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1、第 #章 相对介质损耗因数和电容量比值检测技术【本章内容提要】 本章主要介绍了电容型电流互感器、电容式电压互感器、耦合电容 器和电容型套管等电容型设备相对介质损耗因数及电容量比值带电检测的基本原理， 介绍了 相对介损和电容量带电检测仪器的现场操作方法、 相关注意事项和标准检测流程， 以及如何 应用相对介质损耗因数和电容量比值的带电测试结果分析电容型设备的运行状况。第一节 相对介质损耗因数及电容量检测技术概述一、发展历程相对介质损耗因数和电容量测量是以设备绝缘介质损耗因数和电容量测量方法演变而 来，由于介质损耗因数测量和电容量检测能够较好的发现电气设备绝缘大部分受潮、 整体绝 缘缺陷等缺陷而受到
2、广泛的运用。但是由于介质损耗因数和电容获得需要电气设备停电后， 给电气设备施加一定电压后测量， 因为是停电项目受到停电周期的限制， 而带电测试相对介 质损耗和电容量比值方法是在设备正常运行条件下开展的，摆脱了停电周期的限制。相对介质损耗因属和电容量比值带电检测的方法有绝对法测量和相对法测量， 绝对法测 量的电压信号取该电气设备上母线 PT 二次端子的电压信号，电流信号为被试设备末屏接地 线或者末端接地线上的电流信号， 经过计算得到上述两个电气设备参数， 但是绝对法测量受 PT角差及二次负荷的影响，导致不停电的绝对法测量结果不准确，受到很大的限制。相对介质损耗因数及电容量比值带电检测克服了绝对法
3、测量的缺点， 指选择一台与被试 设备并联的其它电容型设备作为参考设备， 通过测量在其设备末屏接地线或者末端接地线上 的电流信号，通过两电气设备电流信号的幅值比和相角差来获取相对介质损耗因数及电容 量。二、技术特点电容型设备介质损耗因数和电容量比值的带电检测可以分为绝对测量法和相对测量法 两种。绝对测量法的主要优点是能够直接带电测量电容型设备的介质损耗因数和电容量的绝 对值，与传统停电测量的原理和判断标准都较为类似， 但由于需要从电压互感器的二次获取 电压参考信号，该方法存在以下缺点：（ 1）测量误差较大，主要由于以下几个方面造成：PT 固有角差的影响。根据国家标准对电压互感器的角误差的容许值的
4、规定，对于目前 绝大多数级电压互感器来说， 使用其二次侧电压作为介损测量的基准信号， 本身就可能造成 20的测量角差， 即相当于的介损测量绝对误差， 而正常电容型设备的介质损耗通常较 小，仅在之间，显然这会严重影响检测结果的真实性。PT二次PT二次负荷的影响。电压互感器的测量精度与其二次侧负荷的大小有关，如果负荷不变，则角误差基本固定不变。由于介损测量时基准信号的获取只能与继电保护和仪表 共用一个线圈，且该线圈的二次负荷主要由继电保护决定，故随着变电站运行方式的不同， 所投入使用的继电保护会作出相应变化，故PT的二次负荷通常是不固定的，这必然会导致其角误差改变，从而影响介损测试结果的稳定性。（
5、2）需要频繁操作 PT二次端子，增加了误碰保护端子引起故障的几率。相对值测量法能够克服绝对值测量法易受环境因素影响、误差大的缺点，因为外部环境（如温度等）、运行情况（如负载容量等）变化所导致的测量结果波动，会同时作用在参考设备和被试设备上，它们之间的相对测量值通常会保持稳定，故更容易反映出设备绝缘的真实状况；同时，由于该方式不需采用PT（ CVT二次侧电压作为基准信号，故不受到PT角差变化的影响，且操作安全，避免了由于误碰PT二次端子引起的故障。三、应用情况相对介质损耗因数及电容量比值带电检测技术可广泛应用于电容型设备（如：电容型电流互感器、电容式电压互感器、电容型套管、耦合电容器等）绝缘情况
