电气设备故障诊断概论课件：第13课 电容性绝缘在线监测（二）

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1、电容性绝缘在线监测（二）电容性绝缘在线监测（二）Dissipation Factor on-line Monitoring 电力系统中，高压电容型电气设备是指绝缘结电力系统中，高压电容型电气设备是指绝缘结构可视为一组串联电容的设备。构可视为一组串联电容的设备。 包括高压电容式套管、电流互感器（包括高压电容式套管、电流互感器（CT）、）、电电容式电压互感器（容式电压互感器（CVT）及耦合电容器（及耦合电容器（OY）等，等，数量约占变电站设备总台数的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

2、个变电站能否安全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。运行，因而对其绝缘状况进行监测具有重大意义。电容性设备监测方法电容性设备监测方法电桥法电桥法三相不平衡法三相不平衡法绝对法绝对法相对法相对法硬件法硬件法软件法软件法监测监测 tg 过零检测法过零检测法 早期普遍采用的带电测量早期普遍采用的带电测量tgtg 和电容的西林电桥法沿用和电容的西林电桥法沿用了传统停电预试中测量了传统停电预试中测量tg 的的QS-1型高压西林电桥的测量原型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，并需要对一理。由于必须另配更高耐压的高压标准电容器，

3、并需要对一次线路进行改造，难以在现场推广。次线路进行改造，难以在现场推广。 而三相不平衡电压法，虽然结构简单，测量有效。但因而三相不平衡电压法，虽然结构简单，测量有效。但因需要在一次设备的接地线中接入取样电阻，而受到用户的广需要在一次设备的接地线中接入取样电阻，而受到用户的广泛质疑。泛质疑。硬件法硬件法介质损耗角正切介质损耗角正切 ( tan ) ?) ? 020 (ms)电压电压u电流电流i测量测量tg 测量测量 （/2） 1% (弧度弧度)tg 随着研究的进一步深入，电容型设备绝缘在线检测技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，电容型设备术已发展到了

4、一个新的水平。目前，电容型设备的的tg 在线在线检测方法基本上采取如图的原理。检测方法基本上采取如图的原理。 所不同的是在如何获取数字化测量信号及采用何种信号所不同的是在如何获取数字化测量信号及采用何种信号处理方法对这些数字信号及数据进行处理和分析等方面形成处理方法对这些数字信号及数据进行处理和分析等方面形成了两大分支。了两大分支。脉冲测相位差法原理波形图过零检测法基本原理过零检测法基本原理再将再将ui信号和移相信号和移相90 后的后的uv信号信号相与，得到的方波宽度由单片机或相与，得到的方波宽度由单片机或计算机内时钟脉冲计数，所得结果计算机内时钟脉冲计数，所得结果便反映了介质损耗角便反映了介

5、质损耗角 的大小，继的大小，继而可以得到而可以得到tg 。 比较反映被试品电流的电压信号比较反映被试品电流的电压信号 ui波形和作为标准电压波形和作为标准电压的信号的信号uv波形之间的过零点相位；将从传感器获得的两信号波形之间的过零点相位；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，波形通过过零转换变成幅值相同的两个方波， 电容型设备的介质损耗角电容型设备的介质损耗角 很小（通常不大于很小（通常不大于1 ），因），因此如何保证其测量精度就十分重要。如果此如何保证其测量精度就十分重要。如果ui和和uv信号波形过信号波形过零的瞬间稍有干扰，将直接影响到过零转换后方波的起始位零的瞬

6、间稍有干扰，将直接影响到过零转换后方波的起始位置，妨碍了对置，妨碍了对 和和和和tg 的准确测量。的准确测量。 而硬件线路对于外界引入的电磁干扰、谐波干扰等十分而硬件线路对于外界引入的电磁干扰、谐波干扰等十分敏感，因此脉冲计数法易受敏感，因此脉冲计数法易受零点漂移零点漂移和和信号波形畸变信号波形畸变的影响，的影响，往往造成较大的误差和分散性。尽管其中的脉冲计数电路经往往造成较大的误差和分散性。尽管其中的脉冲计数电路经历了由单板机到单片机、再到计算机的发展过程，使历了由单板机到单片机、再到计算机的发展过程，使tg 的的测量精度逐步提高，但现场干扰对测量精度的影响及测量稳测量精度逐步提高，但现场干

7、扰对测量精度的影响及测量稳定性问题始终是一个亟待解决的难题。定性问题始终是一个亟待解决的难题。 谐波分析法的主要特点是基于傅立叶变换（谐波分析法的主要特点是基于傅立叶变换（FT）对被测对被测电压及电流进行分析，由于三角函数的正交性，傅立叶变换电压及电流进行分析，由于三角函数的正交性，傅立叶变换求解电压、电流信号基波时不受高次谐波和仪器电子线路所求解电压、电流信号基波时不受高次谐波和仪器电子线路所产生的零漂的影响。同时该方法还充分应用数字化测量方法产生的零漂的影响。同时该方法还充分应用数字化测量方法克服了传统的模拟测量方法抗干扰能力差的缺点，提高了测克服了传统的模拟测量方法抗干扰能力差的缺点，提

