變壓器套管介損在線監測技術和方法的探討

梁書銘

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

【關鍵詞】變壓器套管 介損 在線監測 數字波形分析法

變壓器的高壓側套管易受高介電及熱應力影響，一些研究數據表明套管故障占到變壓器故障的40%，還有數據顯示52%的套管故障都是很嚴重的，會引起火災等嚴重危害而導致變壓器被迫停運，因此套管的在線監測是變壓器套管在線監測系統不可或缺的一部分。而我們通常根據套管的介質損失角的正切值tgδ（以下簡稱為介損值）、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判斷套管的絕緣狀況。不同的絕緣參數反應了套管不同方面的絕緣狀態。而介損值是在交流電壓作用下，電介質中的電流有功分量和無功分量的比值，在一定的電壓和頻率下，它反映電介質內單位體積中能量損耗的大小，它與電介質的體積尺寸大小，因此介損值是評價高壓設備絕緣狀況的有效方法之一。

1 影響在線監測系統測量介損值的因素

1.1 環境溫濕度

絕緣材料的絕緣性能會隨著溫度的變化而發生變化，空氣的相對濕度較大，也會使絕緣表面形成低電阻導電回路，從而使介損值發生明顯的變化。對于容性設備，充油套管的介損值會隨著溫度升高而上升，而對于油紙電容套管的介損值在-40～+60℃的溫度范圍內，介損值會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℃的范圍內是很小的。

1.2 電網頻率的不斷變化

在電網的實際運行中，電網的頻率并不是一成不變的，經常會在在一定的范圍內波動，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，又會產生泄露效應和柵欄效應，而導致相位計算誤差的增大，進一步影響到介損值的檢測。

1.3 間干擾

在變電站里，由于電磁場的影響，三相設備如果并列平行運行，彼此之間會產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測系統所測的阻性電流肯定會包含了相間容性電流，這就必然會影響到所測介損值的準確性了。而相間干擾的所產生的測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，當主電流遠大于相間干擾電流的時候，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。而對于套管來說，由于主電流一般都會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。

1.4 系統諧波

諧波是不斷地產生，不斷地發生變化的，其初相角、波形畸變率和頻率都影響在線監測系統對介損值的測量精度，而電力系統中的諧波無處不在。因此，要保證介損值的測量精度，就必須保證測量單元內的三次諧波含量保持在1%以內。在硬件方面可以通過濾波電路過濾掉系統的高次諧波，在軟件方面可以通過改進介損值在線監測的算法來增加的測量精度。

1.5 PT角差

介損在線監測系統需要從母線PT二次測量端子抽取電壓作為標準電壓信號，但PT二次電壓相對于一次電壓會由于角差的存在而發生相位變化，從而影響介損值的測量。電網的頻率、PT的一次負載和二次負載的變化都會引起到角差的變化，其中二次負載變化的影響最明顯，過大的角差所造成的測量誤差會影響到對設備絕緣真實狀況的判斷，因此，必須采取措施消除或減小PT角差對測量的影響。

2 介損值的測量方法

根據套管的絕緣特性，套管的結構在電氣上可等效為電容與電阻的并聯支路。如圖2-1所示。

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

介質值和電容值目前最有效的檢測方法為數字波形分析法，主要原因如下： 數字波形分析法通過電流和電壓信號的測量，并將電壓和電流信號轉為數字信號，然后進過數字頻譜分析計算出電壓和電流基波的幅值，再通過對比基波相位差來求計算出介損值，也就是對電壓和電流進行傅里葉級數分解（電壓和電流需滿足狄里赫利條件），具體表達式如下：

而數字波形分析法的基本原理是在諧波分析法的基礎上實現的，其基本原理是對于一個非正弦周期信號f（t）（周期信號滿足f（t）= f（t-nT）），其中T為周期，n=1，2，3…，可以展開傅里葉級數。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，因此介質損耗角以及電容量也就確定了。

δ=-

因此，從數字波形分析法的原理可以看出，主要有以下兩個優點：（1）數字波形分析法是對從電流、電壓信號中分離出的基波成分進行分析的，所以從根本上消除了變電站現場的干擾和諧波對測量結果的影響。（2）由于主要工作是在軟件內完成，不需要對波形進行預處理，除傳感器外無需額外的硬件，而且容易克服系統的隨機誤差，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確的基波頻率，并通過幾次測量結果去平均值消除硬件電路中的隨機誤差。

數字波形分析法在應用存在以下兩個問題：

（1）測量準確度的問題：根據數學測量理論，數字波形分析系統的基本誤差是量化誤差，其主要表現為幅值誤差。數字測量的最大量化誤差為：

設A/D轉換器的標稱電壓為U，則最大精度量化誤差為

若被測信號的幅值為Um，則由量化誤差引起的幅值最大相對誤差為

由上可知，提高被測電壓的幅值Um，降低A/D轉換器的標稱電壓U。或增加A/D轉換器的位數，都可減小幅值誤差。

（2）穩定性問題。目前所有在線監測系統中最重要的問題就是系統穩定性的問題，很多系統的測量結果都有較大的分散性，數據穩定性低，這個問題在數字波形分析系統中也存在著。影響系統穩定性的因素有很多。主要因素還是硬件的質量低、電路設計不合理以及裝配工藝不良造成的，所以當前解決這個問題的辦法就是選用質量高，工藝好的檢測裝置，并且利用軟件對數據進行進一步的輔助處理，如采用多次平均的方法消除隨機誤差。

3 結語

通過以上分析可見，可通過在數字波形分析系統中提高A/D轉換器的位數來減少的量化誤差；通過選用質量高，工藝好的檢測裝置來提高系統的穩定性，其缺點都能較好的得到解決，而優點又非常明顯，投資費用小，抗干擾能力強，因此對于變壓器套管在線監測系統采用數字波形分析系統是可行的。

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