容性设备带电检测系统的研究

国网宁夏电力公司固原供电公司 杨剑锋 牛育忠 吕安璞 陈 彪沈阳工程学院电力学院 高 阳 王琳媛

1.引言

变电站的正常运转，离不开大量运行中的电容设备，各个电容设备相互绝缘各个变电站中设备之间的不同的排列使得他们形成了串联或者并联的电路。电容设备种类较多，一般情况下来讲主要包括了母线PT、套管、电容型变压器、氧化锌避雷器及电流互感器等。变电设备总数的45%左右都属于容性设备，可见其数量之庞大以及在变电设备安全运行的重要地位[10]。有统计数据显示，大多数导致容性设备出现故障的原因一般都是设备绝缘缺陷愈演愈烈不断扩大，从而使容性设备发生了局部放电或者击穿从而产生了问题。所以能否及时发现容性设备绝缘缺陷、将所发现的问题进行解决，对电网安全的保障具有很大意义。状态检修要求只根据设备的实际情况进行检测，并在需要时才安排维护和维护，这样不仅可以避免不必要的停电维护，同时，因为工作的预防性和针对性，可以很快的发现设备早期的绝缘缺陷。状态检修不仅可以避免了设备发生突发性事故，而且还能有效地延长了设备的使用寿命。目前技术所支持的对容性设备的在线监测主要测量数据包括了电容量大小以及介质损耗值大小等。要对电气设备进行绝缘劣化、局部缺陷、以及绝缘体是否受潮等检测，可以通过测量介质损耗角正切值来进行。介质损耗角正切值可以用符号tan δ 来表示。绝缘状态的劣化在绝缘性上的表现主要有以下几个方面：介质损耗值的增加，直至产生绝缘击穿现象；产生局部放电。然而以上两种现象都可以通过测量tan δ的值的变化来确定。

2.系统工作原理

介质损耗因数(tan δ )是用来衡量绝缘介质绝缘性能的因素，必须在交变电压的作用下进行测量。对介质损耗因素进行测量，能够反映出的测量结果有，介质是否受潮，电介质是否变质以及是否被渍物脏污等。将数字化技术运用到介质损耗因数 的测量之中。首先通过传感器技术将所测试设备的电压以及泄漏的电流信号进行收集，然后将收集到的信号利用数据采集装置转化为离散信号，运用相关分析方法对数据进行采样处理。最后计算出二者之间的相位差，得到介质损耗因素具体数值。目前主要采用的是有相关函数法和谐波分析法。

（1）相关函数法

假设 N 为T内的采样点数，则表达式可以如式(2.4)、(2.5)、(2.6)所示。

由此得出介质损耗角如式(2.7)所示。

可以明显看出，采用相关函数法可以简化计算，从而降低硬件要求增加抗干扰能力。

（2）谐波分析法

由此可见，将系统谐波干扰影响去除便可进行求解电容设备介质损耗因数从而得到ux(t )、ix(t )的初相角。由于实际获得的ux(t )、ix(t )属于有限长度的离散周期序列，因而分别用x(n)、y(n)将两者表示，以为例，将其进行离散傅里叶变换后为：

式中：XR(k)、X1(k)分别为X(k)的实部和虚部。

同理可以得出ix(t )的初相角，进而求其介质损耗因数。

在运用谐波分析法时，首先要将所测得的电压与电流信号运用傅立叶变换原理进行变换之后进行谐波分析，由基波分量得出介损角。谐波分析法运用了三角函数的正交性原理，之后对其进行傅立叶变换从而求得各项参数的基波参数。该方法能将各种干扰克服以保证精度与稳定性。

3.容性设备系统设计总体结构

在现场复杂的环境下被测电流信号十分微弱，所以测量绝缘介质损耗时对相位的精度要求很高。由于周围环境比较复杂，信号常常被淹没在外界干扰及白噪声中，因此要求采样设备应该具有良好的精度与稳定性。传感器的性能对信号采集准确性的影响是十分大的，传感器需要避免被测设备与测量设备直接接触产生干扰，采样时应保持两者具有良好的电气距离。因此，传感器的性能在绝缘在线监测系统的设计中就显得尤为重要。

本系统采用高精密泄漏电流传感器，主要采用差动比较及深度负反馈相结合的方式，选用坡莫合金作为铁芯，利用特征标定及匝数补偿法，设计高精密微弱交流泄漏电流传感器，相位误差不可高于1分。

传感器对于检测装置的运行，正如人的眼睛对于人体观察物体，都是不可或缺的。传感器在很大程度上决定着检测装置的精确与稳定性。有如CT,CVT,OY ,TB等泄漏电流相对较大，有的甚至达到了微安级。所以传统的无源传感器不能够满足检测装置的精确性与稳定性要求，故不适用于本系统的应用。如何在强磁场条件下进行信号的获取是系统设计的一个重要指标。

本系统基于有源零磁通技术开发了电磁式高精密泄漏电流传感器。而采用Rogowski线圈测量工频泄漏电流的不利之处在于因线圈互感太小无法准确的感应出电压大小，要能够测量电流的泄露就需要增大互感。