8、高了测量精度及测量结果的稳定性。量精度及测量结果的稳定性。用于用于tan 在线监测的传感器在线监测的传感器 在电容型设备在电容型设备 tg 在线检测过程中，进入测试系统的所在线检测过程中，进入测试系统的所有被测信号（反映设备电流的电压信号有被测信号（反映设备电流的电压信号 ui、基准电压信号基准电压信号uv ）都是由传感器获取的。只有首先从传感器获得真实的被测都是由传感器获取的。只有首先从传感器获得真实的被测信号，才有利于进一步对信号进行分析、处理，并由此判断信号，才有利于进一步对信号进行分析、处理，并由此判断设备的绝缘状况。设备的绝缘状况。 因此，传感器是在线检测技术的关键环节。因此，传感器

9、是在线检测技术的关键环节。 传感器是整个在线检测系统的输入端，担负着信号提取的传感器是整个在线检测系统的输入端，担负着信号提取的任务。它处于强电磁场环境中，容易受到电磁干扰；同时又长任务。它处于强电磁场环境中，容易受到电磁干扰；同时又长期工作在户外，易受各种环境因素的影响。为了准确地在电力期工作在户外，易受各种环境因素的影响。为了准确地在电力系统强噪声干扰环境下获取被测信号，用于电容型设备系统强噪声干扰环境下获取被测信号，用于电容型设备 tg 在线检测的传感器应能满足以下要求在线检测的传感器应能满足以下要求 : :n 电流传感器应能满足测量微弱电流信号电流传感器应能满足测量微弱电流信号(mA级

10、级)的要求，的要求，灵敏度高，使输出量能够灵敏地反映输入量的微小变化。灵敏度高，使输出量能够灵敏地反映输入量的微小变化。n 在测量范围内应具有良好的线性度，输出波形不畸变，在测量范围内应具有良好的线性度，输出波形不畸变，被测信号与输出信号电压之间的角差变化小。被测信号与输出信号电压之间的角差变化小。n 工作稳定性好。当外界环境变化时，输出量变化应限制工作稳定性好。当外界环境变化时，输出量变化应限制在允许范围内。在允许范围内。n 具有较强的抗干扰能力及良好的电磁兼容性能。具有较强的抗干扰能力及良好的电磁兼容性能。电容型设备的在线检测采用的电流传感器具有以下特点：电容型设备的在线检测采用的电流传感

11、器具有以下特点：1.以电磁耦合为基本工作原理，即一次和二次绕组之间没有以电磁耦合为基本工作原理，即一次和二次绕组之间没有电气联系，只有磁的联系。电气联系，只有磁的联系。 2. 2.采用环形铁芯，其优点是结构上没有气隙，磁性能好，在采用环形铁芯，其优点是结构上没有气隙，磁性能好，在采用环形铁芯，其优点是结构上没有气隙，磁性能好，在采用环形铁芯，其优点是结构上没有气隙，磁性能好，在铁芯上均匀绕制线圈，则漏磁很小。铁芯上均匀绕制线圈，则漏磁很小。铁芯上均匀绕制线圈，则漏磁很小。铁芯上均匀绕制线圈，则漏磁很小。(a)多匝串入式多匝串入式 (b) 单匝穿芯式单匝穿芯式多匝串入式传感器多匝串入式传感器单匝

12、穿芯式传感器单匝穿芯式传感器可以提高传感器二次侧的输出信号电压，有利于提可以提高传感器二次侧的输出信号电压，有利于提高信号传输的信噪比；高信号传输的信噪比；但需将被测设备的接地端断开后串入，增加了潜在但需将被测设备的接地端断开后串入，增加了潜在的故障点，不利于设备的安全运行及操作人员的人的故障点，不利于设备的安全运行及操作人员的人身安全。身安全。 不改变被测设备原有接线方式，安全性高；不改变被测设备原有接线方式，安全性高；但单匝穿芯式电流传感器输出电压信号幅值较小。但单匝穿芯式电流传感器输出电压信号幅值较小。易受干扰影响，从而导致测量结果不准确。易受干扰影响，从而导致测量结果不准确。 无源传感

13、器无源传感器有源传感器有源传感器不需要外加任何辅助电路，结构简单、维护方便、不需要外加任何辅助电路，结构简单、维护方便、使用寿命长。使用寿命长。输出电压信号通常只有几十毫伏，在信号传输过输出电压信号通常只有几十毫伏，在信号传输过程中极易受到外界大量噪声信号的干扰而失真，程中极易受到外界大量噪声信号的干扰而失真，从而直接影响到整体测量结果的准确性从而直接影响到整体测量结果的准确性。 在电流传感器的输出端就加入有源运算放大器，在电流传感器的输出端就加入有源运算放大器，这样可以有效地增强传感器系统的二次输出电压这样可以有效地增强传感器系统的二次输出电压信号，降低外界干扰信号对测量结果的影响信号，降低

14、外界干扰信号对测量结果的影响. 电流传感器的基本原理及结构电流传感器的基本原理及结构 (a)电流传感器结构图电流传感器结构图(b) 电流传感器原理图电流传感器原理图目前应用较多的是穿芯式有源传感器。目前应用较多的是穿芯式有源传感器。 对传感器系统而言，经被测电容型设备的绝缘而进入电对传感器系统而言，经被测电容型设备的绝缘而进入电流传感器一次线圈的电流流传感器一次线圈的电流I1可视为恒流源可视为恒流源 , , I1在环形铁芯中产在环形铁芯中产生磁通生磁通 1，二次线圈中将感应有电流二次线圈中将感应有电流 I2 ，并在铁芯中产生与并在铁芯中产生与 1方向相反的去磁磁通方向相反的去磁磁通 2 。于是

