容性設備在線監測方法綜述

梁靜，申文棟

(山西省電力公司晉城供電分公司，山西 晉城 048000)

1 引言

電容型電氣設備主要指電流傳感器、套管、耦合電容、電容式電壓互感器等［1］。在電力系統中應用廣泛，主要起功率補償、整流濾波和過電壓保護等作用，電容器性能的好壞直接關系到電網的正常運行。由于高壓電氣設備損壞事故中大部分是絕緣損壞引起的，因此及時有效地發現絕緣存在缺陷對于保障電網安全具有重要意義。為了確保電力系統電氣設備的安全運行，根據過去長期的運行經驗及試驗研究，逐步確立了一些預防性試驗項目，這些預防性試驗項目已經發揮過不少積極作用，但是規程要求定期對電氣設備停電進行絕緣預防性試驗和檢修，具有一定的盲目性，造成人力、物力的大量消費，而且還不能及時發現電氣設備的絕緣潛伏性故障［2］。

在線監測能利用運行電壓對高壓設備絕緣狀況進行試驗，可以大大提高試驗的真實性與靈敏度，彌補僅靠定期離線檢測的不足之處。隨著電子測試技術的進步以及管理水平的提高，對于電力設備的健康狀況的判斷和維護，已經從預防性檢修逐步向狀態檢修和預知檢修的方向發展。在眾多的電氣設備中，對于容性設備(如電壓互感器、變壓器套管、耦合電容器等)，其絕緣狀況的監測主要基于對其電容量、介質損耗值(tgδ)的監測［3］和絕緣電阻。

2 電容型設備的結構特點及等效電路

2.1 套管

套管是將載流導體引入變壓器或斷路器等電氣設備的金屬箱內或母線穿過墻壁時的引線絕緣。瓷套管以瓷作為主要絕緣，電容套管、充油套管則以瓷套作為外絕緣(如圖1所示)。

圖1 穿墻套管

套管表面電壓分布很不均勻，在中間法蘭邊緣處電場十分集中，極易從此處開始電暈及滑閃放電。同時，法蘭和導桿間的電場也很強，絕緣介質易被擊穿［4］。

高壓套管按其主絕緣結構分類如表1所示。

表1 高壓套管按主絕緣分類

套管由于表面有電位降，可以想象沿著此表面有單元電容Cs的串聯。同時這個單元電容層對套管導體還存在有互相并聯的單元體積電容CV，因為這里同樣存在有一個電壓降，其他電容相對較小，因此有等效電路(如圖2所示)。

2.2 支柱絕緣子

支柱絕緣子是支承高壓配電裝置母線和高壓電器帶電部分(如觸頭)的絕緣支柱，它由瓷柱和上、下金屬附件通過水泥膠裝而成。目前我國生產的支柱絕緣子絕緣件一般均為瓷件。膠合劑一般是由不低于42.5號的硅酸鹽水泥和瓷沙配制的［7］。此外，還有采用硫化石墨膠合劑膠裝的。金屬附件一般由鑄鐵制成，表面刷上防銹漆或熱鍍鋅。

圖2 套管等效電路圖

按外形結構和工作條件的不同，分為戶外、戶內兩大類。戶外支柱絕緣子采用帶傘的實心圓瓷柱來增加電極間沿瓷表面的泄露距離，以提高濕閃絡電壓。而戶內支柱絕緣子則不需考慮濕閃的問題，多采用空心或實心的圓柱形瓷件和金屬附件組成［8］。

戶內絕緣子按照結構可分為外膠裝、內膠裝和聯合膠裝三種，其中較為常見和使用的是內膠裝和聯合膠裝。

支柱絕緣子的等值電路(如圖3所示)。

圖3 支柱絕緣子等效電路圖

其中，絕緣子本身電容為C，對地電容Ce，對導線電容為Cl，在實際中Ce和Cl兩種雜散電容同時存在，其中Ce的影響比Cl要大，所以絕緣子串靠近導線的絕緣子的電壓降最大，當靠近地面時，Cl作用顯著，電壓降又有所升高。

2.3 電壓互感器

電力系統中用電壓互感器將高電壓的信息傳遞到低電壓二次側的計量、測量儀表及繼電保護、自動裝置的一種特殊變壓器，是一次系統和二次系統的聯絡元件。

電壓互感器按照其絕緣介質分類可分:

