电容型设备在线监测与诊断

1、第三章第三章 电容型设备在线监电容型设备在线监测与诊断测与诊断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。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

2、这一共同点，电力电容器、耦合电容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，统称为压互感器等，统称为电容型设备电容型设备。 750kV 电容式电压互感器电容式电压互感器5支撑绝缘均压环中心导体悬浮电位屏蔽接地屏蔽法兰瓷套750kV断路器充断路器充SF6引线套管结构图引线套管结构图6电力电容器电力电容器电容式套管电容式套管高压电流互感器（高压电流互感器（CT）高压电压互感器（高压电压互感器（PT）电容式电压互感器（电容式电压互感器（CVT）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%

3、40%50%50%。 电容型设备在变电站中具有重要地位，它们的绝缘状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。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变电站中的主要电容性设备7结构单元结构单元电容器剖面图电容器剖面图电力电容器结构电力电容器结构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、受潮故障及电容芯子内局部放电故障 SF6气体绝缘CT：电容屏缺陷

4、、蔽罩缺陷、撑件缺陷、异物 电容型设备故障统计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的能量损耗绝缘介质在外部场强的作用下存在能量损耗：绝缘介质在外部场强的作用下存在能量损耗：n电导引起的损耗电导引起的损耗n介质极化引起的损耗介质极化引起的损耗 电介质的能量损耗简称介质损耗，

5、它是影响绝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。缘劣化和热击穿的一个重要因素。11 在直流电场作用下，由于介质没有周期性的在直流电场作用下，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。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。新的物理量加以描述。电介质的损耗电介质的损耗 电流相量图电流相量图绝缘介质工作图绝缘介质工作图13引入引入tan 的原因的原因 使用介质损耗使用介质损耗P

6、表示绝缘介质的品质好坏是不方便表示绝缘介质的品质好坏是不方便的，因为的，因为P值与试验电压、介质尺寸等因素有关，不同值与试验电压、介质尺寸等因素有关，不同设备间难以进行比较。设备间难以进行比较。 所以改用介质损耗角正切所以改用介质损耗角正切 来判断介质的品质。来判断介质的品质。 tg 与与 类似，是仅取决于材料的特性与材料尺寸无类似，是仅取决于材料的特性与材料尺寸无关的物理量。关的物理量。 因为因为tg 为电流阻性分量和容性分量之比，而电流阻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，所以性分量引起介质中能量的损耗，所以tg 值能反映介质损值能反映介质损耗的大小。耗的大小

7、。讨论介质损耗角正切讨论介质损耗角正切tg 的意义的意义n 绝缘结构设计时，必须注意到绝缘材料的绝缘结构设计时，必须注意到绝缘材料的tg 。如。如果果tg 过大会引起严重发热，是绝缘材料迅速老化，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。进而导致热击穿。n 在绝缘预防性试验中，在绝缘预防性试验中， tg 是基本测试项目，当绝是基本测试项目，当绝缘受潮或劣化时，缘受潮或劣化时， tg 将急剧上升。绝缘内部是否存将急剧上升。绝缘内部是否存在可疑的放电现象，也可以通过测量在可疑的放电现象，也可以通过测量 tg - U的关系的关系曲线加以判断（随电压增高，曲线加以判断（随电压增高， tg

8、 应不变，若变化，应不变，若变化，则存在放电现象）。则存在放电现象）。可见可见 tg 既是绝缘劣化的原因，也是绝缘劣化的特征。既是绝缘劣化的原因，也是绝缘劣化的特征。介质损耗角正切介质损耗角正切tg 所能反映的缺陷所能反映的缺陷n 绝缘受潮绝缘受潮。n 绝缘脏污。绝缘脏污。n 绝缘中存在气隙放电。绝缘中存在气隙放电。代表较多气隙开始放电代表较多气隙开始放电时所对应的外加电压。时所对应的外加电压。()从从增长的陡度可反映绝增长的陡度可反映绝缘劣化的程度。缘劣化的程度。 另外，当外施电压超过起另外，当外施电压超过起始放电电压时，将发生局部始放电电压时，将发生局部放电，损耗急剧增加。放电，损耗急剧增

