劉光祺，王科，彭晶，馬儀，項恩新，毛傳峰

(云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217)

容性設(shè)備絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測與帶電檢測

劉光祺，王科，彭晶，馬儀，項恩新，毛傳峰

(云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217)

闡述了容性設(shè)備絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測和帶電檢測的測試原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并從原理、結(jié)構(gòu)、安裝、維護、價格等方面分析了在線監(jiān)測系統(tǒng)與帶電檢測系統(tǒng)的優(yōu)缺點，結(jié)合變電站在運容性設(shè)備的絕緣狀態(tài)測試，對比分析了在線監(jiān)測及帶電檢測的測試結(jié)果，并對在線監(jiān)測及帶電檢測系統(tǒng)的實際使用情況進行了調(diào)查。

容性設(shè)備；介質(zhì)損耗因數(shù)；在線監(jiān)測；帶電檢測；諧波分析

0 前言

電力系統(tǒng)容性設(shè)備，主要是指絕緣結(jié)構(gòu)為電容型的設(shè)備，其高壓端對地有較大的等值電容(幾百pF～幾千pF)，主要包括電容式套管、電容式絕緣的電流互感器、電容式電壓互感器、耦合電容器及避雷器等，數(shù)量約占變電站設(shè)備總數(shù)量的40%～50%，其運行狀態(tài)的好壞直接影響著整個變電站乃至電網(wǎng)的安全運行[1-2]。電力設(shè)備在運行過程中受高壓、機械、發(fā)熱、污穢、化學等等各種因素長期作用，引發(fā)絕緣性能下降、缺陷滋生；如果潛在缺陷沒有被及時處理，缺陷將持續(xù)發(fā)展導致設(shè)備絕緣局部破壞甚至絕緣擊穿。據(jù)調(diào)查，高壓電氣設(shè)備損壞事故中大部分是絕緣損壞引起[3]。對容性設(shè)備的絕緣狀況進行監(jiān)測是必要的、有意義的。國內(nèi)外諸多高校、研究所及商業(yè)公司投入了大量的人力對容性設(shè)備絕緣在線監(jiān)測裝置進行研究及開發(fā)，并已實際投入多地變電站運行[4-6]。

1 容性設(shè)備絕緣狀態(tài)監(jiān)測

1.1 在線監(jiān)測

目前我國電氣設(shè)備的檢測工作主要通過預防性試驗，根據(jù)試驗結(jié)果決定電氣設(shè)備的絕緣系統(tǒng)在下一次投入運行前是否需要進行必要的維修，對不同的設(shè)備有不同的試驗項目和相應的試驗周期[7]，然而，預防性試驗停電時間長、試驗電壓低、有效性差，具有一定的盲目性[8-10]。隨著電力系統(tǒng)大容量化、高電壓化和結(jié)構(gòu)復雜化，對電力系統(tǒng)的安全可靠性指標要求也越來越高。這種傳統(tǒng)的試驗與診斷方法已越來越不適應[11]。

相比較預防性試驗，在線監(jiān)測無需停電、監(jiān)測方便；監(jiān)測時的電壓就是設(shè)備運行電壓，診斷絕緣缺陷的靈敏度高；實時監(jiān)測，能及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患和絕緣變化趨勢；監(jiān)測得到的大量數(shù)據(jù)以及對數(shù)據(jù)的判斷分析可以為狀態(tài)檢修提供依據(jù)，克服了傳統(tǒng)預防性檢修的不足，對提高電力設(shè)備的運行維護水平、減少停電事故有積極作用[12]?？梢钥闯?，高效可靠的在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠成為目前預防性試驗的有益補充[13]。

1.2 帶電檢測

在線監(jiān)測克服了傳統(tǒng)預防性檢修的不足，但是在線監(jiān)測系統(tǒng)由于安裝復雜、校驗困難、維護量大、價格昂貴而難以實現(xiàn)大規(guī)模推廣。相對于在線監(jiān)測系統(tǒng)，帶電檢測系統(tǒng)安裝方便、校驗容易、維護量小、價格低廉，且具備在線監(jiān)測的優(yōu)點，因而近年來得到快速的推廣。

2 容性設(shè)備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)

對于容性設(shè)備的絕緣狀態(tài)監(jiān)測，目前主要是基于對其電容量、介質(zhì)損耗因數(shù)、泄漏電流值、三相不平衡電流等項目的監(jiān)測。在實際運行中，電容型設(shè)備由于結(jié)構(gòu)上的相似性，可能發(fā)生的故障類型也有很多共同點，主要有絕緣缺陷、絕緣受潮、外絕緣放電和金屬異物放電等幾種類型。對于電力設(shè)備絕緣系統(tǒng)的整體性缺陷或較大的集中性局部缺陷，目前主要通過測量其介質(zhì)損耗因數(shù)來發(fā)現(xiàn)，因此，對于容性設(shè)備絕緣狀態(tài)檢測，主要監(jiān)測介質(zhì)損耗因數(shù)的變化。

