統(tǒng)，這種方法投資成本少，缺點(diǎn)是不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)介損，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常時(shí)，必須安排停電，采用離線(xiàn)補(bǔ)充試驗(yàn)法，確認(rèn)設(shè)備是否繼續(xù)投運(yùn)。

2.2 離線(xiàn)預(yù)防試驗(yàn)法

離線(xiàn)預(yù)防試驗(yàn)法就是根據(jù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，按計(jì)劃停電對(duì)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并做出投運(yùn)或退出評(píng)估。電容型設(shè)備介質(zhì)損耗預(yù)防試驗(yàn)法有正接法、反接法，其原理接線(xiàn)如圖2.3所示，圖中Cx為試品電容，In為被試品電流輸出值，? ? ?為檢修電源電壓。正接法的優(yōu)點(diǎn)是試品兩端對(duì)地絕緣，電橋處于低電位，試驗(yàn)電壓不受電橋絕緣水平限制，易于排出高壓端對(duì)地雜散電流對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果的影響，抗干擾性強(qiáng)。反接法的缺點(diǎn)是測(cè)量時(shí)電橋處于高電位，試驗(yàn)電壓受電橋絕緣水平限制，高壓端對(duì)地雜散電容不易消除，抗干擾性差。

其中電容式電壓互感器（CVT）由于無(wú)中間抽壓端子，無(wú)法使用常規(guī)的正接法、反接法測(cè)量C11、C2電容及介損值。自激法是以CVT的中間變壓器作為試驗(yàn)變壓器，從二次側(cè)施加

電壓對(duì)其進(jìn)行激磁，在一次側(cè)感應(yīng)出高壓作為電源來(lái)測(cè)量C11、C2的電容及介損值，其原理接線(xiàn)圖如圖2.4所示，圖中1a、1n、2a、2n、3a、3n、da和dn為電壓互感器的二次端子，T為鐵芯，Z為da、dn之間的保護(hù)電抗，X為接地端，Ix為試品電流值，Cn為標(biāo)準(zhǔn)電容，C12和C13為互感器的其他電容，這兩個(gè)電容采用反接法測(cè)量，Ux和Un分別為平衡電橋輸入電壓。

3 離線(xiàn)補(bǔ)充法的在線(xiàn)介質(zhì)損耗測(cè)試

離線(xiàn)補(bǔ)充法是指設(shè)備經(jīng)過(guò)在線(xiàn)測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)異常后對(duì)相應(yīng)設(shè)備停電，采用離線(xiàn)預(yù)防試驗(yàn)法復(fù)試，最終確定設(shè)備是否投切，離線(xiàn)補(bǔ)充法實(shí)施的流程如圖3.1所示。

從圖3.1可以看出，加大在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的力度，可以提高工作效率和設(shè)備從定期檢修轉(zhuǎn)向狀態(tài)檢修的重要意義，而離線(xiàn)預(yù)防性試驗(yàn)可以補(bǔ)充在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法的缺陷，形成對(duì)容性設(shè)備狀態(tài)的的閉環(huán)控制。

4 算例分析

某供電局2013年03月14日，試驗(yàn)員工按計(jì)劃對(duì)某變電站臨時(shí)建立了帶電介質(zhì)測(cè)試系統(tǒng)，在對(duì)220kV某線(xiàn)路電流互感器C相電流互感器測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)損耗因素 相對(duì)2012年在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)5陪，而上次對(duì)該設(shè)備停電預(yù)試時(shí)間為2010年07月16日。如圖4.1、4.2所示，3是帶電測(cè)試電容和介損對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)，從曲線(xiàn)3可以看出，帶電測(cè)試得到的是一個(gè)點(diǎn)的值，135kV對(duì)應(yīng)的電容量為950.2pF，介損為1.254，可以初步斷定該電流互感器C相有嚴(yán)重絕緣劣化趨勢(shì)。1是離線(xiàn)預(yù)防性試驗(yàn)法得出的絕緣劣化時(shí)電容和介損隨電壓的變化曲線(xiàn)，2是離線(xiàn)預(yù)防性試驗(yàn)法得出的絕緣正常時(shí)電容和介損隨電壓的變化曲線(xiàn)。當(dāng)電壓為135kV時(shí)，對(duì)應(yīng)的電容量為949.2pF，介損為1.225，按規(guī)程規(guī)定，判定該設(shè)備已經(jīng)處于絕緣劣化，通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)，將設(shè)備投入正常電壓下運(yùn)行，8天后設(shè)備絕緣擊穿并發(fā)生漏油，該設(shè)備被淘汰。從圖中可以看出，絕緣劣化與絕緣正常的曲線(xiàn)增長(zhǎng)速度直接反應(yīng)了設(shè)備的絕緣狀態(tài)，絕緣劣化時(shí)電容和介損隨電壓的增長(zhǎng)速度很快，反之側(cè)很慢。

通過(guò)上述分析，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)容性設(shè)備的絕緣劣化趨勢(shì)，而離線(xiàn)預(yù)防性補(bǔ)充法可以進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)備的劣化問(wèn)題，為檢修提供堅(jiān)實(shí)可靠的判定。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了容性設(shè)備介質(zhì)損耗原理及其對(duì)應(yīng)的等效電路，在此基礎(chǔ)上分析了四類(lèi)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法、三種離線(xiàn)預(yù)防性試驗(yàn)法。綜合在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法和離線(xiàn)預(yù)防性試驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)，提出了離線(xiàn)補(bǔ)充法的在線(xiàn)介質(zhì)損耗測(cè)試，并通過(guò)算例分析得出離線(xiàn)補(bǔ)充法的在線(xiàn)介質(zhì)損耗測(cè)試在實(shí)際工程應(yīng)用中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。限于文章篇幅，未對(duì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)法和離線(xiàn)預(yù)防性試驗(yàn)法的具體算法做詳細(xì)的研究。

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