15、铁芯中的磁通应为两者之差，于是铁芯中的磁通应为两者之差，即激磁磁通即激磁磁通 0= 1- 2。 二次电流二次电流I2通过取样阻抗产生的二次输出电压为通过取样阻抗产生的二次输出电压为通过取样阻抗产生的二次输出电压为通过取样阻抗产生的二次输出电压为 如忽略线圈的电阻和漏抗，电流传如忽略线圈的电阻和漏抗，电流传感器输出的电压信号感器输出的电压信号U2=I2Z应当与应当与 2在二次绕组中产生的感应电势相等。在二次绕组中产生的感应电势相等。 0可以认为由可以认为由I1的激磁分量的激磁分量I0产生，根据磁路定律可求产生，根据磁路定律可求得：得： 因此因此可得，可得， 由于传感器二次负载通常较大由于传感器二

16、次负载通常较大，基本处于开路状态。，基本处于开路状态。 I2 0 0，所以所以I1 I0。即有即有 电流传感器的材料电流传感器的材料 为了保证电流传感器有良好的工作性能，应尽可能降低为了保证电流传感器有良好的工作性能，应尽可能降低其激磁电流以减小传感器的误差。当传感器铁芯尺寸、二次其激磁电流以减小传感器的误差。当传感器铁芯尺寸、二次线圈匝数一定的情况下，其导磁率线圈匝数一定的情况下，其导磁率 越高，则铁芯的激磁电越高，则铁芯的激磁电感感L0越大而激磁电流越大而激磁电流I0越小，因此有必须选用高导磁率的铁磁越小，因此有必须选用高导磁率的铁磁材料制作铁芯。材料制作铁芯。 硅钢片硅钢片 对微弱磁场不

17、灵敏，防锈性能差。对微弱磁场不灵敏，防锈性能差。铁氧体铁氧体 应用频带较高应用频带较高坡莫合金坡莫合金 在弱磁场和中等强度磁场下具有极高的在弱磁场和中等强度磁场下具有极高的导磁率和很低的矫顽力，并有较好的防锈性能。导磁率和很低的矫顽力，并有较好的防锈性能。 1J85类坡莫合金是制作电流传感器铁芯较理想的材料。类坡莫合金是制作电流传感器铁芯较理想的材料。1J85坡莫合金坡莫合金80%镍镍5%钼钼少量硅、锰元素少量硅、锰元素1J85坡莫合金的优点坡莫合金的优点 1J85坡莫合金的缺点坡莫合金的缺点饱和磁通密度饱和磁通密度Bs较低（较低（60007000Gs）。）。对外加机械应力十分敏感。对外加机械

18、应力十分敏感。 电阻率较低（电阻率较低（ =5.610-4 /m），），只适合用于只适合用于1MHz以以下频率范围内，如工作频率太高会造成很大的能量损耗。下频率范围内，如工作频率太高会造成很大的能量损耗。 具有高的初始磁导率，极低的矫顽力和相当高的最大磁具有高的初始磁导率，极低的矫顽力和相当高的最大磁导率导率 。 具有较好的温度特性，其居里温度较高（具有较好的温度特性，其居里温度较高（400）。）。 磁滞回线面积小，因而磁滞损耗小。磁滞回线面积小，因而磁滞损耗小。 对微弱磁场信号反应灵敏。对微弱磁场信号反应灵敏。 具有较好的抗过载能力。具有较好的抗过载能力。 电流传感器的误差分析电流传感器的误

19、差分析 在电容型设备绝缘在线检测中，电流传感器需借助二次在电容型设备绝缘在线检测中，电流传感器需借助二次电压信号电压信号U2的相位来反映一次被测电流的相位来反映一次被测电流I1的相位。的相位。 电流电流I1反向反向180 后和电流传感器输出电压信号后和电流传感器输出电压信号U2的相的相位不同位不同。因此，电流传感器存在相角误差。因此，电流传感器存在相角误差。 由相量图上也可以清楚地看出，因为存在激磁电流由相量图上也可以清楚地看出，因为存在激磁电流 I0，所以所以I1 I2。 电流传感器的测量误差因素有两个，即比差电流传感器的测量误差因素有两个，即比差f 和角差和角差 ，合称为电流传感器的复数误

20、差合称为电流传感器的复数误差 相角差相角差 一般定义为：传感器的一次电流和反向后的二次电一般定义为：传感器的一次电流和反向后的二次电流向量间的夹角，用流向量间的夹角，用“分分”来表示，来表示， 对于没有经过补偿的电流传感器，其角差均为正值。对于没有经过补偿的电流传感器，其角差均为正值。 对于有源电流传感器，除了电流传感器本身外，传感器对于有源电流传感器，除了电流传感器本身外，传感器二次端还接有放大器。二次端还接有放大器。 因此，还应考虑由于放大电路的相移对传感器角差的因此，还应考虑由于放大电路的相移对传感器角差的影响。影响。 电流传感器系统误差的补偿电流传感器系统误差的补偿 电流传感器系统包括

