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1、第三章 电容型设备在线监 测与诊断On-line monitoring and fault diagnosis for capacitive equipment 1本章内容 概述 测量三相不平衡电流Ik 介质损耗角正切的监测 介质损耗角正切的异频检测 电力电容器的在线监测与故障诊断23.1 概述3通常绝缘介质的平均击穿场强随其厚度的增加而下降。在较厚的绝缘内设置均压电极，将其分隔为若干份较薄的绝缘，可提高绝缘整体的耐电强度。由于结构上的这一共同点，电力电容器、耦合电容器、电容型套管、电容型电流互感器以及电容型电压互感器等，统称为电容型设备。 750kV 电容式电压互感器5支 撑 绝 缘均 压
2、环中 心 导 体悬浮 电位 屏蔽接 地 屏 蔽法 兰瓷 套750kV断路器充SF6引线套管结构图6电力电容器电容式套管高压电流互感器（CT）高压电压互感器（PT）电容式电压互感器（CVT）数量约占变电站设备总台数的40%50%。电容型设备在变电站中具有重要地位，它们的绝缘状 态是否良好直接关系到整个变电站能否安全运行，因而对 其绝缘状况进行监测具有重大意义。变电站中的主要电容性设备7结构单元电容器剖面图铝箔铝箔 绝缘薄膜绝缘薄膜电力电容器结构8 CVT：电磁单元变压器二次失压；电容分 压嚣电容量变化；电磁单元受潮等 电磁式电压互感器：铁磁谐振故障 电容型CT：一次导电回路过热故障、受潮 故障及
3、电容芯子内局部放电故障 SF6气体绝缘CT：电容屏缺陷、蔽罩缺陷 、撑件缺陷、异物 电容型设备故障统计9 耦合电容器：电容芯子受潮、密封不良、 结构设计不合理、夹板在制造和加工时有 缺陷、现用的电容器油所含芳香烃成价偏 少、元件开焊、设备引线有放电现象等 并联电容器：渗漏油、电容器外壳膨胀、 电容器温升过高、电容器瓷瓶表面闪络放 电、声音异常、电容器爆破等 集合式电容器：电容器制造质量不良、电 容器绝缘老化、不平衡电压保护动作10绝缘介质的能量损耗绝缘介质在外部场强的作用下存在能量损耗：n电导引起的损耗n介质极化引起的损耗电介质的能量损耗简称介质损耗，它是影响绝 缘劣化和热击穿的一个重要因素。
4、11在直流电场作用下，由于介质没有周期性的 极化过程，介质中的损耗仅由电导引起。在交流电压下，除电导损耗外，还存在由于 周期性的极化而引起的能量损耗，因此需要引入 新的物理量加以描述。电介质的损耗回路电流回路电流 I=II=Ir r+I+IC C（由于介质有能量损耗，所以电流不是纯电容电流）（由于介质有能量损耗，所以电流不是纯电容电流）电流电流I Ir r和和I IC C之间的关系为：之间的关系为： I Ir r= I= IC Ctgtg = U= U C C tgtg 介质损耗介质损耗 P= UIP= UIR R= U = U2 2 C C tgtg 单元体积的介质损耗单元体积的介质损耗 p
5、= Pp= P/ /sd= sd= 0 0 r rE E2 2tgtg I=II=Ir r+I+IC CUUU UI IC CI Ir rI I 电流相量图绝缘介质工作图13引入tan的原因使用介质损耗P表示绝缘介质的品质好坏是不方便 的，因为P值与试验电压、介质尺寸等因素有关，不同 设备间难以进行比较。所以改用介质损耗角正切 tgtg 来判断介质的品质。tg与类似，是仅取决于材料的特性与材料尺寸无 关的物理量。I Ir r= I= IC Ctgtg = U= U C C tgtg 因为tg为电流阻性分量和容性分量之比，而电流阻 性分量引起介质中能量的损耗，所以tg值能反映介质损 耗的大小。介