9、加。介质损耗角正切介质损耗角正切tg 的不足的不足 tg 是反应绝缘功率损耗大小的特性参数，与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。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如果绝缘内的缺陷不是分布性的而是集中性的，则的，则tg 反映不灵敏。反映不灵敏。CrIItg IC几乎是不变的。几乎是不变的。tg 取决于缺陷对取决于缺陷对Ir的影响。的影响。 这相当于不同的绝缘部分相并联的情况，总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。绝缘损耗为完好部分与缺陷部分介质损耗之和。XXXCtgCtgC

10、CUtgCUtgCUtgtgCUtgCUtgCUP110021120021120022 这样如果缺陷部分（这样如果缺陷部分（C1）越小，则）越小，则C1CX，所以在测量整体绝缘，所以在测量整体绝缘tg 时越难以发现缺陷部时越难以发现缺陷部分（分（ tg ）的影响。）的影响。发电机发电机电力电缆电力电缆变压器绕组变压器绕组tg 反映不灵敏的设备反映不灵敏的设备反映灵敏的设备反映灵敏的设备套管套管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。批生产的。各类性能应当基本一致。

11、 因此可以利用设备的这一特点，通过检测各相设备间特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。征参量的差异，来监测设备内部缺陷的发展情况。20YUYYUIII)(00CjRCjCjRCjYCCCCjY1100000绝缘特征参量分析绝缘特征参量分析 如取如取x=1/ C，k=C/C0，则，则2222220) 1() 1() 1(1kxkRxkxkRjxRYxkjY 当运行电压恒定的情况下，电流的变化既反映了导纳的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。变化。222000011RxkkkRxYYYYYII 缺陷部分的损耗为缺陷部分的损耗

12、为RxCRtg/1 所以所以220011tgkkktgYYII 由此产生整个试品的介质损耗增量（初始为由此产生整个试品的介质损耗增量（初始为0）22211) 1(tgkkktgkxkRxRtg 缺陷导致的整个试品的电容量增量为缺陷导致的整个试品的电容量增量为2220011tgkkktgYYCCj 当绝缘内部出现缺陷后，这三个参量（当绝缘内部出现缺陷后，这三个参量（， ， ）是可被测量的。但哪一个对缺陷反应更灵敏？是可被测量的。但哪一个对缺陷反应更灵敏？0CC0IItg 可见当缺陷层可见当缺陷层tg 开始开始增大时，测量增大时，测量0IItg 和和更灵敏更灵敏 而当缺陷层而当缺陷层tg 100%

13、时，测量时，测量和和更灵敏更灵敏0II0CC三相电流之和的在线检测三相电流之和的在线检测 上述分析表明上述分析表明 ，与介质损耗因数或电容量变化相比，监，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。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。点有电流流过。UUUYYY影响因素影响因素n 三相电压不平衡。三相电压不平衡。n 各相设备间对地阻抗有差异。

14、各相设备间对地阻抗有差异。一般电容性设备在出厂一般电容性设备在出厂时，允许其电容量存在时，允许其电容量存在10%的误差。所以只有当缺陷使其的误差。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。等值导纳变化很大时，这种方法才是有效的。n 杂散电流干扰。杂散电流干扰。UUUYYYYYYIIddIIIIIk00 为了补偿临近设备造成的感应电流的影响等，提高信噪比，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。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中性点三相不平衡电压法UUUYYYRRRRr RRB和和RC可调可调是补偿用电阻。是补偿用

