魏東亮，王植，張熙，陳江添，李順堯，徐衛(wèi)東，劉從聰，楊淼

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞523000；2.武漢啟亦電氣有限公司，湖北 武漢430000)

采用電容屏絕緣結(jié)構(gòu)的電容型設備，其數(shù)量在變電站電氣設備中占比較大，約占設備臺數(shù)的40%～50%[1-3]，一旦發(fā)生絕緣故障，將嚴重影響變電站的安全運行，引起局部乃至全部地區(qū)停電，甚至危及人身安全[4-5]。判斷電氣設備絕緣狀況的一種直觀有效方法是測量介質(zhì)損耗角[6-9]，介質(zhì)損耗角正切值tanδ反映了設備絕緣功率損耗大小[10]，表征容性設備的絕緣狀態(tài)優(yōu)劣；因此，容性設備在線監(jiān)測的核心是對介質(zhì)損耗因數(shù)的測量[11-12]。

容性設備介質(zhì)損耗值測量裝置一般采用絕對測量法或相對測量法。絕對測量法是采用絕對參考電壓和被測設備電流的測試方法，有其固有的弊端，如電壓互感器(voltage transformer，VT)角差的影響[13-16]，使介質(zhì)損耗值的測量精度降低，同時，測試環(huán)境的變化如溫度、電壓、負荷、濕度、運行方式等外部環(huán)境波動，也會影響測試結(jié)果[17-19]。文獻[20]在大量在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累上，研究和分析VT角差、電磁場干擾、運行方式和下雨情況對電流互感器(current transformer，CT)介質(zhì)損耗值測量的干擾。相對測量法采用同相、同類設備作為參考，測量和計算其他設備的介質(zhì)損耗值，可以排除VT的誤差影響，同時消除環(huán)境等因素對所有設備的同向干擾，使測試數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，從而更真實地反映容性設備的絕緣狀態(tài)，做出正確判斷[17]。文獻[21]分別采用相對測量法和絕對測量法對CT進行多次測量，并對2種測量數(shù)據(jù)進行分析和比較，驗證了相對測量法的穩(wěn)定性優(yōu)于絕對測量法。

基于相對測量法的介質(zhì)損耗測量儀主要采用單一固定的基準源，此做法的弊端是當基準參考設備選取不當或參考設備自身介質(zhì)損耗變化時，將大大影響最終測量結(jié)果的精度。同時，現(xiàn)有文獻主要從定性的角度出發(fā)，研究容性設備絕緣故障情況下的故障定位方法。文獻[4]以相對測量法為基礎，利用3δ準則，通過相對介質(zhì)損耗的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)來確定介質(zhì)損耗的正常變化范圍，然后根據(jù)相對介質(zhì)損耗值變化向量來確定故障臺數(shù)，進而對故障設備進行準確定位。文獻[22]提出根據(jù)閾值診斷法和模糊診斷法來判定設備間的相對狀態(tài)，建立了多臺設備的故障矩陣，并給出故障診斷規(guī)則。然而，對于容性設備在非故障情況下或介質(zhì)損耗變化較小時，如何得到各個設備的介質(zhì)損耗最優(yōu)測量值，以及基準設備的選取方法，鮮有文獻進行論述和研究。

為此，本文研制一種采用動態(tài)基準源數(shù)據(jù)分析的測試裝置，依據(jù)該分析算法，裝置在實時監(jiān)測中動態(tài)選取介質(zhì)損耗變化最小的設備作為基準，從而得到各個設備的介質(zhì)損耗最精確值，可以避免采用單一固定基準源所帶來的弊端，并且在容性設備發(fā)生故障時，可較為簡便、快速地定位故障設備，相較于故障矩陣迭代算法，具有計算簡單、直觀的特點。