6、质损耗介质损耗 P= UIP= UIR R= U = U2 2 C C tgtg 讨论介质损耗角正切tg的意义n 绝缘结构设计时，必须注意到绝缘材料的tg。如 果tg过大会引起严重发热，是绝缘材料迅速老化，进而导致热击穿。n 在绝缘预防性试验中， tg是基本测试项目，当绝 缘受潮或劣化时， tg将急剧上升。绝缘内部是否存 在可疑的放电现象，也可以通过测量 tg - U的关系 曲线加以判断（随电压增高， tg应不变，若变化，则存在放电现象）。可见 tg既是绝缘劣化的原因，也是绝缘劣化的特征。介质损耗角正切tg所能反映的缺陷n 绝缘受潮。n 绝缘脏污。n 绝缘中存在气隙放电。U UU UC Ctg
7、tg U UC C代表较多气隙开始放电 时所对应的外加电压。 tgtg = f = f (U U ) 从tgtg 增长的陡度可反映绝 缘劣化的程度。另外，当外施电压超过起 始放电电压时，将发生局部 放电，损耗急剧增加。介质损耗角正切tg的不足tg是反应绝缘功率损耗大小的特性参数，与 绝缘体积无关。这一点并非总是有利的。如果绝缘内的缺陷不是分布性的而是集中性 的，则tg反映不灵敏。IC几乎是不变的。 tg取决于缺陷对Ir 的影响。这相当于不同的绝缘部分相并联的情况，总 绝缘损耗为完好部分与缺陷部分介质损耗之和。这样如果缺陷部分（C1）越小，则C1 / / CX越越 小小，所以在测量整体绝缘tg时
8、越难以发现缺陷部 分（ tg1 1）的影响。发电机电力电缆变压器绕组 tg反映不灵敏的设备反映灵敏的设备套管PTCT3.2 测量三相不平衡电流Ik19在电力系统中，三相分体设备，通常都是相同型号且同批生产的。各类性能应当基本一致。因此可以利用设备的这一特点，通过检测各相设备间特征参量的差异，来监测设备内部缺陷的发展情况。20C C0 0C CR RI I0 0I IU U 绝缘特征参量分析如取x=1/C，k=C/C0，则当运行电压恒定的情况下，电流的变化既反映了导纳的变化。缺陷部分的损耗为所以由此产生整个试品的介质损耗增量（初始为0）缺陷导致的整个试品的电容量增量为当绝缘内部出现缺陷后，这三个
9、参量（， ， ）是可被测量的。但哪一个对缺陷反应更灵敏？可见当缺陷层tg开始增大时，测量和更灵敏而当缺陷层tg100%时，测量和更灵敏三相电流之和的在线检测上述分析表明 ，与介质损耗因数或电容量变化相比，监测流经绝缘电流的变化对发现绝缘缺陷更为敏感。如果三相电压平衡，且三相设备的电容及损耗相同，则 无电流通过其中性点；但如果有一项设备出现缺陷，则中性 点有电流流过。UA AUB BUC CYA AYB BYC C影响因素n 三相电压不平衡。n 各相设备间对地阻抗有差异。一般电容性设备在出厂 时，允许其电容量存在10%的误差。所以只有当缺陷使其等值导纳变化很大时，这种方法才是有效的。n 杂散电流
10、干扰。UA AUB BUC CYA AYB BYC CYB B YC C YA A I0 0Id d为了补偿临近设备造成的感应电流的影响等，提高信噪比，实际测量的是中性点的不平衡电压。中性点三相不平衡电压法UA AUB BUC CYA AYB BYC CU U0 0RA ARB BRC CRrRA A 、 RB和RC可调是补偿用电阻。UA AUB BUC CYA AYB BYC CU U0 0RA ARB BRC CRr在三相设备正常情况下，先调节补偿电阻，使三相不平衡 电压U0降到零或极小值。当某一相设备出现缺陷时， U0将显著增长，其灵敏度比 三相不平衡电流法高得多。以70层电容层相串联的