21、传感器及有源放大电路两部分，因电流传感器系统包括传感器及有源放大电路两部分，因此其误差也主要由两者的误差共同决定。此其误差也主要由两者的误差共同决定。1. 在电流传感器的二次线圈并联阻抗补偿传感器的角差在电流传感器的二次线圈并联阻抗补偿传感器的角差 当二次线圈并联电容进行补偿时，即当二次线圈并联电容进行补偿时，即 ，则，则 可见，对角差的补偿为负值，且补偿的数值与二次负载可见，对角差的补偿为负值，且补偿的数值与二次负载与并联电容的大小成正比。与并联电容的大小成正比。 2. 采用零磁通法补偿电流传感器的误差采用零磁通法补偿电流传感器的误差 此方法是通过改变可调阻抗此方法是通过改变可调阻抗Z3的阻

22、值实现的的阻值实现的 。 u 用零磁通法补偿误差，能均匀调节电流误差，直至为零。用零磁通法补偿误差，能均匀调节电流误差，直至为零。u 在采用零磁通法进行误差补偿时，需要两个铁芯，因此传在采用零磁通法进行误差补偿时，需要两个铁芯，因此传感器的体积比较大，结构也较为复杂。感器的体积比较大，结构也较为复杂。u 而且而且Z3的阻值的变化，对补偿结果影响很大。的阻值的变化，对补偿结果影响很大。传感器系统在测试现场传感器系统在测试现场的电磁兼容问题的电磁兼容问题变电站是一次设备和二次设备最集中的场所。变电站是一次设备和二次设备最集中的场所。u 一次回路中的开关操作、雷电流及短路电流等在接地网一次回路中的开

23、关操作、雷电流及短路电流等在接地网上将引起电位升高；上将引起电位升高；u二次回路中电缆间的电磁耦合会对二次回路产生干扰。二次回路中电缆间的电磁耦合会对二次回路产生干扰。 现场存在的大量干扰信号不可避免地会以各种方式进入现场存在的大量干扰信号不可避免地会以各种方式进入绝缘在线检测系统，与被测信号混在一起，使在线检测的灵绝缘在线检测系统，与被测信号混在一起，使在线检测的灵敏度和可靠性下降。敏度和可靠性下降。 屏蔽、滤波、接地是抑制电磁干扰最基本的方法。而屏蔽、滤波、接地是抑制电磁干扰最基本的方法。而对传感器系统而言，主要采取屏蔽的方法抑制电磁干扰。对传感器系统而言，主要采取屏蔽的方法抑制电磁干扰。

24、 传感器的屏蔽结构要从屏蔽电场干扰和磁场干扰两方传感器的屏蔽结构要从屏蔽电场干扰和磁场干扰两方面来考虑。对于电场干扰的屏蔽，主要靠反射损耗面来考虑。对于电场干扰的屏蔽，主要靠反射损耗R；而而对于磁场干扰的屏蔽，主要靠吸收损耗对于磁场干扰的屏蔽，主要靠吸收损耗A。 式中：式中：f-电磁波频率（电磁波频率（Hz）; r-屏蔽体相对于铜的电导率屏蔽体相对于铜的电导率; r-屏蔽体的相对于铜的磁导率；屏蔽体的相对于铜的磁导率；t-屏蔽体厚度屏蔽体厚度(m) r -干扰源距屏蔽体的距离（干扰源距屏蔽体的距离（m） 1. 铜铜 通常采用高电导率、低磁导率的铜材作为电场屏蔽材料。通常采用高电导率、低磁导率的

25、铜材作为电场屏蔽材料。试验表明，只要铜屏蔽材料的厚度大于试验表明，只要铜屏蔽材料的厚度大于30 m ，其屏蔽效能其屏蔽效能在全频谱范围内均可达到在全频谱范围内均可达到120dB以上。以上。 但铜材料对于低频磁场的屏蔽效能很差，同样厚度为但铜材料对于低频磁场的屏蔽效能很差，同样厚度为30 m ，对于工频对于工频50Hz的电源频率之磁场几乎没有屏蔽作用的电源频率之磁场几乎没有屏蔽作用（SEdB 0dB）。）。如果要求对工频磁场的屏蔽效能达到如果要求对工频磁场的屏蔽效能达到40dB，则铜材厚度应达到则铜材厚度应达到1cm以上。以上。 屏蔽材料的选择屏蔽材料的选择2. 铁铁 铁材的电屏蔽能力较铜材差很

26、多铁材的电屏蔽能力较铜材差很多。 但对磁场屏蔽能力是铜材的但对磁场屏蔽能力是铜材的13倍。倍。 材料对铜的相对电导率材料对铜的相对电导率 r r和相对磁导率和相对磁导率r材材 料料 r r r r铜铜11铁铁0.171000坡莫合金坡莫合金0.0480,0003. 高导磁率材料（坡莫合金）高导磁率材料（坡莫合金） 坡莫合金是高导磁材料，具有非常高的磁屏蔽能力坡莫合金是高导磁材料，具有非常高的磁屏蔽能力。 但电屏蔽能力较低。但电屏蔽能力较低。但电屏蔽能力较低。但电屏蔽能力较低。且易饱和。且易饱和。且易饱和。且易饱和。 传感器结构示意图传感器结构示意图传感器结构示意图传感器结构示意图针对电力系统电