1 相對測量法原理

選取容性設備1為參考設備，設備2為待測設備，I1為參考設備的參考電流，I2為被測設備的測試電流。根據(jù)投產(chǎn)試驗或停電試驗可以得到參考設備1的介質(zhì)損耗值和電容值，對于參考設備1來說，其介質(zhì)損耗tanδ1和電容值C1為已知量。圖1所示為相對測量法介質(zhì)損耗向量圖，其中：I1為參考電流，其介質(zhì)損耗角為δ1；I2為被測電流，其介質(zhì)損耗角為δ2；IR為阻性電流分量；IC為容性電流分量。根據(jù)參考電流I1和被測電流I2的基波信號幅值及相位夾角Δδ，得到被測設備的相對介質(zhì)損耗差值Δtanδ和電流幅度比值I2/I1，再依據(jù)式(1)和式(2)得到被測設備2的介質(zhì)損耗值tanδ2和電容值C2，如下：

Δtanδ=tanδ2-tanδ1≈tan(δ2-δ1),

(1)

C2/C1=I2/I1.

(2)

圖1 相對測量法介質(zhì)損耗向量圖Fig.1 Dielectric loss diagram based on relative measurement

傳統(tǒng)相對測量法一般采用單一的基準源作為參考，使用參考設備1最近1次停電試驗(或投產(chǎn)試驗)數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)。由于基準源固定且單一，若基準設備1從停電試驗到在線監(jiān)測這段時間內(nèi)，其介質(zhì)損耗值增長較大，此時仍以該設備為參考時，換算得到其他設備的介質(zhì)損耗值，將導致較大誤差，誤差與基準設備的介質(zhì)損耗增長量正相關(guān)。

2 基準設備介質(zhì)損耗值變化對測試結(jié)果的影響

基準設備從停電測量(或投產(chǎn)試驗)到在線監(jiān)測的這段時間內(nèi)，其本身的介質(zhì)損耗值變化，將對其他被測設備的測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，影響整個測試精度。

設備1和設備2停電測試(或出廠測試)時，其介質(zhì)損耗值分別為tanδ1和tanδ2。設備運行一段時間后，參考設備的電流為I′1,其介質(zhì)損耗角δ′1，被測設備電流為I′2，其介質(zhì)損耗角為δ′2。以相對測量法監(jiān)測得到設備1和設備2的電流I′1和I′2的相角分別為φ′1和φ′2。以設備1為基準參考，基于相對測量法，設備2介質(zhì)損耗角的測量值

δ′2s=δ1+φ′2-φ′1.

(3)

考慮到基準設備1從停電測試到在線監(jiān)測這段時間內(nèi)，存在自身的介質(zhì)損耗角增長量Δδ′1，所以設備2的介質(zhì)損耗角真實值

δ′2r=δ1+φ′2-φ′1+Δδ′1=δ′2s+Δδ′1.

(4)

因此設備2的介質(zhì)損耗真實值δ′2r與以相對測量法得到的測量值δ′2s存在如下關(guān)系：

(5)

工程上，一般采用多次停電測試結(jié)果較為穩(wěn)定的設備x作為基準參考設備，即認為Δδ′x≈0，使得測量得到的其他設備n介質(zhì)損耗測量值δ′ns接近真實值δ′nr。然而實際中，從停電測試到在線監(jiān)測的這段時間內(nèi)，Δδ′x可能增大而不能忽略為0，這將使得設備n的介質(zhì)損耗測量結(jié)果偏離其實際的真實值，偏離程度與Δδ′x大小正相關(guān)。圖2、圖3和圖4所示分別為在基準設備1介質(zhì)損耗值不變、微增以及劇增情況下，對被測設備2測量結(jié)果的影響。

圖2 基準設備1介質(zhì)損耗值不變對設備2測量結(jié)果的影響Fig.2 Effect of unchanged dielectric loss value of reference device 1 on measuring result of device 2

圖3 基準設備1介質(zhì)損耗值微增對設備2測量結(jié)果的影響Fig.3 Effect of slightly increased dielectric loss value of reference device 1 on measuring result of device 2

圖4 基準設備1介質(zhì)損耗值劇增對設備2測量結(jié)果的影響Fig.4 Effect of sharply increased dielectric loss value of reference device 1 on measuring result of device 2