11、电容套管为例，电容量为800pF，正常情况下tg=0.3%。当某一电容层tg增大时。各参量均有增长，但以三相不平衡电压增长最为明显。当70层中有一层缺陷增大时总体参数的变化。一般当此三相不平衡电压U0升高到数百微伏时，往往反映 可能有明显缺陷。U0与缺陷tg的关系对比结果表明，当 一层缺陷进一步恶化时 ，|C/C0|和|I/I0|的变化 都不超过2%，而三相不 平衡电压却增大若干倍 。因此三相不平衡电 压对缺陷的反应远比测 量电流或电容灵敏。影响因素n 因是三相电流的汇总，所以三次谐波影响严重。n目前电网三次谐波分量较大，有时可达I的15%。如果要求信噪比至少为2（SNR2）则时，才能较准确地
12、测量，这显然是不合要求的。因此在实际测量中，需将谐波滤去，尤其是三次谐波，抑制比应为300倍(50dB) ，才能保证 时, 既可测出。影响因素n 由于这种方法必须在一次回路中接入取样电阻R，虽然已并有保护元件，但一次侧接地线一旦断开，则设备浮地，后果不堪设想。3.3 介质损耗角正切的监测33电桥法绝对法相对法硬件法软件法监测 tg过零检测法在线检测tan的电桥法在停电试验中用电桥法测量tg是一种常用的、高精度的测量方法。如果能够在运行状态下进行检测，则有效性更高。传统电桥法(a) 正接法； (b)反接法 西林电桥测tan的基本线路被测量 设备被测量 设备标准 电容标准 电容n 电桥工作电压一般
13、为10kV；n 正接法由于调节部分处于低压臂，操作比较安全；n 当被测设备必须一端接地时，则须采用反接法。此时应注意电桥调节部分处于高压侧。无论是正接法还是反接法，电桥平衡时G中的电流IG = 0， 所以 IDA = IAC = IX ， IDB = IBC = INUDA = UDB ， UAC = UBC = UX以反接法为例，IX Z3= IN Z4IX ZX= IN ZNC CN NC Cx xC CN NC Cx x上式虚实部分别相等，通常取 ，f =50Hz，则有（单位微法）现场的电场及磁场常会影响电桥的平衡及准确的读数，消除干扰的方法有：n 可采用改变试验电源极性的做法：如进行正
14、、反相两次测量。n 近期也有采用45或55Hz异频电源的方法，这样可避开 50Hz频率的干扰。n 磁场干扰往往对电桥检流计回路的影响明显，可将检 流计移出磁场干扰区，或采用更好的磁屏蔽措施。 传统电桥法消除现场干扰的方法在线检测tg电桥法一般采用正接法，对运行设备进行检测。CN为高压标准电容，通常存在一 定的损耗tgN（已知）。当电桥平衡 时，测量值为tgm，有由于tgN1, tgX1，故在线电桥法的困难n 需要耐压等级比运行电压更高的标准电容器。n 由于设备运行电压很高，在电桥调节过程中，R4上会出现比较高的电压。n 电桥难以平衡。n 可能出现流经设备的电流IX过大，而使R3过热的情况。为解
15、决现场不愿意在一次侧增加标准电容的情况，可采用电压互感器配以低压标准电容的方式由于流经CN桥臂的 电流很小，宜增大CN ,一般为10003000pF。还应考虑电压互感器引 入的角差tgc。早期普遍采用的带电测量tg和电容的西林电桥法沿用了传统停电预试中测量tg的高压西林电桥的测量原理。由于必须另配更高耐压的高压标准电容器，并 需要对一次线路进行改造，难以在现场推广。 电桥法的无法克服的缺点过零检测法基本原理以高压套管为例。由于绝缘介质并非理想介质，故此 流经高压套管末屏的电流i与高压套管电压U的相位差将小于 /2。若将电压U的相位向前移/2，会与电流i形成一小的相 角差（），如图所示。这个相角差（）的正切值（tg） 就是绝缘介质的介损。电容量 。 随着研究的进一步深入，电容型设备绝缘在线检测技 术已发展到了一个新的水平。目前，电容型设备的tg在线 检测方法基本上采取如图的原理。比较反映被试品电流的电压信号ui波形和作为标准电压 的信号uv波形之间的过零点相位；脉冲测相位差法原理波形图将从传感器获得的两信号 波形通过过零转换变成幅 值相同的两个方波，再将 ui信号和移相90后的uv信号相与，得到的方波宽度 由单片机或计算机内时钟 脉冲计数，所得结果便反 映了介质损耗角
