第4章 電容型設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷1

1、第4章 電容性設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)電容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的主要特征量電容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的主要特征量介損的基本理論知識(shí)介損的基本理論知識(shí)介損監(jiān)測(cè)的電橋法介損監(jiān)測(cè)的電橋法介損監(jiān)測(cè)的相位差法介損監(jiān)測(cè)的相位差法介損監(jiān)測(cè)的數(shù)字分析法介損監(jiān)測(cè)的數(shù)字分析法第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、電容性設(shè)備的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一、電容性設(shè)備的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目電容性設(shè)備：高壓套管、電容式電壓/電流互感器、耦合電容器、電力電容器等。110kV及以上的電容型設(shè)備的高壓端對(duì)地電容約在200-5000pF范圍內(nèi)。 如：110kV及以上的電容套管的電容值多數(shù)在500pF左右，220kV及以上電容式電流互感器約1000pF， 500kV電容式電壓互感器的電容量為5

2、000pF，110kV和220kV耦合電容器電容量分別為6600pF和3300pF。電容性設(shè)備的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：C、Ix、tan等反映介電特性的參數(shù)。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、電容性設(shè)備的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一、電容性設(shè)備的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目電容性設(shè)備監(jiān)測(cè)參量的意義tan是設(shè)備絕緣的局部缺陷中介質(zhì)損失引起的有功電流分量Ir和設(shè)備總電容電流Ic之比，它對(duì)發(fā)現(xiàn)絕緣的整體(即包括了大部分體積)劣化如絕緣均勻受潮較為靈敏，而對(duì)局部缺陷(即體積只占介質(zhì)中較小部分的缺陷和集中缺陷)則不易用測(cè)tan的方法發(fā)現(xiàn)，設(shè)備絕緣的體積越大，越不易發(fā)現(xiàn)。測(cè)量絕緣的電容Cx或流過絕緣的電流Ix除了能給出有關(guān)可引起極化過程改變的介質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的信息

3、(例如：均勻受潮或嚴(yán)重缺油)外，還能發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的局部缺陷 (絕緣部分擊穿)。但發(fā)現(xiàn)缺陷的靈敏程度也和絕緣損壞部分與完好部分體積之比有關(guān)。1. 帶電檢測(cè)的監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)形式帶電檢測(cè)系統(tǒng)常將采樣用的各類傳感器安裝于所監(jiān)測(cè)的設(shè)備上，將 A/ D轉(zhuǎn)換、微型計(jì)算機(jī)及其外圍電路等集中于相應(yīng)的便攜式儀器中，用于對(duì)所采集的參量進(jìn)行分析，以判斷設(shè)備的狀態(tài)。采用這種方式投資少，配置方便、靈活。但不能連續(xù)監(jiān)測(cè)，不能集成所有的設(shè)備和項(xiàng)目，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和集中管理。 電容性設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)形式電容性設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)形式2.集中式在線監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)形式n模擬信號(hào)傳輸n電纜用量少n計(jì)算機(jī)采集、處理電容性設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)形式電容性設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)形式

4、3.分布式在線監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)形式n采用數(shù)字傳輸技術(shù)，信號(hào)不易失真；n計(jì)算就地完成，減少數(shù)據(jù)的傳輸量和主控模塊的工作量，同時(shí)可實(shí)施就地監(jiān)測(cè)；n采用現(xiàn)場(chǎng)總線，傳輸電纜少，且系統(tǒng)的開放性和擴(kuò)展性好；n成本較高。電容性設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)形式電容性設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)形式n分布式在線監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)形式電容性設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)形式電容性設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)形式1.直接耦合式可將試品電流轉(zhuǎn)化為較高的電壓 (如幾十伏)輸出，用模擬量傳輸，信噪比高，但要改變?cè)嚻返慕拥胤绞健?.電容接入式2.電阻接入式3.阻容接入式2.磁性耦合方式采用單匝穿芯傳感器，分有源和無源兩種類型，都不改變?cè)嚻吩瓉淼慕拥胤绞?，且與試品之間有磁的隔離。1.普通電流傳感器2.零