15、电阻。UUUYYYRRRRr 在三相设备正常情况下，先调节补偿电阻，使三相不平衡在三相设备正常情况下，先调节补偿电阻，使三相不平衡电压电压U0降到零或极小值。降到零或极小值。 当某一相设备出现缺陷时，当某一相设备出现缺陷时， U0将显著增长，其灵敏度比将显著增长，其灵敏度比三相不平衡电流法高得多。三相不平衡电流法高得多。 以以70层电容层相串联的电容套管为例，电容量为层电容层相串联的电容套管为例，电容量为800pF，正常情况下正常情况下tg =0.3%。当某一电容层。当某一电容层tg 增大时。各参量均有增大时。各参量均有增长，但以三相不平衡电压增长最为明显。增长，但以三相不平衡电压增长最为明显

16、。 当当70层中有一层缺陷增大时总体参数的变化。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一般当此三相不平衡电压U0升高到数百微伏时，往往反映升高到数百微伏时，往往反映可能有明显缺陷。可能有明显缺陷。U0与缺陷与缺陷tg 的关系的关系 对比结果表明，当对比结果表明，当一层缺陷进一步恶化时，一层缺陷进一步恶化时，| C/C0|和和| I/I0|的变化都的变化都不超过不超过2%，而三相不，而三相不平衡电压却增大若干倍。平衡电压却增大若干倍。 因此三相不平衡电因此三相不平衡电压对缺陷的反应远比测压对缺陷的反应远比测量电流或电容灵敏。量电流或电容灵敏。影响因素影响因素n 因是三相电流

17、的汇总，所以三次谐波影响严重。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，有时可达目前电网三次谐波分量较大，有时可达I的的15%。如果要求信噪比至少为如果要求信噪比至少为2（SNR2）则则时，才能较准确地测量，这显然是时，才能较准确地测量，这显然是不合要求的。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，抑制比应为比应为300倍倍(50dB) ，才能保证，才能保证 时时, 既可测出。既可测出。hhhIYIYIUYIISNR3133IISNRYYh39 . 015. 032YY003. 0YY影响因素

18、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，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。不堪设想。3.3 介质损耗角正切的监测33电桥法电桥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在线检测在线检测tan 的电桥法的电桥法 在停电试验中用电桥法测量在停电试验中用电桥法测量tg 是一种常用的、是一种常用的、高精度的测量方法。高精度的测量方法。 如果能够在运行状态下进行如果能够在运行状态下进行检测，则有效性更高。检测

19、，则有效性更高。传统电桥法传统电桥法(a) 正接法；正接法； (b)反接法反接法西林电桥测西林电桥测tan的基本线路的基本线路被测量被测量设备设备被测量被测量设备设备标准标准电容电容标准标准电容电容n 电桥工作电压一般为电桥工作电压一般为10kV；n 正接法由于调节部分处于低压臂，操作比较安全；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。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，电桥平衡时无论是正接法还是反接法，电桥平衡时G中的电流中的电流IG = 0，所

20、以所以 IDA = IAC = IX ， IDB = IBC= INUDA = UDB ， UAC = UBC= UX 以反接法为例，以反接法为例，IX Z3= IN Z4IX ZX= IN ZN43ZZZZNX)1(1114444433NNXXXCjZCjRZCjRCjRZRZ34444111)1(RCjRCjRCjRCjXXN43ZZZZNX上式虚实部分别相等，上式虚实部分别相等，NXNXCRCRRRCC443444RCRCtgXX通常取通常取 ，f =50Hz，则有，则有4410R446441010100CCCtg（单位微法）（单位微法） 现场的电场及磁场常会影响电桥的平衡及现场的电场及

21、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：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、反相两可采用改变试验电源极性的做法：如进行正、反相两次测量。次测量。n 近期也有采用近期也有采用45或或55Hz异频电源的方法，这样可避开异频电源的方法，这样可避开50Hz频率的干扰。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。流计移出磁场干扰区，或采用更好的磁屏蔽措施。传统电桥法传统电桥法消除现场干扰的方法消除现场干扰的方法在线检测在线检测tg 电桥法电桥法