圖2中，基準設備1的介質(zhì)損耗角未發(fā)生變化，即Δδ′1=0，此時設備2的介質(zhì)損耗測量值等于介質(zhì)損耗真實值，得到的測量值反映了設備2的真實情況。

圖3中，基準設備1介質(zhì)損耗角微增，即Δδ′1>0，使得設備2的介質(zhì)損耗測量值小于真實值。

圖4中，基準設備1絕緣失效引起介質(zhì)損耗值劇增，使得Δδ′1較大，此時：

a)若Δδ′1>δ′2r-δ2時，根據(jù)式(4)，可以得到設備2的測試值δ′2s將小于上次停電測試(或出廠測試)的結(jié)果，反映設備2的絕緣情況越來越好，實際上，這點不符合設備特性；

b)若Δδ′1繼續(xù)增大，當Δδ′1大于設備2的實際值δ′2r時，根據(jù)式(4)，得到δ′2s<0，這點不符合邏輯。

由以上分析可以得到，采用單一基準源的相對測量法，基準源設備的介質(zhì)損耗變化將引起其他被測設備測量值的誤差，誤差大小與基準源介質(zhì)損耗變化量正相關(guān)，且誤差較大時，會出現(xiàn)設備絕緣越來越好或介質(zhì)損耗為負的錯誤結(jié)論。鑒于此，需要引入動態(tài)基準源數(shù)據(jù)分析，以避免單一基準源帶來的較大誤差。

3 采用動態(tài)基準源的新型介質(zhì)損耗測試方法

采用動態(tài)基準源的新型測試方法，依次以各個設備為基準，得到不同基準下各設備的測量值，進一步分析和處理這個值，可以判斷各設備介質(zhì)損耗變化量的相對大小。動態(tài)選取介質(zhì)損耗變化量最小的設備作為基準，從而得到介質(zhì)損耗最精確值，因此可以有效避免采用單一固定基準源帶來的較大誤差。

具體而言，對于變電站內(nèi)n臺被測容性設備，可以得到其停電時每臺容性設備的最近停電測試(或出廠測試)介質(zhì)損耗值矩陣[tanδ1tanδ2tanδ3… tanδn]，通過同步采樣每個容性設備的泄漏電流，并進行數(shù)據(jù)處理，得到泄漏電流幅值矩陣[I′1I′2I′3…I′n]和相角矩陣[φ′1φ′2φ′3…φ′n]。以設備1為基準時，可以計算得到其他各設備的介質(zhì)損耗測量值矩陣[tanδ′1tanδ′2tanδ′3… tanδ′n]。依此類推，分別以設備2、設備3……為基準，可以計算得到不同基準設備介質(zhì)損耗測量值矩陣為

(6)

而由第2章的分析得到，各設備的介質(zhì)損耗真實值矩陣為

(7)

對于設備1而言，無論以哪個設備為參考，其介質(zhì)損耗真實值都是相同的，因此矩陣中的第1列有如下關(guān)系：

tanδ1+tan Δδ′1=tan(δ2+φ′1-φ′2)+

tan Δδ′2=…=tan(δn+φ′1-φ′n)+tan Δδ′n.

(8)

由式(8)可知，若以設備x為基準得到的設備1介質(zhì)損耗測量值大于以其他設備為基準得到的設備1的介質(zhì)損耗值時，即tan(δx+φ′1-φ′x)最大，使得

tan(δx+φ′1-φ′x)≥tan(δy+φ′1-φ′y),

y∈{1,2,3,…,n}.

(9)

根據(jù)式(8)和式(9)，可知設備x自身的介質(zhì)損耗變化量最小，因此選擇設備x作為基準，可得到設備1介質(zhì)損耗最精確值。依此方法類推，可以得到其他設備最優(yōu)介質(zhì)損耗值，從而得到各個設備的介質(zhì)損耗最精確值為

[tan(δx+φ′1-φ′x) tan(δx+φ′2-φ′x)

tan(δx+φ′3-φ′x) … tan(δx+φ′n-φ′x)].