6、的带电检测，有效性 较高。目前，相对介质损耗因数及电容量比值带电检测方法在河北省电力公司、福建省电力公司等地已作为常规项目定期开展，并通过该方法及时发现了多例缺陷设备，积累了由于绝缘受潮、绝缘老化、局部放电等缺陷导致相对介质损耗因数及电容量比值异常的缺陷案例， 通过案例分析，验证了测量方法的准确性和有效性。伴随目前多家测试仪器厂家研发仪器日趋成熟，以及测试人员理论和技能水平的逐步提高，相对介质损耗因数及电容量比值带电检测技术具备了进一步扩大推广应用的必要条件。第二节 相对介质损耗因数及电容量比值检测技术基本原理一、介质损耗因数及电容量的基本知识电介质在电压作用下，由于电导和极化将发生能量损耗，
7、统称为介质损耗，对于良好的绝缘而言，介质损耗是非常微小的，然而当绝缘出现缺陷时， 介质损耗会明显增大，通常会使绝缘介质温度升高，绝缘性能劣化，甚至导致绝缘击穿，失去绝缘作用。在交流电压作用下， 电容型设备绝缘的等值电路如图4-1所示。流过介质的电流I由电容电流分量 二和电阻电流分量两部分组成，电阻电流分量 |r就是因介质损耗而产生的， 电阻电流分量Ir使流过介质的电流偏离电容性电流的角度称为介质损耗角，其正切值tan反映了绝缘介质损耗的大小 ，并且tan 仅取决于绝缘特性而与材料尺寸无关，可以较好地反映电气设备的绝缘状况。此外通过介质电容量 C特征参数也能反映设备的绝缘状况，通过测量这两个特征
8、量以掌握设备的绝缘状况。（a）等值电路图；（b）向量示意图图 4-1 电容型设备绝缘等值电路电容型设备通常是指采用电容屏绝缘结构的设备， 例如：电容型电流互感器、 电容式电 压互感器、耦合电容器、电容型套管等，其数量约占变电站电气设备的40-50% 。这些设备均是通过电容分布强制均压的， 其绝缘利用系数较高。 电容型设备由于结构上的相似性， 实 际运行时可能发生的故障类型也有很多共同点，其中有：（1）绝缘缺陷（严重时可能爆炸） ，包括设计不周全，局部放电过早发生；（2）绝缘受潮，包括顶部等密封不严或开裂，受潮后绝缘性能下降；（3）外绝缘放电，爬距不够或者脏污情况下，可能出现沿面放电；（4）金属
9、异物放电，制造或者维修时残留的导电遗物所引起。对于上述的几种缺陷类型，绝缘受潮缺陷约占电容型设备缺陷的85%左右，一旦绝缘受潮往往会引起绝缘介质损耗增加， 导致击穿。 对于电容型绝缘的设备， 通过对其介电特性的 检测，可以发现尚处于早期阶段的绝缘缺陷， tan 是设备绝缘的局部缺陷中，由介质损耗 引起的有功电流分量和设备总电容电流之比， 它对发现设备绝缘的整体劣化较为灵敏， 如包 括设备大部分体积的绝缘受潮，而对局部缺陷则不易发现。测量绝缘的电容C ，除了能给出有关可能引起极化过程改变的介质结构的信息 （如均匀受潮或者严重缺油） 外，还能发现 严重的局部缺陷（如绝缘击穿） ，但灵敏程度也同绝缘
10、损坏部分与完好部分体积之比有关。 二、相对介质损耗因数及电容量比值检测技术的基本原理（一）相对介质损耗因数及电容量比值检测技术的基本原理电容型设备介质损耗因数和电容量带电检测按照参考相位获取方式不同可以分为绝对 测量法和相对测量法两种，相对介质损耗因数及电容量比值是通过相对测量法得到的。1. 绝对测量法 绝对测量法是指通过串接在被试设备Cx 末屏 （或低压端 ）接地线上，以及安装在该母线PT 二次端子上的信号取样单元，分别获取被试设备 Cx 的末屏 （或低压端 ）接地电流信号 Ix 和PT二次电压信号，电压信号经过高精度电阻转化为电流信号In ,两路电流信号经过滤波、4-2（ a）所示。放大、