22、一般采用正接法，对运行设备进行一般采用正接法，对运行设备进行检测。检测。 CN为高压标准电容，通常存在一为高压标准电容，通常存在一定的损耗定的损耗tg N（已知已知）。当电桥平衡。当电桥平衡时，测量值为时，测量值为tg m，有有NXNXNXmtgtgtgtgtgRCtg1)(44由于由于tg N1, tg X1，故，故NXmtgtgtgNNmXtgRCtgtgtg44在线电桥法的困难在线电桥法的困难n 需要耐压等级比运行电压更高的标准电容器。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，由于设备运行电压很高，在电桥调节过程中，R4上会出现上会出现比较高的电

23、压。比较高的电压。n 电桥难以平衡。电桥难以平衡。n 可能出现流经设备的电流可能出现流经设备的电流IX过大，而使过大，而使R3过热的情况。过热的情况。 为解决现场不愿意在一次侧增加标准电容的情况，可采用为解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电压互感器配以低压标准电容的方式 由于流经由于流经CN桥臂的桥臂的电流很小，宜增大电流很小，宜增大CN,一般为一般为10003000pF。还应考虑电压互感器还应考虑电压互感器引入的角差引入的角差tg c。cNNmXtgtgRCtgtg4 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和电容

24、的西林电桥法沿用了传统停电预试中测量沿用了传统停电预试中测量tg 的高压西林电桥的测量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。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电桥法的无法克服的缺点过零检测法基本原理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流经高压套管末屏的电流i与高压套管电压与高压套管电压U的相位差将小于的相位差将小于/2。若将电压。若将电压U U的相位向前移的

25、相位向前移/2，会与电流，会与电流i i形成一小的相形成一小的相角差（角差（），如图所示。这个相角差（），如图所示。这个相角差（）的正切值（）的正切值（tg）就是绝缘介质的介损。电容量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。 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

26、相位；波形之间的过零点相位；Cx(a)前向通道前向通道传感器传感器信号处理系统uiuvui(b)tan 数据分析系统uvui脉冲测相位差法原理波形图将从传感器获得的两信号将从传感器获得的两信号波形通过过零转换变成幅波形通过过零转换变成幅值相同的两个方波，再将值相同的两个方波，再将ui信号和移相信号和移相90 后的后的uv信信号相与，得到的方波宽度号相与，得到的方波宽度由单片机或计算机内时钟由单片机或计算机内时钟脉冲计数，所得结果便反脉冲计数，所得结果便反映了介质损耗角映了介质损耗角 的大小，的大小，继而可以得到继而可以得到tg 。 硬件法硬件法脉冲测相位差法脉冲测相位差法 电容型设备的介质损耗

27、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置，妨碍了对位置，妨碍了对 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响，往往造成较

28、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，电路经历了由单板机到单片机、再到计算机的发展过程，使使tg 的测量精度逐步提高，但现场干扰对测量精度的影响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定性问题始终是一个亟待解决的难题。及测量稳定性问题始终是一个亟待解决的难题。 用硬件法用硬件法易受外界干扰的影响，从而降低了整个测易受外界干扰的影响，从而降低了整个测试系统的稳定性和测量精度；而要使测量的性能有所提试系统的稳定性和测量精度；而要使测量的性能有所提高，又将增加硬件线路设计的难度和复杂性。鉴于这些高，又将增加硬件线路设计的难度和复杂性。鉴于

29、这些难以避免的缺点，促使难以避免的缺点，促使 tg 在线检测方法的研究逐渐向在线检测方法的研究逐渐向软件化方向发展。软件法的研究主要集中在谐波分析法软件化方向发展。软件法的研究主要集中在谐波分析法上。上。传感器 1传感器 2多通道波形采集装置微机结果RS232uvuiui软件法软件法 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）对被测电压及电流进行分析。傅立叶变换求解电压、电流信号测电压及电流进行分析。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产生的零漂的影响。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

30、用数字化测量方法克服了传统的模拟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，提高了测量精度及测量结测量方法抗干扰能力差的缺点，提高了测量精度及测量结果的稳定性。果的稳定性。tan 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 。0utui(t)

