第 3 章 电容性设备的在线监测

1. 第3章 电容性设备的在线监测 • 电容性设备在线监测的主要特征量 • 介损的基本理论知识 • 介损监测的电桥法 • 介损监测的相位差法 • 介损监测的数字分析法

2. 第一节 概述 一、电容性设备的监测项目 • 电容性设备：高压套管、电容式电压/电流互感器、耦合电容器、电力电容器等。 • 110kV及以上的电容型设备的高压端对地电容约在200-5000pF范围内。 如：110kV及以上的电容套管的电容值多数在500pF左右，220kV及以上电容式电流互感器约1000pF， 500kV电容式电压互感器的电容量为5000pF，110kV和220kV耦合电容器电容量分别为6600pF和3300pF。 • 电容性设备的主要监测项目：C、Ix、tanδ等反映介电特性的参数。

3. 第一节 概述 一、电容性设备的监测项目 • 电容性设备监测参量的意义 • tanδ是设备绝缘的局部缺陷中介质损失引起的有功电流分量Ir和设备总电容电流Ic之比，它对发现绝缘的整体(即包括了大部分体积)劣化如绝缘均匀受潮较为灵敏，而对局部缺陷(即体积只占介质中较小部分的缺陷和集中缺陷)则不易用测tanδ的方法发现，设备绝缘的体积越大，越不易发现。 • 测量绝缘的电容Cx或流过绝缘的电流Ix除了能给出有关可引起极化过程改变的介质结构变化的信息(例如：均匀受潮或严重缺油)外，还能发现严重的局部缺陷 (绝缘部分击穿)。但发现缺陷的灵敏程度也和绝缘损坏部分与完好部分体积之比有关。

4. 带电检测的监测结构形式 带电检测系统常将采样用的各类传感器安装于所监测的设备上，将 A/ D转换、微型计算机及其外围电路等集中于相应的便携式仪器中，用于对所采集的参量进行分析，以判断设备的状态。采用这种方式投资少，配置方便、灵活。但不能连续监测，不能集成所有的设备和项目，无法实现远程监测和集中管理。 电容性设备监测结构形式

5. 电容性设备监测结构形式 • 集中式在线监测的结构形式 • 模拟信号传输 • 电缆用量少 • 计算机采集、处理

6. 分布式在线监测的结构形式 采用数字传输技术，信号不易失真； 计算就地完成，减少数据的传输量和主控模块的工作量，同时可实施就地监测； 采用现场总线，传输电缆少，且系统的开放性和扩展性好； 成本较高。 电容性设备监测结构形式

7. 电容性设备监测结构形式 • 分布式在线监测的结构形式

8. 直接耦合式 可将试品电流转化为较高的电压 (如几十伏)输出，用模拟量传输，信噪比高，但要改变试品的接地方式。 电容接入式 电阻接入式 阻容接入式 磁性耦合方式 采用单匝穿芯传感器，分有源和无源两种类型，都不改变试品原来的接地方式，且与试品之间有磁的隔离。 普通电流传感器 零磁通传感器 传感器接入方式

9. 信号传输形式 直接耦合方式 磁耦合方式 网络总线标准 RS485总线 Can总线 TCP/IP 其它 信号传输

10. 1. 电介质的能量损耗 在直流下，电介质损耗用体积电导和表面电导表达 在交变电场(工频)下， 对位移极化，极化跟得上电场变化，无能量损耗 对偶极子极化等，极化跟不上电场变化，有能量损耗 在交变电场中，电介质能量损耗包括： 电导损耗 通过电介质的贯穿性泄漏电流所引起的能量损耗 极化损耗 在交流电压下，由周期性极化所引起的能量损耗 三、电介质的损耗

11. 第一节 概述 一、电容性设备的监测项目 • 电容性设备介损监测的理论知识 a) 并联等值电路 b)矢量图

14. 并联等值电路 串联等值电路 对同类试品绝缘的优劣可用tgδ来代替P对绝缘进行判断tgδ取决于材料的特性，与材料尺寸无关。

15. 第二节 介损的监测 • 常规测量方法 • 电桥法 • 瓦特表法 • 谐振回路法 • 凹形谐振腔法 • 测量线法 • 相位差法 • 数字分析法

16. 第二节介损的监测 一、电桥法

17. 第二节介损的监测 二、相位差法－过零电压比较法 1、基本原理

18. 第二节介损的监测 二、相位差法－过零电压比较法 1、基本原理

19. 第二节介损的监测 二、相位差法－过零电压比较法 2、误差分析 • 频率f引起的误差 • 设计数脉冲频率为4MHz/s，一个工频周期的脉冲数nT为80000个，tanδ≈δ＝1％。 • 当f＝50Hz时，相差φ的脉冲数 • 若f变化为49.9Hz，则 • 当实际f降低0.1Hz或0.2％时，测得φ的计数脉冲将增加40个，使tanδ的值偏大40×(2π/nT)=0.32%,实测值为1.32％，而不是1％，相对误差达32％。