5、磁通傳感器傳感器接入方式傳感器接入方式n信號(hào)傳輸形式n直接耦合方式n磁耦合方式n網(wǎng)絡(luò)總線標(biāo)準(zhǔn)nRS485總線nCan總線nTCP/IPn其它信號(hào)傳輸信號(hào)傳輸三、電介質(zhì)的損耗1. 電介質(zhì)的能量損耗n在直流下，電介質(zhì)損耗用體積電導(dǎo)和表面電導(dǎo)表達(dá)n在交變電場(chǎng)(工頻)下，n對(duì)位移極化，極化跟得上電場(chǎng)變化，無能量損耗n對(duì)偶極子極化等，極化跟不上電場(chǎng)變化，有能量損耗n在交變電場(chǎng)中，電介質(zhì)能量損耗包括：n電導(dǎo)損耗 通過電介質(zhì)的貫穿性泄漏電流所引起的能量損耗n極化損耗 在交流電壓下，由周期性極化所引起的能量損耗第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、電容性設(shè)備的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一、電容性設(shè)備的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目電容性設(shè)備介損監(jiān)測(cè)的理論知識(shí)

6、a) 并聯(lián)等值電路 b)矢量圖導(dǎo)桿電容極板電壓傳感器被測(cè)電壓信號(hào)瓷套導(dǎo)桿電容芯子絕緣介質(zhì)外瓷套法蘭接地套管導(dǎo)桿絕緣介質(zhì)電容芯子外瓷套法蘭并聯(lián)等值電路RCCURUIItgCR1/CtgUP2串聯(lián)等值電路RCCIIRUUtgCRCtgUtgCtgUP221 對(duì)同類試品絕緣的優(yōu)劣可用tg來代替P對(duì)絕緣進(jìn)行判斷tg取決于材料的特性，與材料尺寸無關(guān)。第二節(jié)第二節(jié) 介損的監(jiān)測(cè)介損的監(jiān)測(cè)常規(guī)測(cè)量方法電橋法瓦特表法諧振回路法凹形諧振腔法測(cè)量線法 相位差法數(shù)字分析法第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)一、電橋法一、電橋法G220kV母線PT1R1BACS1C1PT2CNR4C4S2CxR3PS3第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二

7、節(jié)介損的監(jiān)測(cè)二、相位差法過零電壓比較法二、相位差法過零電壓比較法1、基本原理電壓變換器電流電壓變換器低通整形放大相位鑒別微型計(jì)算機(jī)tanC低通整形放大xC電流互感器分壓器uUiU第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)二、相位差法過零電壓比較法二、相位差法過零電壓比較法msT203600Tms203600Tms2036090900001、基本原理頻率頻率f f引起的誤差引起的誤差 設(shè)計(jì)數(shù)脈沖頻率為4MHz/s，一個(gè)工頻周期的脈沖數(shù)nT為80000個(gè)，tan1。 當(dāng)f50Hz時(shí)，相差的脈沖數(shù) 若f變化為49.9Hz，則 當(dāng)實(shí)際f降低0.1Hz或0.2時(shí)，測(cè)得的計(jì)數(shù)脈沖將增加40個(gè)，使tan的值偏大40(

8、2/nT)=0.32%,實(shí)測(cè)值為1.32，而不是1，相對(duì)誤差達(dá)32。第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)二、相位差法過零電壓比較法二、相位差法過零電壓比較法1987301. 022800002Tnn2、誤差分析1991301. 0240080n第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)二、相位差法過零電壓比較法二、相位差法過零電壓比較法2、誤差分析運(yùn)行電壓取自PT副邊，而PT的原副邊存在角差，并且會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。PT引起的固有相差是個(gè)系統(tǒng)誤差，可在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時(shí)加以扣除。諧波的影響。tan是由基波來計(jì)算的，若存在諧波，特別是電力系統(tǒng)中常有三次諧波，它將使相差發(fā)生偏差，而諧波本身又常隨負(fù)載而變化，這