31、uv(t)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u tUUk tiiikmikk( )sin()01utUUk tvvvkmvkk( )sin()01 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。utUtii mi111( )sin()utUtvv mv111( )sin()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

32、损耗角为以得到被测设备的介质损耗角为vi11 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。特点是：计算速度快、计算量小，但实现的。特点是：计算速度快、计算量小，但当系统频率波动时会使得采样频率与信号频率不一致，当系统频率波动时会使得采样频率与信号频率不一致，因而出现频谱泄漏效应和栅栏效应，尤其会影响相位测

33、因而出现频谱泄漏效应和栅栏效应，尤其会影响相位测量，因此必须对算法进行改进，减少频谱泄漏。量，因此必须对算法进行改进，减少频谱泄漏。 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信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，并由此判断设号，才有利于进一步对信号进行分析、处理，并由此判断设备

34、的绝缘状况。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；同时又长期工作在户外，易受各种环境因素的影响。为了准确地又长期工作在户外，易受各种环境因素的影响。为了准确地在电力系统强噪声干扰环境下获取被测信号，用于电容型设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

35、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。i1u1CxN

36、1N2i20内部电路取样出口i1内部电路取样出口0u1Cxi2N2N1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器具有以下特点：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。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

37、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

38、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，降低外界干扰信号对测量结果的影响.传感器系统在测试现场的电磁兼容问题传感器系统在测试现场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

39、操作、雷电流及短路电流等在接地网一次回路中的开关操作、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。灵敏度和可靠性下降。 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

40、感器系统而言，主要采取屏蔽的方法抑制电磁干扰。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

41、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ABCD图 2.10 传感器屏蔽结构示意图x 径向， y 轴

42、向 A 传感器铁芯横截面、 B 电屏蔽层C 磁屏蔽层、 D 屏蔽层之间的绝缘层xy针对电力系统电磁干扰的具体特点（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。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

43、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。电流互感器误差分析电流互感器误差分析电流互感器运行时的示意图：电流互感器运行时的示意图：在原边有电流在原边有电流1 1流入，在铁心激励一交变主磁通流入，在铁心激励一交变主磁通， E E1 1表示主表示主磁通在一次绕组中的感应电势；主磁通同时也与副边绕组匝链，由磁通在一次

44、绕组中的感应电势；主磁通同时也与副边绕组匝链，由于磁通的交变作用，在副边绕组中感应出电势于磁通的交变作用，在副边绕组中感应出电势E E2 2。在图示正方向的情况下，根据电磁感应定律可知：在图示正方向的情况下，根据电磁感应定律可知： tNEdd22 设铁心中的主磁通为：设铁心中的主磁通为：tm cos )2/cos(sin222 tNtNEmm 由此上面两式可见，由此上面两式可见，超前超前E E2 29090度。度。（a）在一次回路中串联）在一次回路中串联R1和电抗和电抗X1来代替在一次绕来代替在一次绕组内部的电阻和漏电抗；同样，在二次回路中串联组内部的电阻和漏电抗；同样，在二次回路中串联R2和

45、电抗和电抗X2来代替在二次绕组内部的电阻和漏电抗，来代替在二次绕组内部的电阻和漏电抗，这样，一次和二次绕组都可以看成是没有电阻和漏这样，一次和二次绕组都可以看成是没有电阻和漏电抗的两个理想线圈，线圈中只有因为主磁通交变电抗的两个理想线圈，线圈中只有因为主磁通交变而感应的电势而感应的电势E1及及E2。（b）将二次侧的电阻和电抗及电势归算到一次侧，）将二次侧的电阻和电抗及电势归算到一次侧，分别得到分别得到R2 ，X2及及E2 。这样，经过归算之后，。这样，经过归算之后，E1E2。既然归算之后一二次侧的感应电势相等，。既然归算之后一二次侧的感应电势相等，故可以把它们之间的等电位点连接起来，这样两个故