20. 第二节介损的监测 二、相位差法－过零电压比较法 2、误差分析 • 运行电压取自PT副边，而PT的原副边存在角差，并且会在一定范围内波动。PT引起的固有相差是个系统误差，可在监测系统的数据处理时加以扣除。 • 谐波的影响。tanδ是由基波来计算的，若存在谐波，特别是电力系统中常有三次谐波，它将使相差φ发生偏差，而谐波本身又常随负载而变化，这还将影响tanδ的重复性。一般在监测系统中采用低通滤波器，滤去高次谐波。

21. 第二节介损的监测 二、相位差法－过零电压比较法 2、误差分析 • 两路信号在处理过程中存在时延带来的误差。低通滤波器、过零整形电路均会带来时延差，若电流、电压通道的电路参数不一致，则整形时延将不同，造成测量误差。为此应选用性能优良的高速器件以降低这类误差。 • 其它因素，例如环境温度的变化，若它所引起的两路电子器件性能的变化不一致的话，将造成测量误差。故在选择所用的电子器件时，应使两路器件的各项特性尽可能一致。

22. 第二节介损的监测 二、相位差法－过零电压比较法 3、特点 • 优点: • 计算简单 • 缺点: • 是由于上述众多的误差因素，故对各单元电子器件的要求较高，否则会影响监测数据的重复性，甚至出现由于重复性差而无法正确诊断的情况。

23. 第二节介损的监测 三、数字（谐波）分析法 1、基本原理

24. 第二节介损的监测 三、数字（谐波）分析法 1、基本原理 • 首先由传感器获得流过设备的电流信号(已转换为电压信号)和设备运行电压信号，利用波形采集装置将此时域波形同步转换为数字化离散信号，然后利用计算机将两个离散数字波形信号经离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)，得到两个信号的基波，进一步求出两基波的相位差，从而得到设备的tan。

25. 第二节介损的监测 三、数字（谐波）分析法 1、基本原理 • 满足狄里赫利条件(即给定的周期性函数在有限的区间内，只有有限个第一类间断点和有限个极大值和极小值)的电力系统电压ux、电流ix，可按傅里叶级数分解为直流分量和各次谐波分量之和： （1） （2） U0—电压的直流分量， I0—电流的直流分量， Ukm—电压的各次谐波幅值，Ikm—电流的各次谐波幅值， k—电压的各次谐波相角，k—电流的各次谐波相角， k= 1，2，3，4………

26. 第二节介损的监测 三、数字（谐波）分析法 1、基本原理 • 式（1）、式（2）可表示为： （3） （4） • 将式（3）两边同乘以coskt，取一周期内定积分，可得： （5）

27. 第二节介损的监测 三、数字（谐波）分析法 1、基本原理 • 三角函数在一个周期内定积分的正交特性：

28. 第二节介损的监测 三、数字（谐波）分析法 1、基本原理 • 化简式（5）有： • 所以： （6） • 由式（3）两边同乘以sinkt，并取一周期内定积分可得： （7） • 基波，令k=1，并且以式（6）除以式（7），则可得电压基波相角1： （8）

29. 第二节介损的监测 三、数字（谐波）分析法 1、基本原理 • 按相同方法，可由式（4）推得电流基波相角1： • 对容性试品，电流相角超前于电压90o， • 所以，介质损失角正切： （9） （10）

30. 第二节介损的监测 三、数字（谐波）分析法 2、特点 • 对硬件电路依赖小，如直流分量、电路零漂等对监测结果无影响，从而提高了测量的稳定性和测量精度。 • 要求对被测电压和电流同步采样，否则1－1是变化的，影响监测结果的重复性。 • 谐波分析法的主要特点是基于傅里叶变换，进行分析，可运用FFT运算求出电压、电流各次谐波的相角，取基波的相角差用于计算tan，可使结果不受高次谐波的影响。 • 傅里叶变换要求一周波采样2n个点，考虑到系统频率的变化，应对该电路进行锁相倍频跟踪，确保频率变化时仍采2n个点。