理論上，各設備所選取的基準設備應該是同一個設備?？紤]到實際情況中，測量和算法誤差的影響，可能有基準設備的選擇出現(xiàn)不統(tǒng)一的情況，為了基準設備選擇的統(tǒng)一性，建立如下算法：

a)對于式(6)介質(zhì)損耗測量矩陣的每一列數(shù)據(jù)而言，該列的每行數(shù)據(jù)由大到小進行排序和賦值，最大賦值為N，由大到小依次賦值為N，N-1，…，2，1；因此，介質(zhì)損耗測量矩陣可以進一步處理得到排序矩陣，根據(jù)測量的情況排序矩陣可能為

(10)

b)對上述矩陣的每行相加，得到列向量為

(11)

其中[S1S2S3…Sn]為式(10)的n×n排序矩陣每一行元素值相加之和。

c)比較這個列向量的每一個值，最大值Sx對應的設備x即可動態(tài)選為基準設備。

上述算法實現(xiàn)簡單、高效，可動態(tài)選擇基準設備，適合嵌入式系統(tǒng)的使用。根據(jù)基準設備x可進一步計算出其他各設備的介質(zhì)損耗值，即為介質(zhì)損耗最精確值，將該值結(jié)合檢修試驗規(guī)程的門限規(guī)定，用于判別設備絕緣狀況優(yōu)劣。

4 仿真分析

為了驗證上述算法的有效性，在實驗室內(nèi)進行人工模擬，建立4個RC并聯(lián)支路，模擬變電站4個電容型設備，通過調(diào)節(jié)電阻值和電容值，即可調(diào)節(jié)各設備介質(zhì)損耗值大小。為降低測量誤差的影響，將設備的初始介質(zhì)損耗值調(diào)整為略高于一般的正常水平(但未失效)，使其分別為0.39%、0.12%、0.44%、0.23%，再繼續(xù)調(diào)節(jié)各個并聯(lián)支路的電阻值，模擬容性設備運行若干時間后介質(zhì)損耗的增長。對于3號設備，進一步增大其介質(zhì)損耗，模擬此設備失效的狀態(tài)，得到4個設備的實際介質(zhì)損耗值為0.58%、0.25%、5.65%、0.39%。

此時，依據(jù)相對測量法，采集各個RC支路的泄漏電流，建立動態(tài)基準源數(shù)據(jù)的介質(zhì)損耗值測量矩陣為

(12)

將上述數(shù)據(jù)進一步整理，結(jié)果見表1。

將上述計算值減去實際值，得到不同基準下各個設備的測量誤差，繪制成圖5。通過對比圖5中曲線可知：以2號設備為基準時，各設備的誤差最小 (-0.13%)；以3號設備為基準時，誤差最大(-5.21%)。各設備的誤差主要來自于基準設備其自身介質(zhì)損耗值的增長，因此同一基準下各個設備的誤差基本相同，且等于該基準設備的介質(zhì)損耗增長量。

圖5 容性設備仿真試驗誤差曲線Fig.5 Error curves of simulation test for capacitive equipment

進一步分析誤差曲線和表1數(shù)據(jù)得到：

a)以1號設備為基準時，計算得到2號設備的介質(zhì)損耗值為0.06%，小于其停電測試初始值(0.12%)。當1號基準設備的介質(zhì)損耗增量tan Δδ′1大于2號設備的介質(zhì)損耗增量tan Δδ′2時，得到2號設備絕緣越來越好的錯誤結(jié)果。

b)以3號設備為基準時，1號設備介質(zhì)損耗測量值為-4.63%。當3號基準設備介質(zhì)損耗增量tan Δδ′3大于1號設備的實際介質(zhì)損耗tanδ′1，將得到1號設備測量結(jié)果為負值的錯誤結(jié)果。

c)依據(jù)第3章的算法，排序列向量中第2行S2最大，即以2號設備為基準時，得到各設備測量值大于以其他設備為基準得到的測量值，因此選用2號設備為基準較為適宜，并可得到各設備的介質(zhì)損耗最精確值[0.45% 0.12% 5.52% 0.26%]。同時，根據(jù)DL/T 596—1996《電力設備預防性試驗規(guī)程》中規(guī)定的CT的tanδ限值(66～110 kV為1%)，可判定3號設備故障。

