电力设备的在线监测与故障诊断-第3章-电容性设备的在线监测

第三章电容型设备的在线监测电气设备在线监测技术的典型应用电容型设备的在线监测金属氧化物避雷器的在线监测变压器油中溶解气体的监测与诊断技术变压器局部放电的在线监测高电压绝缘预备知识电力设备的构成材料电力设备是电力系统的构成元件

电力设备是机械与电磁相结合的装备电力设备主要由两类不同材料构成：

一类为金属材料，包括铜、铝等导电材料，硅钢片等导磁材料，铸铁、钢板等外壳或结构材料； 另一类为绝缘材料，如绝缘纸(及纸筒、纸板)、层压板(及筒)、塑料薄膜、硅橡胶、电瓷、绝缘油、绝缘气体等。电力设备中绝缘材料或电介质的根本作用，除了在电容器中有储能这一特殊要求外，在其它绝大多数场合中，只是防止电流向不希望的方面流动，以及对不同电位的导体起机械固定或隔离作用上世纪40年代以前，绝缘问题似乎并不占有重要的作用。相对于金属材料，绝缘材料尤其是有机绝缘材料，容易老化变质而使其机电强度显著降低；电力系统中60％以上的停电事故是由电力设备的绝缘缺陷引起的；潜伏性故障－设计、制造过程中存在质量问题，安装运输中出现损坏；运行中故障－由于电、热、机械、化学及其它因素，潜伏性故障发展或出现新的故障；绝缘缺陷的分类：集中性缺陷、分布性缺陷；电力设备的故障国外先进电力企业供电可靠性高，最好水平达到输配电网年平均每户停电次数为0.1次，平均停电时间不超过4分钟，供电可靠率可达99.999%。大城市供电网络敷设地下电缆，电网线损率可降低到4.5%。开关多数实现无油化，基本实现变电站无人值守。由于自动化和信息化技术的应用，使其售电量增长和公司职工人数增长的比例达到很高的水平(一流企业达到100:4)。与这些数据相比较，国家电网公司2002年平均线损率仍为6.91%，10千伏用户供电可靠率为99.906%，最低的省公司10千伏用户供电可靠率只有99.664%。对用户的年平均停电次数为1.96次（不包括瞬时停电）。超高压输电线路稳定极限低，电网有功调峰、无功补偿和电压调整手段欠缺，输送能力不能充分发挥，可靠性差。配电网比较薄弱，线路间联络差，互供能力不足。农村电网薄弱，供电损耗高，可靠性低，无人值班变电所比例小。根据国家电网公司科技发展规划(2003~2005~2010)公布数据（国家电网科[2003]285号）

设计上：研究改善电场分布、降低最大场强；

配件上：对配件(如变压器分接开关、套管等)认真选购及试验；

工艺上：提高油纸绝缘包缠、干燥、浸渍质量；

试验上：严格车间检验、出厂试验、增加局放试验等。

生产过程的措施（制造厂家）投运后的试验和维修策略（运行部门）

加强试验和维修如何减少电力设备的故障、避免和减少损失？电力设备试验的分类按类型分类：型式试验、出厂试验、交接验收试验、预防性试验等；

设计定型－－型式试验－－地点在认证机构制造完出厂前－－出厂试验－－地点在厂家制造商与运行商之间的交接－－交接验收试验－－地点在现场投入运行后的运行中－－预防性试验－－地点在现场按性质和要求分类：绝缘试验、特性试验；绝缘试验的分类：非破坏性试验(试验电压低)、破坏性试验(试验电压高)；电介质电介质电气性能的划分四个电气性能：电介质极化特性、电介质损耗特性、电气传导特性、电气击穿特性

介电特性：

电气传导特性：

如载流子移动、高场强下的电气传导

机理等；主要物理量为绝缘电导和泄漏电流

电气击穿特性：

包括击穿机理、劣化、电压-时间特性曲线（V-t）等；主要物理量为击穿场强

电介质极化机理，主要物理量为介电常数ε电介质损耗机理，主要物理量为介损tgδ介电常数相对介电常数介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与介质中电场的比值即为相对介电常数，又称诱电率，与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。

高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降ε=εr*ε0，ε0为真空绝对介电常数，ε0=8.85*10-12,F/m常用介质相对介电常数空气1.00059非极性变压器油2.2～2.5弱极性蓖麻油4.5极性纯水81强极性聚乙烯2.25～2.35弱极性油浸纸3.3～3.8极性电瓷5.5～6.5离子性云母5～7离子性电介质的分类：根据化学结构分为3类