9、還將影響tan的重復(fù)性。一般在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用低通濾波器，濾去高次諧波。第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)二、相位差法過零電壓比較法二、相位差法過零電壓比較法2、誤差分析兩路信號(hào)在處理過程中存在時(shí)延帶來的誤差。低通濾波器、過零整形電路均會(huì)帶來時(shí)延差，若電流、電壓通道的電路參數(shù)不一致，則整形時(shí)延將不同，造成測(cè)量誤差。為此應(yīng)選用性能優(yōu)良的高速器件以降低這類誤差。其它因素，例如環(huán)境溫度的變化，若它所引起的兩路電子器件性能的變化不一致的話，將造成測(cè)量誤差。故在選擇所用的電子器件時(shí)，應(yīng)使兩路器件的各項(xiàng)特性盡可能一致。第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)二、相位差法過零電壓比較法二、相位差法過零電壓比較法3、特點(diǎn)

10、優(yōu)點(diǎn):計(jì)算簡(jiǎn)單缺點(diǎn):是由于上述眾多的誤差因素，故對(duì)各單元電子器件的要求較高，否則會(huì)影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的重復(fù)性，甚至出現(xiàn)由于重復(fù)性差而無法正確診斷的情況。第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)三、數(shù)字（諧波）分析法三、數(shù)字（諧波）分析法1、基本原理PTCT隔離放大放大濾波濾波ADC工業(yè)控制計(jì)算機(jī)UIxUCx第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)三、數(shù)字（諧波）分析法三、數(shù)字（諧波）分析法1、基本原理首先由傳感器獲得流過設(shè)備的電流信號(hào)(已轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào))和設(shè)備運(yùn)行電壓信號(hào)，利用波形采集裝置將此時(shí)域波形同步轉(zhuǎn)換為數(shù)字化離散信號(hào)，然后利用計(jì)算機(jī)將兩個(gè)離散數(shù)字波形信號(hào)經(jīng)離散傅里葉變換(DFT)或快速傅里葉變換(FFT)，

11、得到兩個(gè)信號(hào)的基波，進(jìn)一步求出兩基波的相位差，從而得到設(shè)備的tan。 第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)三、數(shù)字（諧波）分析法三、數(shù)字（諧波）分析法1、基本原理滿足狄里赫利條件(即給定的周期性函數(shù)在有限的區(qū)間內(nèi)，只有有限個(gè)第一類間斷點(diǎn)和有限個(gè)極大值和極小值)的電力系統(tǒng)電壓ux、電流ix，可按傅里葉級(jí)數(shù)分解為直流分量和各次諧波分量之和： 1010)sin()sin(kkkmxkkkmxtkIIitkUUu（1）（2）U0電壓的直流分量， I0電流的直流分量，Ukm電壓的各次諧波幅值， Ikm電流的各次諧波幅值，k電壓的各次諧波相角， k電流的各次諧波相角，k= 1，2，3，4第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)

12、介損的監(jiān)測(cè)三、數(shù)字（諧波）分析法三、數(shù)字（諧波）分析法1、基本原理式（1）、式（2）可表示為： （3）（4）1010sin)cos(cos)sin(sin)cos(cos)sin(kkkmkkmxkkkmkkmxtkItkIIitkUtkUUu將式（3）兩邊同乘以coskt，取一周期內(nèi)定積分，可得：dttkUdttkuTTxcoscos000(sin) coscos(cos) sincosUtk t dtUtk t dtmTmT110110(sin) coscos(cos) sincosUtk t dtUtk t dtmTmT22022022(sin) coscos(cos) sincosUk