5 采用動態(tài)基準源的新型容性設備介質(zhì)損耗測試裝置的研制與測試

圖6所示為采用動態(tài)基準源的新型介質(zhì)損耗測試裝置示意圖。該裝置監(jiān)測同一母線、同一相內(nèi)的多個容性設備的泄漏電流，由通信主機、數(shù)據(jù)分析后臺和多個泄漏電流測量單元組成。其主要參數(shù)為：①電流測量范圍1～999 mA，測量誤差小于±(0.1%讀數(shù)+0.01 mA)；②電容測量范圍100～50 000 pF，測量誤差小于±1%讀數(shù)；③介質(zhì)損耗測量范圍0.001～0.3，測量誤差小于±(1%讀數(shù)+0.001)。

表1 容性設備介質(zhì)損耗仿真數(shù)據(jù)Tab.1 Simulation data of capacitive equipment dielectric loss %

圖6 采用動態(tài)基準源的測試裝置Fig.6 Test device using dynamic reference source

泄漏電流測量單元采用就地測量模式，得到各設備的泄漏電流大小和相位。測量單元使用型號為HCT-1(80)AH的穿心式互感器感應泄漏電流，該互感器精度達到0.1%，線性度為0.05%，角差變化小于5′，精度溫度漂移小于(5×10-6)，角差溫度漂移小于5′/℃，具有精度高、可重復性好等優(yōu)點。測量單元通過內(nèi)置無線模塊接收無線通信主機發(fā)送的同步信號進行高精度采樣，并將采樣信號通過快速傅里葉(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)變換后，得到各設備泄漏電流的大小和相位。各測量單元將測量結(jié)果以無線方式發(fā)送至通信主機，通信主機將全站數(shù)據(jù)匯總至數(shù)據(jù)分析后臺。最后，后臺采用動態(tài)基準源的新型測試方法，得到各設備介質(zhì)損耗的最精確值。泄漏電流測量單元內(nèi)部信號傳遞示意圖如圖7所示。

圖7 泄漏電流測量單元內(nèi)部信號傳遞示意圖Fig.7 Internal signal transmission diagram of leakage current measuring unit

圖8所示為使用該裝置對東莞供電局某220 kV變電站內(nèi)電容式電壓互感器(capacitor voltage transformer，CVT)進行介質(zhì)損耗在線監(jiān)測的現(xiàn)場測試圖。為了對該裝置和算法進行測試和驗證，于2019年8月16日，采用12個在線監(jiān)測單元分別對東莞供電局某220 kV變電站內(nèi)的4組CVT設備進行相對介質(zhì)損耗的檢測，并通過無線通信主機接收和處理采樣信號，得到表2中的數(shù)據(jù)。

圖8 某220 kV變電站CVT介質(zhì)損耗在線監(jiān)測圖Fig.8 Field on-line monitoring of dielectric loss of CVT in a 220 kV substation

將上述CVT設備的介質(zhì)損耗歷史值導入至裝置后臺，并開啟算法進行計算，得到各相介質(zhì)損耗的測量最精確值。其中，主機監(jiān)測到2號CVT的A相介質(zhì)損耗值為4.26%，B相為0.13%，C相為0.12%。A相存在較大絕緣缺陷的可能，于2019年8月17日申請停電復測，停電復測結(jié)果A、B、C相介質(zhì)損耗值分別為4.24%、0.13%、0.13%，與本裝置在線監(jiān)測結(jié)果差別不大，說明該裝置在線測量的有效性和精確性。立刻對A相進行檢修，之后恢復正常。同時，為了驗證其他CVT設備介質(zhì)損耗測量值的準確度，分別在2019年12月2日、12月25日、2020年3月3日對其他3組CVT設備(1號、3號和4號)進行停電測量，得到停電測試下的介質(zhì)損耗值，將其作為介質(zhì)損耗真實值，用于驗證數(shù)據(jù)結(jié)果。將以上數(shù)據(jù)進行整理，得到表3。