27、磁干扰的具体特点（工频为主、高频范围针对电力系统电磁干扰的具体特点（工频为主、高频范围宽），在线监测传感器多采用多层屏蔽结构。宽），在线监测传感器多采用多层屏蔽结构。 不同屏蔽结构布置的效果不同屏蔽结构布置的效果屏蔽结构屏蔽结构(从外到里从外到里)屏屏 蔽蔽 效效 果果1, 2, 3好好2, 3, 1较好较好1, 3, 2差差3, 2, 1差差 1铜屏蔽层、铜屏蔽层、2铁屏蔽层铁屏蔽层 3坡莫合金屏蔽层坡莫合金屏蔽层n 在各屏蔽层之间不能相互连接，其间应以绝缘材料，在各屏蔽层之间不能相互连接，其间应以绝缘材料，否则会失去多层屏蔽的作用。否则会失去多层屏蔽的作用。n 另需要注意的是，由于穿芯式传

28、感器采用的是电磁耦另需要注意的是，由于穿芯式传感器采用的是电磁耦合工作原理，因此各屏蔽层均应留有缝隙，以免形成短合工作原理，因此各屏蔽层均应留有缝隙，以免形成短路匝。而为了获得好的磁屏蔽效果，还必须保证磁路的路匝。而为了获得好的磁屏蔽效果，还必须保证磁路的畅通，即小的磁阻。所以，当屏蔽层需要开狭缝时，狭畅通，即小的磁阻。所以，当屏蔽层需要开狭缝时，狭缝不能切断磁路，即狭缝只能与磁通的方向一致，而不缝不能切断磁路，即狭缝只能与磁通的方向一致，而不能与磁通的方向垂直。能与磁通的方向垂直。电流传感器系统性能的测定电流传感器系统性能的测定对传感器系统进行性能测定，项目包括电流传感器的工频电对传感器系统

29、进行性能测定，项目包括电流传感器的工频电压试验、匝间绝缘强度试验、传感器系统的误差（包括比差、压试验、匝间绝缘强度试验、传感器系统的误差（包括比差、角差）试验、及线性度、稳定性的测定。角差）试验、及线性度、稳定性的测定。 1. 工频电压试验工频电压试验2. 传感器一次线圈对壳体传感器一次线圈对壳体 20kV（工频工频1分钟）分钟）3. 传感器二次线圈对地传感器二次线圈对地 2kV（工频工频1分钟）分钟）2. 匝间绝缘强度试验匝间绝缘强度试验 在传感器原边通以额定电流，二次线圈开路，维持在传感器原边通以额定电流，二次线圈开路，维持1分钟，看传感器匝间绝缘是否良好。分钟，看传感器匝间绝缘是否良好。

30、3. 线性度的测定线性度的测定 在传感器原边通以已知标准频率的电流信号，然后在传感器原边通以已知标准频率的电流信号，然后由传感器二次侧测得相应的输出电压值，从而获得一由传感器二次侧测得相应的输出电压值，从而获得一次电流和二次电压间的伏次电流和二次电压间的伏安特性曲线。安特性曲线。4. 角差的测定角差的测定 在传感器原边通以额定工作电流，将此电流信号和传感在传感器原边通以额定工作电流，将此电流信号和传感器输出电压信号比较两者的相位差。器输出电压信号比较两者的相位差。 在传感器的线性工作区间和温度变化的极限范围内，其在传感器的线性工作区间和温度变化的极限范围内，其角差的最大变化值应小于角差的最大变

31、化值应小于 0.5 ，以满足系统设计要求。，以满足系统设计要求。5. 温度稳定性的测定温度稳定性的测定 将传感器系统置于恒温箱中，调节温度变化（将传感器系统置于恒温箱中，调节温度变化（040），），观察传感器系统在不同温度下的角误差变化情况。观察传感器系统在不同温度下的角误差变化情况。 传感器系统的传感器系统的 T曲线曲线T()tan 在线检测用数字化波形采集系统在线检测用数字化波形采集系统 被监测电流信号被监测电流信号 ui参考电压信号参考电压信号 uv幅值误差及相角误差幅值误差及相角误差1.幅值误差幅值误差 假设数据采集卡的满度（满量程）电压为假设数据采集卡的满度（满量程）电压为UFS，A

32、/D转换的最大绝对舍入量化误差为转换的最大绝对舍入量化误差为 若被测信号的幅值为若被测信号的幅值为Um，则由量化误差引起的幅则由量化误差引起的幅值最大相对误差为值最大相对误差为 可见，在不超过可见，在不超过A/D卡满度电压卡满度电压UFS的前提下尽量提的前提下尽量提高被测信号幅值高被测信号幅值Um（对正弦信号而言，其峰对正弦信号而言，其峰-峰值一般峰值一般应满足应满足 UFS ）。）。）。）。或增加或增加A/D卡的转换位数，都可以有效卡的转换位数，都可以有效地减小由地减小由A/D转换对在线检测带来的幅值误差。转换对在线检测带来的幅值误差。 2. 相角误差相角误差 减小相角误差，除了要求测量系统

33、本身通道之间的固减小相角误差，除了要求测量系统本身通道之间的固有相角偏差尽可能小以外，减小由量化误差引起的相角误有相角偏差尽可能小以外，减小由量化误差引起的相角误差也十分重要。差也十分重要。 相角误差主要取决于数据采集系统的垂直分辨率和水相角误差主要取决于数据采集系统的垂直分辨率和水平分辨率。平分辨率。 如果采样频率足够高，则在过零点（即如果采样频率足够高，则在过零点（即 t= 0 ）附近，正弦曲线可以近似看成直线，其斜率为：附近，正弦曲线可以近似看成直线，其斜率为：附近，正弦曲线可以近似看成直线，其斜率为：附近，正弦曲线可以近似看成直线，其斜率为： 若过零点为非采样点，则需要用线性插值方法确