非极性及弱极性电介质 偶极性电介质 离子性电介质

固体电介质的介电常数

非极性和弱极性固体电介质：此类固体电介质的种类很多，聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等都属此类，这类电介质只有电子式极化和离子式极化，介电常数不大，通常在2.0-2.7范围。介电常数与温度的关系也与单位体积内的分子数与温度的关系相近

偶极性固体电介质：属于此类的固体电介质有树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等。这类电介质的相对介电常数较大，一般为3-6，还可能更大。介电常数和温度及频率的关系和极性液体的相似离子性电介质：如陶瓷，云母等，此类电介质的相对介电常数єr一般在5-8左右

讨论电介质极化的意义：1、选择绝缘：

电容器大电容器单位容量体积和重可减少电缆小可使电缆工作时充电电流减小电机定子线圈槽出口和套管小,可提高沿面放电电压2、多层介质的合理配合：电场分布与成反比组合绝缘采用适当的材料可使电场分布合理3、研究介质损耗的理论依据：介质损耗与极化类型有关，损耗是绝缘劣化和热击穿的主要原因4、绝缘试验的理论依据：在绝缘预防性试验中通过测量吸收电流可以反映夹层极化现象，能够判断绝缘受潮情况。吸收电荷将对人身构成威胁5、研发新型绝缘材料在直流电压的作用下，电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没到达引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导所引起。所以用体积电导和表面电导率两个物理量就已能充分说明问题。（一）电介质损耗的基本概念电介质的损耗在交流电压下，流过电介质的电流包含有功分量和无功分量，即

P=UIcosφ=UIR=UICtgδ=U2ωCptgδ式中ω——电源角频率；

φ——功率因数角；

δ——介质损耗角。介质损耗角δ

为功率因数角φ的余角，其正切tgδ

又可称为介质损耗因数。在下图中画出了此时的电压、电流相量图，可以看出，此时的介质功率损耗UU～IRCPUδφI通常均采用介质损耗角正切tgδ

作为综合反映电介质损耗特性优劣的一个指标，测量和监控各种电力设备绝缘的tgδ

值已成为电力系统中绝缘预防性试验的最重要的项目之一。图中C1

代表介质的无损极化（电子式和离子式极化），C2—R2

代表各种有损极化，而R3则代表电导损耗。有损介质更细致的等值电路如下图所示R3C1R2C2

i=i1+i2+i3i1i2i3uUδφ在这个等值电路上加上支流电压时，电介质中流过的将是电容电流i1、吸收电流i2

和传导电流i3

。三者随时间的变化如上右图。这三个电流分量加在一起，即得出总电流上右图中的总电流i,它表示在直流电压作用下，流过绝缘的总电流随时间而变化的曲线，称为吸收曲线。i1i3i2iI606015I15i

t(s)上述三支路等值电路可进一步简化为电阻、电容的的并联等值电路或串联等值电路。若介质损耗主要由电导所引起，常采用并联等值电路；如果介质损耗主要由极化所引起，则常采用串联等值电路。现分述如下：把电流归并成有功电流和无功电流两部分，即可得如下图所示的并联等值电路，图中CP代表无功电流IC的等值电容、R代表有功电流IR的等值电阻。其中URCP⒈并联等值电路此时电路的功率损耗为

介质损耗角正切tgδ

等于有功电流和无功电流的比值，即UU～IRCPUδφI由右图的相量图可得由于，I=UCSωCS=Ucosδ·ωCS

，所以电路的功率损耗将为

上述有损电介质也可用一只理想的无损耗电容CS和一个电阻r

相串联的等值电路来代替，如右图所示。UCsrUδφI

UrUcs⒉串联等值电路用两种等值电路所得出的tgδ

和P理应相同，所以只要把并联电路与串联电路的损耗公式加以比较，即可得CS≈CP，说明两种等值电路中的电容值几乎相同，可以用同一电容C来表示。另外串联等值电路中的电阻r

要比并联等值电路中的电阻R

小得多。因为介质损耗角δ值一般都很小，cosδ≈1，所以

P≈U2ωCStgδ答：1）直流电压下：

2）工频交流电压下：

3）工频交流下介质损耗并联电路的等值电阻：举例：一台电容器的电容量C＝2000pF，tan

＝0.01，而直流下的绝缘电阻为2000M，试求：(1).直流100kV下的功率损耗；(2).工频(有效值)100kV下的功率损耗，它与直流100kV下损耗的比值；(3).交流下介质损耗的并联等值电路中的等值电阻，它与直流绝缘电阻的比值。电介质的老化绝缘的老化:电气设备的绝缘在长期运行过程中会发生一系列物理变化(如固体介质软化或熔解,低分子化合物及增塑剂的挥发)和化学变化(如氧化,电解,电离,生成新物质),致使其电气,机械及其他性能逐渐劣化.