表2 CVT相對介質(zhì)損耗測量表Tab.2 Measurement table of relative dielectric loss of CVT %

表3 CVT相對介質(zhì)損耗驗證數(shù)據(jù)Tab.3 Relative dielectric loss data %

將表3中不同基準下的測量值減去真實值，得到不同基準下各個設備的絕對誤差值，將誤差繪制成曲線，分別得到圖9各CVT設備的A相誤差曲線圖、圖10各CVT設備的B相誤差曲線圖和圖11各CVT設備的C相誤差曲線圖。由誤差曲線圖可以看出，A、B、C三相分別選取4號CVT的A相、3號CVT的B相、4號CVT的C相為基準參考設備時，各設備誤差最小。

根據(jù)歷史停電測試數(shù)據(jù)和表2，建立各單元介質(zhì)損耗測量值矩陣。采用動態(tài)基準源分析算法，將選擇介質(zhì)損耗變化最小的設備為參考，根據(jù)第3章所述算法，A相排序列向量中S4=16為最大值，B相中S3最大，C相S4最大；因此，該裝置的測試結(jié)果是：對于A相，將選取4號設備作為基準參考；B相選取3號設備為基準參考。C相選取4號設備為參考，由此得到各設備介質(zhì)損耗最精確值。

圖9 CVT設備A相誤差曲線Fig.9 A phase error curves of CVT equipment

圖10 CVT設備B相誤差曲線Fig.10 B phase error curves of CVT equipment

圖11 CVT設備C相誤差曲線Fig.11 C phase error curves of CVT equipment

由表3可以看出，采用動態(tài)基準源進行分析計算所得到的介質(zhì)損耗值較為接近真實值，可以選擇介質(zhì)損耗變化最小的設備作為基準設備。對于A相來說，以4號設備為基準時其他單元介質(zhì)損耗測量值最大，而以2號設備為基準時其他單元介質(zhì)損耗測量值最小，說明在A相的4個CVT中，4號自身的介質(zhì)損耗變化量最小而2號最大。同樣，對于B相和C相，分別選用3號和4號設備為基準，可以得到各CVT設備的介質(zhì)損耗最精確值。

在傳統(tǒng)的單一基準源方法中，若正好選用2號設備為基準時，會導致較大的誤差，誤差與2號的介質(zhì)損耗增長量有關(guān)。以其為基準時，計算其他單元的A相介質(zhì)損耗值為負值，與本文第2章的分析一致。

再次停電測試得到各CVT設備的介質(zhì)損耗真實值，與在線測量的介質(zhì)損耗最精確值進行比對和分析，發(fā)現(xiàn)誤差相對最小，且選取的基準設備介質(zhì)損耗變化最小，從而驗證了該裝置采用動態(tài)基準源分析測量和計算介質(zhì)損耗值的有效性。該裝置測量得到的介質(zhì)損耗最精確值后，根據(jù)試驗規(guī)程DL/T 596—1996等的規(guī)定，對設備絕緣優(yōu)劣性能進行判斷，對絕緣劣化的設備及時維護，可有效保障電力設備的安全。

6 結(jié)束語

本文研制了一種采用動態(tài)基準源的新型容性設備介質(zhì)損耗測試裝置，該裝置可根據(jù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立介質(zhì)損耗值測量矩陣進行數(shù)據(jù)分析，動態(tài)識別和選擇介質(zhì)損耗變化最小的設備，將其作為基準源，從而得到各個設備的介質(zhì)損耗最精確值，最終根據(jù)檢修試驗規(guī)程的限值判斷設備絕緣狀況優(yōu)劣。該裝置的算法可以有效克服單一基準設備介質(zhì)損耗較大增長量對測量結(jié)果帶來較大誤差，相比傳統(tǒng)基于單一基準源的相對測量法，具有更高的準確度。仿真研究和實例測試結(jié)果驗證了該裝置和方案的有效性、準確度和實用性。