通过上式可以看出，互感 的大小与铁芯材料磁导率以及绕线匝数大小，线圈骨架尺寸等都有关系。线圈骨架尺寸对互感影响相对较小，故不能通过改变线圈骨架尺寸来改变互感。由于线圈绕线匝数由线圈骨架尺寸确定之后便基本决定了，有些时候多层绕制会降低线圈频率特性，所以绕线匝数也不能作为改变互感大小的关键。通过对目前通用的三种铁芯材料即冷轧硅刚片、坡莫合金和超微晶合金的性能进行比较,分析各种参数对传感器特性的影响，最终决定铁芯材料使用坡莫合金。该合金做铁芯损耗小，起始导磁率高，优点突出。通过采用深度负反馈技术，能够使得铁芯在零磁通量状态下工作。并且在线圈尺寸允许的范围里尽量的增加了线圈绕线的匝数。在设计结构时使用了穿芯结构，该结构对设备的安全有良好保障。经过一段时间的试用，对该传感器的检测能力进行评定认为该传感器能够准确检测100 —1000 的工频电流，其检测产生的相位变换误差不大于0.01°，比差：±0.005% ，非线性度<±0.003°，抗电磁场干扰能力以及温度特性都不错，能够胜任变电厂现场的复杂工况。对电压信号进行检测时，可以将电压信号通过无感电阻转换为电流信号进行测量。

外积分电路具有选频特性，可以对高压电气设备进行测量。电路等效图如图3.1所示。

图3.1 外积分等效电路图

该传感器的性能检测方法是，将传感器与电阻分流器以及高精度电流表一同接入一避雷针接地线上，之后对其加入3500伏电压。经过测试发现，泄漏电流传感器所测量的值与高精度电流表测量值相差2%，精度满足要求。设计的泄漏电流传感器和电阻分流器采样对比如图3.2所示：

图3.2 设计的泄漏电流传感器和电阻分流器采样对比

结果发现：将标准电阻分流器与泄漏电流传感器二者之间的电压时间分布图进行对比发现，二者峰值以及周期几乎相同。然而，标准电阻分流器因为受到空间电磁场以及电源谐波干扰，所采集的图像变形严重。而传感器采集的图像较为标准，这是因为其受空间电磁场的干扰被去除。

4.容性设备带电检测系统的数据分析

变电站运行现场，有很多因素会影响介损检测数据准确性和稳定性，除工频干扰因素外，还有如下原因：测量介损所选取的基准信号都取自PT的二次侧电压，而PT本身是存在误差的；二次回路负载的变化会导致PT误差的变化；环境温湿度的变化及表面泄漏电流的影响等。这些因素发生变化时，检测数据都会随之发生波动，且无规律可言。因此采样绝对介损的检测系统往往不能正确地进行识别判断，当然也就无法了解被测设备绝缘的真实状况。

设备之间电压等级相同的话，其运行工况、以及受到各种外界因素影响都基本相同，故相同设备的tan δ 测值受到的影响也基本相似。类似于消除共模干扰，相对介损测量能够在某些方面上将tan δ测值的影响抵消。相对介损法能够比传统绝对值判断法更加起到提高测量结果可信度消除外部环境影响的作用。

(1) 对于同类型、同母线、同相别的容性设备，电容检测数据及人介损受到母线PT的误差影响程度几乎相同。

(2) 对于具有相同结构的两个电气设备，检测数据结果受到外部环境因素影响程度相似，其电容量比值或者介损差值受到环境影响几乎为零。

(3) 对于同一组电气设备受到变电站运行方式变化的影响状况大体相同，检测结果的变化趋势也较为相似。

处于特高压变电站中，不论是外部干扰、机构动作还是环境条件变化均会引起测量结果的波动，如果根据单次测量结果进行判断则会引发误报，当前运用到的一些智能理论方法，如模糊理论、神经网络等有一些原因使得使用效果并不理想。绝缘物体的老化过程是一个缓慢的变化过程，而带电检测过程始终处于动态之中，在测量过程中，可以通过对某段时间内的实时均值进行测量从而得出相关数据来保证诊断结果的合理性。图4.1给出采用实时均值法进行数据处理的结果，证实建立的算法结果理想。

图4.1 数据处理结果

该系统还具备较为完整的自检功能，可以在输出检测数据的同时给出该数据的置信度，使得因系统故障而产生的错误数据被有效杜绝。当本地测量单元中任一部分出现问题时，检测系统会在用户计算机中向用户反映相应的故障信息。错误的测量数据也不会输出。

5.结论

本文主要对容性设备介质损耗及带电检测系统进行研究，采用相关函数法和谐波分析法得到容性设备的介损值，由分析得出相关函数法可以简化计算，从而降低硬件要求增加抗干扰能力。而谐波分析法运用了三角函数的正交性原理，之后对其进行傅立叶变换从而求得各项参数的基波参数。该方法能将各种干扰克服以保证精度与稳定性。带电检测系统采用高精密泄漏电流传感器，可以有效的提高测量精度，然后利用相关介损法对测得的数据进行分析，但是由于现在环境十分嘈杂，会对测量结果有很大影响，因此，今后带电检测系统还需提高对数据准确性的研究。

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