(1)干式電壓互感器，由普通絕緣材料浸漬絕緣漆作絕緣，多用在500V及以下低電壓。

(2)澆注絕緣電壓互感器，由環氧樹脂或其他樹脂混合材料澆注成型，多用在35kV及以下電壓等級。

(3)油浸式電壓互感器，由絕緣紙和絕緣油作為絕緣，是我國最常見的結構形式，常用于220kV及以下電壓等級。

(4)氣體絕緣電壓互感器，由SF6氣體作主絕緣，多用在較高電壓等級［9］。

電壓互感器按照電壓變換原理可分為電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器，當系統中電壓等級達到或超過330kV時，電磁式電壓互感器由于絕緣結構制約、制造成本大大提高，因此在以上電壓等級幾乎全部采用電容式電壓互感器。它不僅有體積小、重量輕、絕緣結構合理的優點，還可以兼做電力線路高壓載波耦合電容器來使用。而在35kV、66kV、110kV電壓等級，它雖然價格優勢不大，但是具有不與線路諧振的優點，因此也得到使用。但它在準確度和穩定性方面較傳統的電磁式還有一些不足［10，11］。

當電容式電壓互感器忽略其電磁單元的影響，可以近似把它等效看成一個電容器，其等效電路圖應與支柱絕緣子相似，但其各部分對地電容和對導線電容及其參數變化會有不同。

3 介質損耗因數在線監測方法

常見的測量介損方法主要通過硬件和軟件兩種途徑實現［12］。

3.1 硬件方法

也稱為直接測量法，主要有過零比較法和基于電橋平衡原理的介損測量方法等。過零比較法和西林電橋法是最早應用在介損測量中的，在前端信號濾波效果很好的情況下，可以達到較高的精度和分辨率。

(1)過零比較法:根據電壓、電流信號過零點的時間差或電壓、電流歸一化后過零點附近兩信號幅值差獲得信號的相角差［13］。

優點:原理簡單、易于實現、測量分辨率高、線性度好。

缺點:對過零點的要求極高，易受硬件的影響，比較器的零點漂移會造成過零點不準，從而帶來測量誤差，硬件通道延時等對測量精確度的影響也較大。另外，采用高速計數器計數會增加裝置的復雜［14］。

(2)西林電橋法:對西林電橋法進行改進，進行數字化處理，同時在系統中用微處理器進行控制，提高了測量的性能。

優點:在前端信號濾波效果很好的情況下，可以達到較高的精度和分辨率。

缺點:硬件處理環節過多，對硬件要求太高，在測量過程中受電磁干擾、諧波干擾等十分明顯，會造成較大的誤差和分散性［15］。

受基于信號處理的思想的影響，目前可行的方法多為軟件方法。軟件方法一方面可以減少硬件線路設計的難度和復雜性;另一方面則能利用算法固有的精確性來提高計算結果的精度。

3.2 軟件方法

也稱為信號重建法，主要以諧波分析法為代表，它根據i、u的采樣數據重建正弦信號，再由波形參數求得φ，如正弦波參數法、高階正弦擬合法和相關系數法，諧波加窗改進法等［16］。

(1)正弦波參數法:該算法用基波去逼近信號，將基波幅值看成變量，基波頻率看成常量，高次諧波看成干擾，根據最小二乘法或三角函數的正交性來獲得介質損耗角［17］。

優點:該方法原理簡單、實現容易、計算量小。

缺點:需要獲得基波信號的頻率，另外，正弦波參數法應用了三角函數正交性，但正交性僅在和滿足整數倍時才成立。因此，應用正弦波參數法時，需要相應的硬件同步采樣卡。

(2)高階正弦擬合法:非同步采樣條件下測量介損的算法，考慮到實測數據可能包含直流和諧波分量，所以它以直流分量幅值、基波頻率、基波和諧波分量的幅值和初相角為優化對象，用高階正弦模型來擬合i、u的采樣數據［18］。

優點:在一定程度上解決了非同步采樣的問題。

缺點:采用最小二乘擬合法在多數情況下并不能獲得問題的全局最優解，同時，高階正弦擬合法實際上是一種迭代的數值計算方法，即使進行簡化該算法的計算量仍然很大，只適用于在工控機上完成計算，而無法用于單片機或微處理器系統［19］。

(3)相關系數法:相關函數法利用自相關函數和互相關函數經過一定的算式計算介質損耗角。

優點:相關函數法只要求整周期采樣，未具體要求采樣點數。可以簡化硬件設計，并且可以較好地解決FFT在非整周期采樣時的頻譜泄漏問題。

缺點:對前置的帶通濾波器有較高的要求，在非整周期采樣時容易產生較大誤差［20］。

(4)諧波加窗改進法:介質損耗值計算中的諧波分析，通常都是通過快速傅立葉變換實現的。然而，在數據采集時，即使采樣頻率滿足奈奎斯特定理，但如果不是同步采樣，就將帶來泄漏效應及柵欄效應，為了減少諧波間的相互干擾，從而進一步提高了計算精度，引入諧波加窗。Blackman－Harris窗作為一種余弦窗，在頻域的卷積運算簡單易行，因而有利于插值公式的推導和改進［21］。