电气设备的使用寿命一般取决于其绝缘的寿命，而后者与老化过程密切相关.

电击穿绝缘老化的因素

热击穿电化学击穿(局部放电)

其他影响因素

表达介电性能的参数介电系数ε→电容量C电阻率ρ→绝缘电阻Ri介质损耗角正切tanδ→介质损耗P击穿场强Eb

→击穿电压Ub极化、电导、放电、损耗、老化、击穿的关系常用气体、液体、固体介质的耐电强度不同气体的耐电及液化特性常用液、固体介质的tgδ（20℃）变压器油0.0005～0.005油浸纸0.001～0.01油浸pp膜0.0005～0.004聚乙烯0.0001～0.0002电瓷0.01～0.05第三章电容型设备的在线监测第一节概述电容型设备的监测项目电容型设备在线监测的意义电容型设备介质损耗的理论知识第二节介质损耗的监测电桥法相位差法数字分析法第三节测量三相不平衡电流第四节电力电容器在线监测与故障诊断第一节概述

一、电容型设备的监测项目电容型设备包括：高压套管、电容式电流互感器（CT）、电容式电压互感器（CVT）、耦合电容器（OY）、电力电容器等。特点：电容型设备的高压端对地有较大的等值电容。110kV及以上的电容型设备的高压端对地电容约在500～5000pF范围内。电容型设备的主要监测项目介质损耗——tanδ电容值——C电流值——IX电力电容器电容式电压互感器高压套管电容式电流互感器、耦合电容器、CVT、电容式套管这些电容型高压设备主绝缘承受一次高压，将有泄漏电流Ix流过，绝缘电介质在交变电场下会产生电导损耗和极化损耗，它们共同产生电介质损耗。介质损耗因数tanδ对于发现绝缘整体性缺陷非常灵敏，电容型设备在运行过程中如果受潮、劣化或发生某层电容击穿，则设备的主电容量将会发生变化，所以监测电容型设备的电容量，同样也能很有效地发现绝缘缺陷。因此，介质损耗因数tanδ的变化是绝缘劣化的主要标志。第一节概述

二、电容型设备在线监测的意义监测tanδtanδ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。监测tanδ对发现绝缘的整体劣化（例如绝缘均匀受潮）较为灵敏，而对局部缺陷则不太灵敏。监测C、IX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）还能发现严重的局部缺陷（绝缘部分击穿）。图4-1表示在交流电压作用下介质绝缘的特性。流过介质的电流由两部分组成：ICx为电容电流分量，IRx为有功电流分量。通常ICx>>IRx,甚小。介质中的功率损耗

P=UIRx=UICx

tgδ=U2Cx

tg

δ

（3-1）tgδ为介质损失角的正切，一般均比较小。介质绝缘的等值电路和向量图如果绝缘内的缺陷不是分布性而是集中性的，则tg

δ有时反映就不灵敏。被试绝缘的体积越大，或集中性缺陷所占的体积越小，那么集中性缺陷处的介质损耗占被试绝缘全部介质损耗中的比重就越小，而ICx一般几乎是不变的。故由（3-1）式可知，tg

δ增加的也越少，这样，测tg

δ法就越不灵敏。对于象电机、电缆这类电气设备，由于运行中故障多为集中性缺陷发展所致，而且被试绝缘的体积较大，tg

δ法效果就差了。

当被试品绝缘由不同的介质组成时，例如由两种不同的绝缘部分并联组成，则根据被试品总的介质损耗为其两个组成部分介质损耗之和，而且被试品所受电压即为各组成部分所受的电压，由（3-1）式可得

从而由（3-2）式可知，越小，则C2中缺陷（tg

δ

2增大）在测整体的tg

δ时越难发现。图4-2tg

δ

～U关系曲线第二节介质损耗的监测电桥法相位差法数字分析法第二节介质损耗的监测电桥法西林电桥、电流比较仪型、自动电桥优点：比较准确、可靠；与电源波形的频率无关；数据重复性较好。缺点：需改变设备原有运行状态；操作比较复杂；是一种间接测量方法。电桥法很少用于介质损耗的在线监测，常用于介质损耗的离线测量。QS3型高压电桥主要用于测量高压工业绝缘材料的介质损失角的正切值及电容量。其采用了西林电桥的经典线路。电桥由桥体、指另仪、跟踪器组成，本电桥特别适用测量各类绝缘油和绝缘材料的介损(tgδ)及介电常数(ε)。

西林电桥原理接线图Cx一被试品等值电容;Rx一被试品介质损耗等值电阻；Cn一标准电容：R3一无感可调电阻；C4--可调电容；R4一无感固定电阻：T-一电源变压器电桥平衡时：