34、定过零若过零点为非采样点，则需要用线性插值方法确定过零点处的相角，此时误差主要来自于零点两侧采样点数值的点处的相角，此时误差主要来自于零点两侧采样点数值的量化误差。当过零点两侧采样值均为最大量化误差且符号量化误差。当过零点两侧采样值均为最大量化误差且符号相同时，即相同时，即则相角误差最大，为则相角误差最大，为 可以看出，过零点处的最大相角误差和最大幅值相对可以看出，过零点处的最大相角误差和最大幅值相对误差在数值上相等。误差在数值上相等。 数字采集系统最佳工作点数字采集系统最佳工作点 1. A/D卡转换位数的选择卡转换位数的选择 绝缘在线检测数字化测量系统中，对绝缘在线检测数字化测量系统中，对t

35、g 测量的精测量的精度要求达到度要求达到 0.1%（此处指绝对精度）。（此处指绝对精度）。 如采用如采用12位的位的A/D卡，其满度电压为卡，其满度电压为10V，双极性方双极性方式工作。式工作。 系统系统A/D转换的分辨率为转换的分辨率为 2.44mV，最大量化误差即最大量化误差即为为 1.22mV，最大相角误差约为最大相角误差约为0.02%，只占系统介质损，只占系统介质损耗测量精度要求的五分之一，所以精度满足测量系统要求。耗测量精度要求的五分之一，所以精度满足测量系统要求。 2. A/D卡转换速率的选择卡转换速率的选择 根据奈奎斯特（根据奈奎斯特（Nyquist）采样定理，当采样频率大于采样

36、定理，当采样频率大于或等于信号中最高频率的两倍时，信号就完全可由采样值唯或等于信号中最高频率的两倍时，信号就完全可由采样值唯一确定，并可通过理想低通滤波器重新恢复原信号波形。一确定，并可通过理想低通滤波器重新恢复原信号波形。 为了保证数据采集精度，一般选取采样频率为信号中最为了保证数据采集精度，一般选取采样频率为信号中最高频率的高频率的710倍。倍。f f =2=2 50=100(Hz)50=100(Hz)f f =10=10 50=500(Hz)50=500(Hz) 而对于电容型设备绝缘在线检测波形采集系统，这样的而对于电容型设备绝缘在线检测波形采集系统，这样的采样速率是远远不够的。采样速率

37、是远远不够的。 对于电容型设备，其介质损耗角对于电容型设备，其介质损耗角 一般在一般在1%rad左右，左右，换算成工频换算成工频50Hz下的时间间隔，下的时间间隔， 为了测出如此一个小的时间间隔，为了测出如此一个小的时间间隔，A/D卡的采样周期卡的采样周期必须小于必须小于31.8 S，考虑到测量精度的要求，因此在线检测考虑到测量精度的要求，因此在线检测时所采用的时所采用的A/D卡转换速率应在卡转换速率应在100kHz以上。以上。 在线检测系统中，对经过波形采集系统离散、量化的在线检测系统中，对经过波形采集系统离散、量化的数字化波形采用了快速数字化波形采用了快速Fourier变换（变换（FFT）

38、算法进行数据算法进行数据处理。处理。 对于对于FFT算法，其舍入误差和系统量化误差经统计分算法，其舍入误差和系统量化误差经统计分析有如下结果析有如下结果 1. FFT系统浮点运算输出的信噪比为系统浮点运算输出的信噪比为2. FFT中系数量化误差对中系数量化误差对FFT输出的统计影响为输出的统计影响为 FFT算法的信噪比随着算法的信噪比随着A/D转换位数的增加而提高，但转换位数的增加而提高，但随着采样点数的增加而降低。随着采样点数的增加而降低。 由此可以得到以下结论，即由此可以得到以下结论，即A/D卡的转换位数选定后，虽卡的转换位数选定后，虽然从理论上说采样频率越高，经波形采集系统采集到的数字然

39、从理论上说采样频率越高，经波形采集系统采集到的数字波形越能真实地反映被测信号波形，但由此造成后级波形越能真实地反映被测信号波形，但由此造成后级FFT数数据处理方法信噪比的降低程度却有可能抵消其作用，并且会据处理方法信噪比的降低程度却有可能抵消其作用，并且会由于一个信号周期内采样点数的成倍上升而增加后级分析、由于一个信号周期内采样点数的成倍上升而增加后级分析、处理数据的时间，从而降低系统运行的速度。处理数据的时间，从而降低系统运行的速度。 从定性的角度来看，对从定性的角度来看，对A/D卡采样频率的选择有一个折衷卡采样频率的选择有一个折衷点，在这个采样频率上能使波形采集系统与后级信号处理系统点，在

40、这个采样频率上能使波形采集系统与后级信号处理系统之间达成最佳的性能组合。之间达成最佳的性能组合。 波形采集系统采样频率对测量精度的影响波形采集系统采样频率对测量精度的影响序序号号采样频率采样频率(kHz)tan 测量值测量值(%)tan 均方误差均方误差 2(e-8)1250.3071.6342250.3171.5563510.3120.3654510.30.66751020.3030.34761020.3090.27272040.290.27782040.2880.28994090.280.268104090.280.380 波形采集系统采样频率对测量精度的影响波形采集系统采样频率对测量精度