2.1 測量原理

目前，大多數(shù)電容型設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)采用絕對測量法。絕對測量法是指通過串接在被試設(shè)備Cx末屏接地線上以及安裝在該母線PT二次端子上的信號取樣單元，分別獲取被試設(shè)備Cx末屏接地電流信號Ix和PT二次電壓信號Un，兩路信號經(jīng)過濾波、放大、采樣等數(shù)字處理，利用諧波分析法分別提取其基波分量，并計算出相位夾角α，從而獲得被試設(shè)備的絕對介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ，測試原理如圖1所示。

圖1 絕對測量法原理

2.2 介質(zhì)損耗因數(shù)計算方法

從測試原理可以看出，介質(zhì)損耗因數(shù)測量的關(guān)鍵技術(shù)是如何準確獲得并求取兩個工頻基波信號的相位差，諧波分析法是目前最主要的軟件測量方法[14]。

諧波分析法原理是通過傳感器等裝置分別測量運行電壓和流進試品的電流，再將獲得的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后采用數(shù)字頻譜分析的方法求出兩個信號的基波，進而通過對基波相位的比較求出介質(zhì)損耗因數(shù)。滿足狄利克雷條件的運行電壓和流過容性設(shè)備的電流進行傅里葉級數(shù)分解，即：

式中：

U0、I0——電壓、電流的直流分量；

Uk、Ik——電壓、電流的各次諧波幅值；

φuk，φik——電壓、電流的各次諧波初相角。

求解容性設(shè)備介質(zhì)損耗因數(shù)的關(guān)鍵就在于去除系統(tǒng)諧波干擾的影響，準確地求得 u(t)，i(t)的初相角。實際獲得的u(t)、i(t)是經(jīng)過離散、量化后的有限長度的離散周期序列，假設(shè)分別用x(n)、y(n)表示，以x(n)為例，經(jīng)離散傅里葉變換可得：

由上式可知，序列x(n)的初相角：

同理，可得到i(t)的初相角，進而求到介質(zhì)損耗因數(shù)。

2.3 在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

容性設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)、就地測量、數(shù)字傳輸，只需在被監(jiān)測設(shè)備上安裝本地測量單元 (在線監(jiān)測裝置)，即可實現(xiàn)就地測量，并通過現(xiàn)場總線把監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到中央監(jiān)控器 (綜合監(jiān)測單元)。用戶 (站端監(jiān)測單元)利用局域網(wǎng)或電話線可隨時獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果。

圖2 在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 實際運用

為研究在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與停電試驗數(shù)據(jù)的差別，對云南某220 kV變電站在運的電流互感器和10 kV電容器的線監(jiān)測數(shù)據(jù)與停電試驗數(shù)據(jù)進行了對比，可以看出，在線監(jiān)測系統(tǒng)可以準確監(jiān)測容性設(shè)備的介損，但因電容型設(shè)備介質(zhì)損耗因數(shù)檢測屬于微小信號測量，受現(xiàn)場干擾、PT自身角差誤差、儀器誤差等多種因素的制約[15]，其準確性和分散性與停電例行試驗相比較大。因此對于在線監(jiān)測診斷，除了通過閾值判斷設(shè)備狀態(tài)外，應充分考慮歷史數(shù)據(jù)和停電試驗數(shù)據(jù)進行比較，才能對設(shè)備狀態(tài)做出綜合判斷[16]。

3 容性設(shè)備絕緣帶電檢測系統(tǒng)

3.1 測量原理

目前，大多數(shù)電容型設(shè)備帶電檢測設(shè)備采用相對測量法。相對測量法是指選擇一臺與被試設(shè)備Cx并聯(lián)的其它容性設(shè)備作為參考設(shè)備Cn，通過串接在其設(shè)備末屏接地線上的信號取樣單元，分別測量參考電流信號In和被測電流信號Ix，兩路電流信號經(jīng)濾波、放大、采樣等數(shù)字處理，與在線監(jiān)測系統(tǒng)類似，利用諧波分析法分別提取其基波分量，計算出相位夾角α，從而獲得被試設(shè)備和參考設(shè)備在同相相同電壓作用下的相對介損因數(shù)：

考慮到兩臺設(shè)備同時發(fā)生相同絕緣缺陷可能性較小，因此通過它們的變化趨勢，可判斷設(shè)備的劣化情況，其原理如圖3所示。

圖3 相對測量法原理

3.2 帶電檢測系統(tǒng)

容性設(shè)備帶電檢測設(shè)備一般由取樣單元、測試引線和主機等部分組成，如圖4所示。取樣單元用于獲取電容型設(shè)備的電流信號或者電壓信號；測試引線用于將取樣單元獲得的信號引入到主機；主機負責數(shù)據(jù)采集、處理和分析。

圖4 帶電監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 實際運用

以某220 kV變電站主變套管介質(zhì)損耗因數(shù)檢測為例，其在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與帶電檢測試驗數(shù)據(jù)如圖5。

圖5 某220 kV變電站主變高壓套管在線監(jiān)測數(shù)據(jù)