46、可以把它们之间的等电位点连接起来，这样两个绕组便合并成一个绕组得到图（绕组便合并成一个绕组得到图（c）（c）显然这个绕组中流过的电流便是）显然这个绕组中流过的电流便是012 ，它用来产生主磁通它用来产生主磁通，以便在这个绕组中产生感应，以便在这个绕组中产生感应电势电势E1E2 。这个绕组的电抗是。这个绕组的电抗是X0，为激磁电抗。，为激磁电抗。考虑到铁耗的影响后，激磁回路中还应串联一个等考虑到铁耗的影响后，激磁回路中还应串联一个等值电阻值电阻R0，于是得到电流互感器的等效电路图。，于是得到电流互感器的等效电路图。因为因为2 2 =(N =(N2 2/N/N1 1) )2 2，因此可以得到：，因

47、此可以得到：1 1N N1 12 2N N2 20 0N N1 1电流互感器误差分析电流互感器误差分析2 I2U 10NI11NI22NIo2 i abcd 2E 由相量图可见：由相量图可见：1N1|od|；I2N2|ob|。所以：。所以：I1N1I2N2 |od|ob|bd|。当。当i i非常小时非常小时：|bd|bc|，则：，则：%100)sin(%100|%100%100)/(11101111112211122 NININIbcNININIIINNIfi)(3440)cos(|sin1110 NINIocacii%100)sin(%100|%100%100)/(1110111111221

48、1122 NININIbcNININIIINNIfi)(3440)cos(|sin1110 NINIocaciin 从上面的（从上面的（a a）（）（b b）两式可以看出，减小）两式可以看出，减小0 0可减小电流误差及角差。影响可减小电流误差及角差。影响I I0 0的因素包括：的因素包括：1 1）磁路铁芯的材料、尺寸；）磁路铁芯的材料、尺寸；2 2）二次负载大小和性质；）二次负载大小和性质；3 3）电网的频率。）电网的频率。 制造制造CTCT，首先采用高磁导率的磁性材料（若磁导率趋于无穷大，则，首先采用高磁导率的磁性材料（若磁导率趋于无穷大，则I I0 0趋趋于无穷小），其次增大磁路面积、缩短

49、磁路长度，并使铁芯工作在磁感应强度于无穷小），其次增大磁路面积、缩短磁路长度，并使铁芯工作在磁感应强度不高的情况下，或采用特殊线路和结构提高准确度。不高的情况下，或采用特殊线路和结构提高准确度。n I I1 1增大，则电流误差和角差均减小。因此，使用增大，则电流误差和角差均减小。因此，使用CTCT时应注意被测电流时应注意被测电流I I1 1接近其接近其额定电流，这时误差较小。额定电流，这时误差较小。n 从等值电路可知：从等值电路可知：I I0 0E E1 1/Z/Zm m；I I1 1I I2 2 E E2 2/(Z/(Z2 2+Z+Z) ) 所以：所以：I I0 0/I/I1 1 0 0/I

50、/I2 2=(Z=(Z2 2+Z+Z)/Z)/Zm m从上式可以看出，二次负载从上式可以看出，二次负载Z Z减小，电流误差及角差均减小。所以，二减小，电流误差及角差均减小。所以，二次所接阻抗应降为最低值，不得超过允许值，否则测量精度会降低。次所接阻抗应降为最低值，不得超过允许值，否则测量精度会降低。（a）（b）电流互感器误差补偿装置：电流互感器误差补偿装置： 假设经过归算后二次绕组的电势为假设经过归算后二次绕组的电势为E E2 2 ，那么根据运放的性质，运，那么根据运放的性质，运放的输出端电压为放的输出端电压为AEAE2 2（A A为运放的开环电压放大倍数，一给定参数），为运放的开环电压放大倍