11、采样等数字处理， 利用谐波分析法分别提取其基波分量， 并计算出其相位差和幅度比， 从而获得被试设备的绝对介质损耗因数和电容量比值，其原理如图(b)向量示意图(a)测试原理图;图 4-2 绝对测量法原理示意图图4-2 ( b)是利用PT (CVT )的二次侧电压(即假定其与设备运行电压Un的相位完全相同)作为参考信号的绝对值测量法向量示意图，此时仅需准确获得设备运行电压Un 和末屏(或低压端)接地电流lx的基波信号幅值及其相位夹角 a ,即可求得介质损耗tan S和电容 量C,如式1-1和1-2所示。tan S = tan(90 $)(4-1)Cx=lcos S / wU(4-2)绝对值测量法尽
12、管能够得到被测电容型设备的介质损耗和电容量，但现场应用易受 PT(CVT )自身角差误差、外部电磁场干扰及环境温湿度变化的影响。2. 相对测量法相对测量法是指选择一台与被试设备Cx并联的其它电容型设备作为参考设备Cn,通过串接在其设备末屏(或低压端)接地线上的信号取样单元，分别测量参考电流信号In和被测电流信号lx，两路电流信号经滤波、放大、采样等数字处理，利用谐波分析法分别提取其 基波分量, 计算出其相位差和幅度比, 从而获得被试设备和参考设备的相对介损差值和电容 量比值。其原理如图 4-3 ( a)所示。(a)(b)图 4-3 相对测量法原理示意图(a)测试原理图；(b)向量示意图图4-3
13、 ( b)是利用另一只电容型设备末屏 (或低压端)接地电流作为参考信号的相对值测 量法的向量示意图， 此时仅需准确获得参考电流 In和被测电流Ix的基波信号幅值及其相位 夹角a即可求得相对介损差值厶 tan 8和电容量Cx/Cn的值，如式4-3和4-4所示。 tan 8 = tan 8tan 8 1 tan(- 8 2)= tan a(4-3)Cx/Cn=Ix/In( 4-4)相对介质损耗因数 是指在同相相同电压作用下, 两个电容型设备电流基波矢量角度差的 正切值(即 tan 8。相对电容量比值 是指在同相相同电压作用下，两个电容型设备电流基 波的幅值比(即 Cx/Cn )。(二)信号取样方式
14、及其装置现场进行电容型设备相对介质损耗因数和电容量比值测试需要获得电容型设备的末屏（电容型电流互感器、电容型套管）或者低压端（耦合电容器、电容式电压互感器）的接地 电流，但由于电容型设备的末屏 （或低压端）大都在其本体上的二次端子盒内或设备内部直 接接地，难以直接获取其接地电流，因此需要预先对其末屏（或低压端）接地进行改造，将 其引至容易操作的位置，并通过取样单元将其引入到测试主机。1信号取样单元信号取样单元的作用是将设备的接地电流引入到测试主机，测试准确度及使用安全性是其技术关键，必须避免对人员、 设备和仪器造成安全伤害。 目前所使用的电容型设备带电测 试取样装置主要可以分为两种， 即接线盒
15、型和传感器型（其中传感器型还可以分为有源传感 器和无源传感器）。（1）接线盒型电流取样单元接线盒型取样单元串接在设备的接地引下线中，主要功能是提供一个电流测试信号的引出端子并防止末屏（或低压端）开路，但没有信号测量功能，测试时需通过测试电缆将电流引入带电测试仪内部的高精度穿心电流传感器进行测量，如图4-4所示。该型取样单元主要由外壳、防开路保护器、 放电管、短接连片及操作刀闸等部件构成，其中短连接片和刀闸并 接后串接在接地引下线回路中，平常运行时短连接片和刀闸均闭合，构成双重保护防止开路，测量时先打开连接片并将测试线接到该接线柱，拉开小刀闸即可开始测量。防开路保护器可有效避免因末屏（或低压端）引下线开断或测量引线损坏或误操作所导致的末屏（或低压端）开路，保证信号取样的安全性。（a）（b）（c）图4-4 接线盒型取样单元（a）内部结构示意图；（b ）原理图；（c）外观图接线盒型取样单元应满足以下要求：1）取样单元应采用金属外壳，具备优良的防锈、防潮、防腐性能，且便于安装固定在被测设备下方的支柱或支架上使用；2）取样单元内部含有信号输入端、测量端及短接压板等， 并应采用多重防开路保护措施，有效防止测试过程中因接地不良和测试线脱落等原因导致的末屏（或低压端）电压升高，保证测试人