41、的影响u 在采样频率小于在采样频率小于100kHz时，随着采样率的提高，时，随着采样率的提高， 的下的下降趋势较为明显；降趋势较为明显；u 当采样频率高于当采样频率高于100kHz时，随着采样率的提高，系统测时，随着采样率的提高，系统测量准确度提高的趋势越来越平缓。这说明片面追求波形采量准确度提高的趋势越来越平缓。这说明片面追求波形采集系统的高采样率在此已意义不大，反而会因一个信号周集系统的高采样率在此已意义不大，反而会因一个信号周期内采样点数的成倍增长而增加后级分析、处理数据的时期内采样点数的成倍增长而增加后级分析、处理数据的时间，从而降低了系统运行的速度。间，从而降低了系统运行的速度。 t

42、an 在线检测中的数字化信号处理方法在线检测中的数字化信号处理方法 由传感器系统检测到的反映被测电容型设备电流的电压由传感器系统检测到的反映被测电容型设备电流的电压ui(t)及基准电压及基准电压u v(t)的信号波形（基准电压波形已进行了的信号波形（基准电压波形已进行了90 移相），两个波形之间的相角差即为设备的介质损耗角移相），两个波形之间的相角差即为设备的介质损耗角 。 tan 算法的基本原理算法的基本原理ui(t)及及uv(t)可由可由Fourier级数表示级数表示为为为为 要得到被测设备的介质损耗角要得到被测设备的介质损耗角 ，进而求得，进而求得tg ，首先必首先必须获得两个信号波形的

43、基波分量，即工频须获得两个信号波形的基波分量，即工频50Hz的信号。的信号。其中其中 1和和 2分别为两信号波形的基波初相角。由此便可以分别为两信号波形的基波初相角。由此便可以得到被测设备的介质损耗角为得到被测设备的介质损耗角为 因此，求解电容型设备介质损耗角因此，求解电容型设备介质损耗角 的关键就在于的关键就在于去除系统谐波干扰的影响，准确地求得去除系统谐波干扰的影响，准确地求得ui(t)及及uv(t)的基的基波分量及其初相角。波分量及其初相角。 在实际的检测系统中，这一过程是通过快速傅立叶在实际的检测系统中，这一过程是通过快速傅立叶变换变换(FFT)实现的。实现的。 1.影响影响tan 在

44、线检测结果的主要因素在线检测结果的主要因素1.传感器自身的角差。传感器自身的角差。2.获得基准电压的电压互感器（获得基准电压的电压互感器（PT）的角差变化。的角差变化。3.现场各种干扰的影响。现场各种干扰的影响。4.环境因素的影响。环境因素的影响。实际测量波形图实际测量波形图tan 的的“综合相对测量法综合相对测量法” 在用电压互感器（在用电压互感器（PT）提取标准电压信号提取标准电压信号uv的检测方的检测方法中，由于法中，由于PT的角差与很多因素有关，因此从的角差与很多因素有关，因此从PT二次侧二次侧获取的电压信号并不能完全真实地反映高压侧电压的相位，获取的电压信号并不能完全真实地反映高压侧

45、电压的相位，这就会导致这就会导致tg 的测量结果通常存在分散性较大、准确性的测量结果通常存在分散性较大、准确性和稳定性较差等问题。和稳定性较差等问题。 由于在线检测实时地对被测设备绝缘参数进行监测，因由于在线检测实时地对被测设备绝缘参数进行监测，因此现场的各种环境因素，如季节、温度、湿度、降雨等将对此现场的各种环境因素，如季节、温度、湿度、降雨等将对测量结果产生很大影响，使同一台正常运行的设备的绝缘参测量结果产生很大影响，使同一台正常运行的设备的绝缘参数在不同环境下的测量值也可能发生较大变化。数在不同环境下的测量值也可能发生较大变化。 由此可见，当环境因素有显著变化时，不能单凭设备绝由此可见，

46、当环境因素有显著变化时，不能单凭设备绝缘参数的增大就认定设备存在缺陷。反之，若全归咎于环境缘参数的增大就认定设备存在缺陷。反之，若全归咎于环境异常恶劣，而忽视绝缘参数等的大幅度变化，也有可能忽略异常恶劣，而忽视绝缘参数等的大幅度变化，也有可能忽略设备已趋于劣化的苗头。设备已趋于劣化的苗头。 所以如何正确对待现场环境因素给在线检测带来的影响所以如何正确对待现场环境因素给在线检测带来的影响是值得注意的问题是值得注意的问题 不以不以PT低压侧电压作为基准电压来测量设备低压侧电压作为基准电压来测量设备 tgtg 的的“绝对值绝对值” 。而是选择在相同相别下运行的多台电容型而是选择在相同相别下运行的多台

47、电容型设备，以它们之间的电流信号互为基准信号进行比较，设备，以它们之间的电流信号互为基准信号进行比较，求出各设备间求出各设备间tgtg 的差值，即的差值，即“相对介质损耗角正切值相对介质损耗角正切值”（ tgtg ）。）。 并根据此多个相对介质损耗角正切值的变化趋势来并根据此多个相对介质损耗角正切值的变化趋势来综合判断设备的绝缘状况，发现设备中存在的缺陷。综合判断设备的绝缘状况，发现设备中存在的缺陷。 “综合相对测量法综合相对测量法”的基本思想的基本思想 将两台电容型设备的电流信号将两台电容型设备的电流信号 Ix1和和Ix2进行相位比较，进行相位比较，便可得到两设备介质损耗角便可得到两设备介质