優點:算法通過加Blackman－Harris窗在很大程度上抵消了非同步采樣導致的頻譜泄露和柵欄效應，抗諧波干擾，即使在非同步采樣下該方法計算所得的介損仍具有很高的精確度［22］。

缺點:如果電網頻率不是采樣頻率的整數倍，計算出的介損值仍會有較大的誤差。

4 其他在線監測方法

4.1 泄露電流和電容量的測量

泄露電流一般也會用來作為在線監測電容型設備，它可以發現一些尚未完全貫通的集中性缺陷。然而測試現場環境復雜，強電磁場交互作用，從而使測試信號極易受到強電場的干擾，導致測試結果不準確。因此要求信號采集和傳輸設備具有較高的穩定性和抗干擾性。

電容量的測量是根據泄漏電流和采集的母線電壓換算得到的。國內泄漏電流和電容量在線監測裝置數據準確、穩定，可以滿足現場需要。

文獻［23］介紹了根據三相容性設備泄漏電流和的變化量來判別設備的絕緣狀態的基本原理和方法:對稱三相系統電壓對稱平衡，且同組設備的參數完全一致時，其泄漏電流之和為零。而一般三相設備的參數不可能完全一致，故三相泄漏電流和總是存在的。可以認為設備泄漏電流的變化主要是由其電容的變化決定的，因此它也可作為一種在線監測的方法。

這一方法，其測量結果易受多方面因素的干擾，如:三相電壓波動或不平衡、系統頻率及三相測量電路漂移、信號中的諧波成分等等。

4.2 局部放電的在線監測

目前已較多的采用電氣法和超聲法相結合，并樂于用多探頭同時進行檢測，以提高在線監測的準確性，而且還有可能對設備內部的局部放電進行大致定位。但是干擾問題仍比較嚴重。除此之外，還有油中氣體含量的監測，基于紅外技術的在線監測等方法。

文獻［24］指出，基于介損的在線監測幾乎是判斷容性試品故障的最有效的依據，而其他諸如局放，超聲測量法，油中溶解氣等方法并不能保證單一的有效判斷出容性試品的故障，但是在一定的故障情況下，可以作為判斷的一個輔助依據。

5 電容性設備在線監測的信號取樣位置

系統的泄漏電流取樣由電容、套管或支柱絕緣子等容性設備的接地線上的小電流傳感器取得，采集設備末屏的電流信號非常微弱，一般為mA級。而電壓采樣信號分別由三相電壓互感器的二次側提取。信號取得(如圖4所示)。

圖4 信號取樣位置圖

6 電容性設備的常見故障

套管:套管的表面電壓分布很不均勻，在中間法蘭邊緣處十分密集，如果恰逢末屏接觸不良則很易從此開始電暈及滑閃放電。另外，由于高壓套管的制造工藝的原因，以及設備老化等的影響，在運行中可能發生套管內部電容屏發生擊穿從而產生貫穿性的導電通道，從而使套管出現裂紋，嚴重時還可能出現套管爆炸的惡性事故。

支柱絕緣子:高壓支柱絕緣子大多安裝在戶外，經受著日曬、雨淋、氣候變化及化學物質的腐蝕。因此，正常運行時，很容易發生濕閃和污閃，從而造成系統的對地短路。另外，由于高電壓等級的支柱絕緣子通常較高，受機械應力的影響，在運行了一段時間之后，由于老化等因素還可能造成絕緣子的斷裂。

電容式電壓互感器:CVT在運行過程中經常會出現故障，根據事故統計，40%的事故是在運行中電容器發生爆炸，26%的事故是電磁單元在運行中絕緣損壞造成擊穿［31］，其他諸如二次側電壓下降以及失壓等也較為常見。其中很大一部分是由于CVT本身制造質量不佳致使鐵芯氣隙變化，從而引起的電容部分擊穿，另有一些由于安裝錯誤引起諧振，導致設備的故障。除此之外，系統中常出現的匝間短路及外部短路也是導致CVT損壞的一個重要原因。

7 結語

應用絕緣在線監測系統可實時掌握變電站高壓設備的絕緣狀況，對提高設備的運行維護水平，及時發現事故隱患，減少停電事故有著積極的意義。

本文對現有的介損監測方法和其他方法進行了詳細的分析比較，介紹了各自的原理和性能，指出了容性設備常見的故障，說明了當前的高壓電容設備在線監測方法仍需要繼續改進和提高。

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