Cx=CnR4/R3

（1）

tanδx=ωC4R4

（2）在工频试验电压下，式(2)中ω=2πf=lOOπ，取R4为10000/π=3184Ω，则tanδx=C4．即C4的微法值就是tanδx值。电流比较型电桥原理接线图

Cn--标准电容;Cx—被试品的电容：Rx--被试品介质损耗等值电阻；U--试验电压；R—十进可调电阻箱；C—可调电容；Wn和Wx--分别为电流比较型电桥标准臂和被测臂匝数；T--变压器：WD一平衡指示器匝数当电桥平衡时，由安匝平衡原理可得：

Cx=Cn

Wn/Wx

（3）

tanδx=ωRC

（4）相位差法——过零相位比较法监测原理——原理框图

电桥法是一种间接测量方法，而相位差法则是直接测量介质损耗正切值tanδ。监测原理——电流、电压信号的获取电流信号由设备末屏接地线或设备本身接地线的低频电流传感器，经转换为电压信号后输入监测系统。电压信号由同相的电压互感器提供，并经电阻器分压后输出。电流信号经正相整流，电压信号经反向整流，得到下图所示波形。两个信号取“与”运算得到相差，然后第二节介质损耗的监测

误差分析——误差来源频率f的变化当f＝50Hz，计数脉冲频率为4M时，设tanδ≈δ＝1%，则N=（0.5π-0.01）40000/π=19873个计数脉冲增加了40个，使tanδ值偏小0.32%，实测值为0.68%。若f变为49.9Hz，则：相对误差：32%对策？？？误差分析——误差来源电压互感器原副边的固有相差为系统误差，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，而电力系统中常存在高次谐波（尤其三次谐波）将使相差发生偏差，因此必须要有低通滤波单元，滤去高次谐波。一般要求对三次谐波衰减40dB以上。误差分析——误差来源电流、电压两路信号在处理过程中存在时延低通滤波(10us-0.003rad)、放大、整形电路均会带来时延差，因此两路信号的处理电路应选用相同参数，并选用性能优良的器件。过零整形的时延。选择阀值相同的电子器件。整形波形引起的误差(TTL高电平下限2V低电平上限0.8V)。选择性能优良的高速器件。其他因素：温度等。特点优点不更改设备的运行情况。缺点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。相位差法对硬件提出了很高的要求，会使监测系统进一步复杂。因此出现了用软件计算相位差的全数字测量法。第二节介质损耗的监测

二、数字分析法数字分析法:过零点时差比较法：对谐波干扰敏感过零电压差比较法：对抗干扰处理要求很苛刻自由电压矢量法正弦波矢量法谐波分析法异频电源法第二节介质损耗的监测

二、数字分析法——谐波分析法基本原理运用傅立叶变换和三角函数的正交性质直接计算tanδ基本原理满足狄里赫利条件的电力系统运行电压ux与电容型设备泄漏电流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）式中：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………基本原理式（1）、式（2）可变换（和差化积）为：（3）（4）将式（3）两边同乘以cosk

t，取一周期内定积分，可得：（5）基本原理三角函数在一个周期内定积分的正交特性：基本原理根据上述正交特性，式（5）可化简为：所以：同理，式（3）两边同乘以sink

t，并取一周期内定积分，可化简得：（6）（7）对基波，令k=1，并且以式（6）除以式（7），则可得电压基波相角

1：（8）第二节介质损耗的监测

二、数字分析法——谐波分析法基本原理按相同方法，可由式（4）推得电流基波相角

1：（10）（9）对容性试品，电流相角超前于电压90o，所以介质损失角正切：第二节介质损耗的监测

二、数字分析法——谐波分析法特点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。FFT要求一周波采样2n个点，考虑到系统频率的变化，应对电路进行锁相倍频跟踪，以确保频率变化时仍采样2n个点。对硬件电路依赖小，如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。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。第二节介质损耗的监测

二、数字分析法——谐波分析法举例1、工作原理第三节测量三相不平衡电流由三个电容器设备组成Y连接，如果三相电源电压对称，且三个设备的电容量及介质损耗角正切也相等，则中性点处无电流流过。当有一个设备出现故障时，即有三相不平衡电流流过。2、引起不平衡电流的原因第三节测量三相不平衡电流三相设备绝缘的等效导纳的差别而引起的感应电流Ib谐波的影响因此对于完好的设备也可能出现不平衡电流，因此应该尽量使三相系统对称化，并采取滤波措施，保证监测系统较高的灵敏度。3、监测线路取三相电流由R1、R2、R3引出，后流经R0，监测电压U0，实际上可反映的是。改变R1、R2、R3的阻值，抵