13、 tk t dtUk tk t dtkmkTkmkT00（5）第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)三、數(shù)字（諧波）分析法三、數(shù)字（諧波）分析法1、基本原理三角函數(shù)在一個(gè)周期內(nèi)定積分的正交特性：sin mxdxT00cosmxdxT00(sin)mxdxTT202(cos)mxdxTT202sincosmxnxdxT00sinsin()mxnxdxmnT00coscos()mxnxdxmnT00第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)三、數(shù)字（諧波）分析法三、數(shù)字（諧波）分析法1、基本原理化簡(jiǎn)式（5）有：uk t dtUk t dtTUxTkmkTkmk0202cos(sin) cossinUTuk t d

14、tkmkxTsincos20UTuk t dtkmkxTcossin20所以：由式（3）兩邊同乘以sinkt，并取一周期內(nèi)定積分可得：（6）（7）dttudttuTxTxsin/costan001基波，令k=1，并且以式（6）除以式（7），則可得電壓基波相角1：（8）第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)三、數(shù)字（諧波）分析法三、數(shù)字（諧波）分析法1、基本原理按相同方法，可由式（4）推得電流基波相角1：對(duì)容性試品，電流相角超前于電壓90o，所以，介質(zhì)損失角正切：dttidttiTxTxsin/costan001)(90tan11 tg（10）（9）第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)三、數(shù)字（諧波）分析

15、法三、數(shù)字（諧波）分析法2、特點(diǎn)對(duì)硬件電路依賴小，如直流分量、電路零漂等對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果無影響，從而提高了測(cè)量的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。要求對(duì)被測(cè)電壓和電流同步采樣，否則11是變化的，影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的重復(fù)性。諧波分析法的主要特點(diǎn)是基于傅里葉變換，進(jìn)行分析，可運(yùn)用FFT運(yùn)算求出電壓、電流各次諧波的相角，取基波的相角差用于計(jì)算tan，可使結(jié)果不受高次諧波的影響。傅里葉變換要求一周波采樣2n個(gè)點(diǎn)，考慮到系統(tǒng)頻率的變化，應(yīng)對(duì)該電路進(jìn)行鎖相倍頻跟蹤，確保頻率變化時(shí)仍采2n個(gè)點(diǎn)。第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)三、數(shù)字（諧波）分析法三、數(shù)字（諧波）分析法2、特點(diǎn)諧波分析法充分應(yīng)用了數(shù)字測(cè)量方法，而數(shù)字處理技術(shù)本身具有抗

16、干擾效果，也就運(yùn)用了軟件方法來抑制干擾，克服了傳統(tǒng)的模擬測(cè)量方法抗干擾能力差的缺點(diǎn)。采用該方法可將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成中央集控式，減少設(shè)備投資。該方法主要依靠軟件分析法，使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單，是介損監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)三、數(shù)字（諧波）分析法三、數(shù)字（諧波）分析法3、實(shí)例全數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖 第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)第二節(jié)介損的監(jiān)測(cè)四、介質(zhì)損耗角正切的異頻監(jiān)測(cè)四、介質(zhì)損耗角正切的異頻監(jiān)測(cè) 采用異頻電源測(cè)量是一種有效的抗干擾措施。其原理為在介質(zhì)損耗角正切測(cè)量中，試驗(yàn)電源頻率偏離干擾電源頻率（主要指工頻電源的干擾），通過頻率識(shí)別或?yàn)V波技術(shù)，排除干擾頻率影響。 異頻電源頻率不能偏離工頻