根據(jù)在線監(jiān)測結(jié)果，A相套管介損從2013年7月份起就逐漸增大，且介質(zhì)損耗增長速度很快；根據(jù)帶電檢測結(jié)果，對比2013年6月份與2014年4月份數(shù)據(jù)，A相套管介損增加0.199%，增長幅度達36.7%?？梢钥闯鲈诰€監(jiān)測與帶電檢測結(jié)果具有一致性，兩者結(jié)果均顯示出該套管可能存在受潮的可能性。因此，帶電檢測數(shù)據(jù)可以反映容性設(shè)備的絕緣狀態(tài)變化。需要說明的是，帶電檢測采用的是相對測量法，在線監(jiān)測采用的是絕對測量法，因此兩者在數(shù)字上的差異對比是無意義的，在絕緣診斷時，應結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對設(shè)備狀態(tài)做出綜合判斷。

可以看出，帶電檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、維護量小，克服了在線監(jiān)測的不足，同時又具備了在線監(jiān)測的優(yōu)點，因此具有更好的推廣性。

4 結(jié)束語

在線監(jiān)測系統(tǒng)由于在安裝、檢驗、維護、價格方面存在不足，不適于進行大規(guī)模推廣；而帶電檢測設(shè)備的優(yōu)勢在于安裝方便、檢驗容易、維護量小、價格低廉、測試效果好，具有更好的推廣性。根據(jù)對在運容性設(shè)備的絕緣狀態(tài)測試結(jié)果對比，帶電檢測與在線監(jiān)測結(jié)果具有一致性，可以反映實際設(shè)備的絕緣變化。然而，在線監(jiān)測系統(tǒng)可以長時間在線監(jiān)測容性設(shè)備的絕緣狀態(tài)，因此在實際運用時，應依據(jù)設(shè)備的重要等級來選擇安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)。

[1] 鄒建明.在線監(jiān)測技術(shù)在電網(wǎng)中的應用 [J].高電壓技術(shù)，2007，33(8)：203-206.

[2] 梁靜，申文棟.容性設(shè)備在線監(jiān)測方法綜述 [J].電氣開關(guān)，2011(3)：13-17

[3] 嚴璋.電氣絕緣在線檢測技術(shù) [M].西安：水利電力出版社，1995.

[4] 沈顯慶.容性設(shè)備介質(zhì)損耗角的分布在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)的研究 [D].沈陽工業(yè)大學，2010.

[5] 朱德恒，嚴璋，談克雄，等.電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù) [M].中國電力出版社，2009，3.

[6] 左自強.電容型電力設(shè)備 tanδ在線監(jiān)測技術(shù)研究 [D].西安交通大學，電器工程，2005.

[7] 龍鋒.電容型設(shè)備介質(zhì)損耗因數(shù)在線監(jiān)測研究 [D].西南交通大學，2004.

[8] 王楠，陳志業(yè)，律方成.電容型設(shè)備絕緣在線監(jiān)測與診斷技術(shù)綜述 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(8)：72-76.

[9] 關(guān)根志，賀景亮.電氣設(shè)備的絕緣在線監(jiān)測與狀態(tài)維修[J].中國電力，2000，33(3)：46-50.

[10] 梁國文，劉文舉.電容型設(shè)備在線監(jiān)測裝置現(xiàn)狀分析及建議 [J].華北電力技術(shù)，2002(10)：41-44.

[11] 黃新波，章云，李俊鋒.變電站容性設(shè)備介損在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 [J].高電壓技術(shù)，2008，8，34(8)：1594 -1598.

[12] B SHI.An online insulation monitoring system of hv apparatus using a micro computer system[C].IEEE Symposium on Electrical Insulation.Anaheim，USA，2000：378-379

[13] 陳維榮，宋永華，孫錦鑫.電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的概念及現(xiàn)狀 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2000，24(11)：12-17.

[14] 李華偉.高壓容性設(shè)備絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海交通大學，2012.

[15] 高志國.基于電容分壓的容性設(shè)備介損測量系統(tǒng) [J].電氣工程，2012，11，28(11)：44-48.

[16] 徐大可，李彥明，嚴璋.高壓電容性設(shè)備的在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù)，2003，10，29(10)：35-38.

Application of Online Monitoring and Live Detecting of Capacitive Equipment Insulation

LIU Guangqi，WANG Ke，PENG Jing，MA Yi，XIANG Enxin，MAO Chuanfeng
(Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China)

Introduced the structure and testing principle of online monitoring system and live detecting of capacitive equipment insulation，and analyzed the advantages and disadvantages of online monitoring system and live detecting system from the principle，structure，installation，maintenance，price，etc.Combined of the measurement of capacitive equipment in substation.and contrastive analyzed the results of the online monitoring and live detecting test.Investigated the actual usage of online monitoring system and live detecting system.

capacitive equipment；dielectric loss；online monitoring；live detecting；harmonic analysis

TM76

B

1006-7345(2015)04-0027-04

2015-02-15

劉光祺 (1986)，男，碩士，云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，從事高電壓研究工作 (e-mail)23819918＠qq.com。

王科 (1982)，男，碩士，高級工程師，云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，長期從事高電壓研究工作 (e-mail) 41872645＠qq.com。

彭晶 (1986)，男，碩士，工程師，云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，從事高電壓研究工作 (e-mail)563715547＠qq.com。