48、损耗角 之间的差值之间的差值 tg 。 当当 1和和 2很小时，很小时， 当相互比较的两台设备绝缘都良好时，其相对介质损当相互比较的两台设备绝缘都良好时，其相对介质损耗角耗角 tg 一般非常小。一般非常小。 如其中一台设备出现故障缺陷，如其中一台设备出现故障缺陷，其其tg 将明显增大，从而导致两台设将明显增大，从而导致两台设备间的备间的 tg 也将发生明显变化。也将发生明显变化。 若要进一步判断是哪一台设备存在缺陷，则需要在三台若要进一步判断是哪一台设备存在缺陷，则需要在三台以上的同相设备之间进行以上的同相设备之间进行tg 的综合相对测量。在此以三台的综合相对测量。在此以三台同相电容型设备之间

49、的相对测量为例，给出同相电容型设备之间的相对测量为例，给出“综合相对测量综合相对测量法法”相应的故障诊断规则简表相应的故障诊断规则简表 。 从从“综合相对测量法综合相对测量法”结果的变化趋势结果的变化趋势判断设备缺陷判断设备缺陷结结 论论不变不变不变不变不变不变三台设备均无缺陷三台设备均无缺陷变化变化变化变化不变不变设备设备1有缺陷有缺陷变化变化不变不变变化变化设备设备2有缺陷有缺陷不变不变变化变化变化变化设备设备3有缺陷有缺陷变化变化变化变化变化变化至少两台有缺陷至少两台有缺陷 同时还应注意到，当三台设备中如有两台以上存在缺陷时，同时还应注意到，当三台设备中如有两台以上存在缺陷时，三个相对介

50、质损耗角正切值的数值均会变化，此时三个相对介质损耗角正切值的数值均会变化，此时 根据以上根据以上方法，将会判断错误。方法，将会判断错误。 但在同相母线相邻区域内两台设备同时发生故障的几率但在同相母线相邻区域内两台设备同时发生故障的几率是非常小的，如果以年为单位的话，仅为十万分之一。所以基是非常小的，如果以年为单位的话，仅为十万分之一。所以基本可以忽略。本可以忽略。反映相互比较的两台被测设备反映相互比较的两台被测设备电流的实际电压波形电流的实际电压波形“综合相对测量法综合相对测量法”具有以下优点具有以下优点 不需要从不需要从PT二次侧提取基准电压，从而避免了从二次侧提取基准电压，从而避免了从PT

51、引入引入不稳定的角差，消除了影响不稳定的角差，消除了影响 tg 测量准确性及稳定性的一个测量准确性及稳定性的一个主要误差来源，同时简化了测量系统的硬件线路。主要误差来源，同时简化了测量系统的硬件线路。 在测试现场，同相设备的运行状态和工作环境相似，特在测试现场，同相设备的运行状态和工作环境相似，特别是同类型、同相别的设备（如同为套管、同为别是同类型、同相别的设备（如同为套管、同为CT等），等），则受到的干扰情况更为相似。因此将同相设备互为基准，两则受到的干扰情况更为相似。因此将同相设备互为基准，两个被测设备的电流中的随机噪声干扰、测试过程中的系统干个被测设备的电流中的随机噪声干扰、测试过程中的

52、系统干扰及外界环境因素的影响还会有一定的相互抵消作用。扰及外界环境因素的影响还会有一定的相互抵消作用。测量同相设备间的相对介质损耗角正切值，重要的是根据测量同相设备间的相对介质损耗角正切值，重要的是根据其变化趋势及相互间的关系进行故障分析，及时诊断出存在其变化趋势及相互间的关系进行故障分析，及时诊断出存在缺陷的设备，也可避免缺陷的设备，也可避免“绝对测量绝对测量”中存在的结果与停电结中存在的结果与停电结果有时无对应关系，以致无法直接判断设备绝缘状况的问题。果有时无对应关系，以致无法直接判断设备绝缘状况的问题。 昌平昌平500kV三相三相CT(5051)介损变化曲线介损变化曲线 故障实例故障实例

53、tg 趋势分析的季节模型趋势分析的季节模型某台设备的介损长期监测数据某台设备的介损长期监测数据 同温数据对比校正法同温数据对比校正法：如果某日温度与第一年同日的温度差：如果某日温度与第一年同日的温度差超过超过5 C，则就近寻找第一年同期温度相近时的介损值作为则就近寻找第一年同期温度相近时的介损值作为基数进行比较。基数进行比较。同期数据对比校正法同期数据对比校正法 同期数据对比校正法是以第一年的介损同期数据对比校正法是以第一年的介损监测数据为基础，将以后的介损监测值与第一年同日的介损监测数据为基础，将以后的介损监测值与第一年同日的介损值对比，根据介损相对值的变化趋势来判断绝缘状态。值对比，根据介损相对值的变化趋势来判断绝缘状态。 通常一个地区每年的温度变化规律基本一致，所以可以尝通常一个地区每年的温度变化规律基本一致，所以可以尝试用不同年份相同日期的介损比较来反映介损变化的趋势。试用不同年份相同日期的介损比较来反映介损变化的趋势。Thank you