17、太遠(yuǎn)，否則測(cè)量結(jié)果就失去等同性；也不能離的太近，否則會(huì)增加頻率分辨的難度，同樣會(huì)造成較大的誤差。n相間干擾n諧波影響n相位漂移nPT相位漂移nCT相位漂移n系統(tǒng)運(yùn)行電壓 n溫、濕度影響n頻譜泄漏誤差分析誤差分析n相間干擾誤差分析誤差分析等效電路圖如圖所示。這個(gè)干擾是相對(duì)穩(wěn)定的。 n諧波影響誤差分析誤差分析 介質(zhì)損耗角是由基波來計(jì)算的，若信號(hào)中存在諧波，特別是電力系統(tǒng)中常有的三次諧波，將使相差發(fā)生偏差。而諧波本身又常隨負(fù)載而變化，這還將影響測(cè)量值的重復(fù)性。為此在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，需要對(duì)諧波進(jìn)行抑制。 n相位漂移誤差分析誤差分析電壓信號(hào)從電壓互感器(PT或CVT)的二次側(cè)獲取。電壓互感器的測(cè)量精度與其二

18、次側(cè)負(fù)荷的大小有關(guān)，隨著變電站運(yùn)行方式的不同，二次側(cè)負(fù)荷隨之變化，必然會(huì)導(dǎo)致角誤差改變，從而影響介損測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。%/同一母線2組不同TV二次側(cè)電壓作為參考信號(hào)測(cè)量同一試品結(jié)果相別第一組TV第二組TV介損差值tg(%)Ctg(%) CA1.459681.01.201688.00.258B1.413715.11.084724.00.329C1.349652.91.025661.90.324n系統(tǒng)運(yùn)行電壓誤差分析誤差分析電容型設(shè)備良好絕緣的介損曲線基本上不隨試驗(yàn)電壓的升高而變化，當(dāng)主絕緣嚴(yán)重受潮或含有離子型雜質(zhì)時(shí)，介損值隨試驗(yàn)電壓的升高具有不同的變化情況。這是由于在交流電壓下，離子在紙層間或油

19、中的遷移被纖維阻攔所致。在低電壓下，離子運(yùn)動(dòng)速度慢，遷移不大，不會(huì)碰到紙；電壓升高后，離子運(yùn)動(dòng)速度加快，機(jī)械運(yùn)動(dòng)受到紙的阻攔，表現(xiàn)在電流上為有功分量波形畸變，致使介損值減小 。%/項(xiàng)目試驗(yàn)電壓20kV40kV60kV80kVtg(%)上0.130.130.120.14中0.130.140.140.16下0.190.190.170.17C上15700157901578015790中15490158101580015810下15520155261561415820n環(huán)境溫濕度影響誤差分析誤差分析項(xiàng)目測(cè)量時(shí)刻09：0510：0511：0512：0514：0515：0516：0517：05溫度2528

20、30313333.533.534tg(%)2.332.703.133.534.234.484.674.81C792.1796.1800.3804.2811.3813.9815.8817.3分布在線監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)形式1 在線監(jiān)測(cè)的本地化2 數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化3 測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性4 同步采樣 5 系統(tǒng)的安全性 6 系統(tǒng)的可維護(hù)性分布式容性電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)分布在線監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)形式上位機(jī)：下達(dá)采樣命令、接收上傳的信號(hào)處理單元的采樣結(jié)果數(shù)據(jù)，并在主機(jī)端進(jìn)行分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)容性電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和診斷。由于同步采樣時(shí)鐘信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)傳輸當(dāng)中會(huì)有一定的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，造成采樣的非同步，可以通過軟件的方式進(jìn)行修正。信號(hào)處理單元：一種類型的模塊。接收下達(dá)的采樣命令，根據(jù)同步時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的同步采集，將采樣的結(jié)果進(jìn)行FFT分析計(jì)算，并將分析結(jié)果上傳。當(dāng)作為同步采樣時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送端時(shí)，可產(chǎn)生同步采樣時(shí)鐘。同步采樣時(shí)鐘：為了提高同步采樣時(shí)鐘的抗干擾能力，本設(shè)計(jì)中借用RS485總線的電氣特性，在發(fā)送端將時(shí)鐘信號(hào)變成差分信號(hào)進(jìn)行傳播，在接收