51、数，一给定参数），运放负向输入端的电压为二次绕组上的电势运放负向输入端的电压为二次绕组上的电势E E2 2 。所以。所以Z Z 上流过的电上流过的电流：流：)1()1() (2222AZEZEAZEAEIZ 因此这时等效的二次负载值为：因此这时等效的二次负载值为：AZ 1由于运放的由于运放的A是一个比较大的值，所以采用了上述的误差补偿装置后是一个比较大的值，所以采用了上述的误差补偿装置后相当于减小了二次负载值，从而减小了电流误差及角差相当于减小了二次负载值，从而减小了电流误差及角差 由于现场环境恶劣、干扰严重，采用传感器提取微弱信号由于现场环境恶劣、干扰严重，采用传感器提取微弱信号仍相当困难，

52、目前国外的一些公司（如美国的仍相当困难，目前国外的一些公司（如美国的AVO AVO 公司、德国公司、德国的的LDIC LDIC 公司）在被测设备的地线或末屏直接串入监测电容，利公司）在被测设备的地线或末屏直接串入监测电容，利用监测电容电压与用监测电容电压与TV TV 电压之间的相位关系求取被测设备的电压之间的相位关系求取被测设备的tantan。电容具有电压不突变的特性，通过选择合适的电容，可。电容具有电压不突变的特性，通过选择合适的电容，可使输出电压保持在使输出电压保持在303040 V 40 V 之间，这样可降低外界干扰的影响之间，这样可降低外界干扰的影响和减少模拟信号传输的衰减，测量结果具

53、有较高的稳定性。之和减少模拟信号传输的衰减，测量结果具有较高的稳定性。之所以采用串入电容而非串入电阻，是因为串入电阻造成的误差所以采用串入电容而非串入电阻，是因为串入电阻造成的误差要比串入电容所造成的误差大，而且电容故障多为击穿，而电要比串入电容所造成的误差大，而且电容故障多为击穿，而电阻故障一般为烧断，会造成末屏开路。阻故障一般为烧断，会造成末屏开路。 缺点：采用直接耦合的方法会影响一次设备的接缺点：采用直接耦合的方法会影响一次设备的接线结构，为防止末屏开路、测量回路过电压，必须设线结构，为防止末屏开路、测量回路过电压，必须设计合理的保护电路以保证测量回路的安全性。计合理的保护电路以保证测量

54、回路的安全性。电流信号提取的另外一种思路电流信号提取的另外一种思路数字采集系统最佳工作点数字采集系统最佳工作点 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tg 测量的精度测量的精度要求达到要求达到 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转换的分辨率转换的分辨率为为 2.44mV，最大量化误差，最大量化误差即为即为 1.22mV，最大相角误，最大相角误差约为差约为0.0244%，只占系统，只占系统介质损耗

55、测量精度要求的五介质损耗测量精度要求的五分之一，所以精度满足测量分之一，所以精度满足测量系统要求。系统要求。0FS0001111LSBMSB模拟输入模拟输入数字输出数字输出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，当采样频率大于或）采样定理，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一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。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

56、频率为信号中最高频率的高频率的710倍。倍。 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，SST 83110501261.% 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

57、在卡转换速率应在100kHz以上。以上。影响影响tan 在线检测结果的主要因素在线检测结果的主要因素电流、电压传感器自身的角差。电流、电压传感器自身的角差。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。现场各种干扰的影响。现场各种干扰的影响。环境因素的影响。环境因素的影响。0utui(t)uv(t)tan 的的“综合相对测量法综合相对测量法” PT角差、环境因素、相间干扰和系统频率变化是造成角差、环境因素、相间干扰和系统频率变化是造成测量结果不稳定的主要原因。变电站中常用测量结果不稳定的主要原因。变电站中常用0.5级的级的PT，其角差范围为其角差范围为20

58、之间，约为之间，约为5.810-3rad，足以淹没，足以淹没介损值（一般在介损值（一般在0.0010.02）。正是由于由于）。正是由于由于PT的角差与的角差与很多因素有关，因此从很多因素有关，因此从PT二次侧获取的电压信号并不能完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，这就会导致全真实地反映高压侧电压的相位，这就会导致tg 的测量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。结果通常存在分散性较大、准确性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

59、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，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

60、以如何正确对待现场环境因素给在线检测带来的影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响是值得注意的问题 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”（ ）。）。 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