31. 第二节介损的监测 三、数字（谐波）分析法 2、特点 • 谐波分析法充分应用了数字测量方法，而数字处理技术本身具有抗干扰效果，也就运用了软件方法来抑制干扰，克服了传统的模拟测量方法抗干扰能力差的缺点。 • 采用该方法可将监测系统组成中央集控式，减少设备投资。 • 该方法主要依靠软件分析法，使系统经济、简单，是介损监测技术的发展方向。

32. 第二节介损的监测 三、数字（谐波）分析法 3、实例 全数字化监测系统原理框图

33. 第二节介损的监测 四、介质损耗角正切的异频监测 采用异频电源测量是一种有效的抗干扰措施。其原理为在介质损耗角正切测量中，试验电源频率偏离干扰电源频率（主要指工频电源的干扰），通过频率识别或滤波技术，排除干扰频率影响。 异频电源频率不能偏离工频太远，否则测量结果就失去等同性；也不能离的太近，否则会增加频率分辨的难度，同样会造成较大的误差。

34. 相间干扰 谐波影响 相位漂移 PT相位漂移 CT相位漂移 系统运行电压 温、湿度影响 频谱泄漏 误差分析

35. 相间干扰 误差分析 等效电路图如图所示。这个干扰是相对稳定的。

36. 谐波影响 误差分析 介质损耗角是由基波来计算的，若信号中存在谐波，特别是电力系统中常有的三次谐波，将使相差发生偏差。而谐波本身又常随负载而变化，这还将影响测量值的重复性。为此在监测系统中，需要对谐波进行抑制。

37. 相位漂移 误差分析 电压信号从电压互感器(PT或CVT)的二次侧获取。电压互感器的测量精度与其二次侧负荷的大小有关，随着变电站运行方式的不同，二次侧负荷随之变化，必然会导致角误差改变，从而影响介损测量结果的稳定性。 同一母线2组不同TV二次侧电压作为参考信号测量同一试品结果

38. 系统运行电压 误差分析 电容型设备良好绝缘的介损曲线基本上不随试验电压的升高而变化，当主绝缘严重受潮或含有离子型杂质时，介损值随试验电压的升高具有不同的变化情况。这是由于在交流电压下，离子在纸层间或油中的迁移被纤维阻拦所致。在低电压下，离子运动速度慢，迁移不大，不会碰到纸；电压升高后，离子运动速度加快，机械运动受到纸的阻拦，表现在电流上为有功分量波形畸变，致使介损值减小 。

39. 环境温湿度影响 误差分析

40. 分布在线监测的结构形式 分布式容性电气设备在线监测的特点 1在线监测的本地化 2 数字化和网络化 3测量的准确性和可靠性 4 同步采样 5 系统的安全性 6 系统的可维护性

41. 分布在线监测的结构形式 上位机：下达采样命令、接收上传的信号处理单元的采样结果数据，并在主机端进行分析计算，实现容性电气设备在线监测和诊断。由于同步采样时钟信号在网络传输当中会有一定的网络延时，造成采样的非同步，可以通过软件的方式进行修正。 信号处理单元：一种类型的模块。接收下达的采样命令，根据同步时钟信号进行信号的同步采集，将采样的结果进行FFT分析计算，并将分析结果上传。当作为同步采样时钟信号发送端时，可产生同步采样时钟。 同步采样时钟：为了提高同步采样时钟的抗干扰能力，本设计中借用RS485总线的电气特性，在发送端将时钟信号变成差分信号进行传播，在接收端再将差分信号还原成时钟信号，以此来保证波形传播的距离以及抗干扰的能力。

42. 分布在线监测的结构形式

44. 工作原理： 1、容性电气设备信号经过传感器后，得到三路信号并通过信号输入接口输入到电路板上，经运算放大器进行放大、滤波、驱动后送入AD转换器（MAX125）等待同步采样； 2、容性电气设备在线监测单机系统主机（PC端）向下面的某个具有时钟信号发生器的单元发布采样命令，这个单元收到命令过后启动同步采样时钟发生器，产生同步采样时钟信号； 3、信号处理单元收到同步采样时钟的下降沿时启动AD采样； 4、当AD转换器（MAX125）采样完成后向DSP申请中断，DSP响应中断后马上读取采样结果数据；

45. 工作原理： 5、当作为同步采样时钟发生器的单元发送完规定个数的同步采样时钟后，停止发送同步采样时钟，同时DSP停止采样； 6、DSP根据采样结果数据进行FFT分析，得到采样波形的各种信息； 7、容性电气设备在线监测单机系统主机（PC端）在规定的时间过后对下面的各信号处理单元进行采样数据的收集工作，并根据这些初步的结果数据进行再次分析得到设备的状态信息，产生诊断结果。