容性设备在线监测方法综述
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（ 2） 西林电桥法： 对西林电桥法进行改进，进行数 字化处理，同时在系统中用微处理器进行控制，提高了 测量的性能。
优点： 在前端信号滤波效果很好的情况下，可以达 到较高的精度和分辨率。
缺点： 硬件处理环节过多，对硬件要求太高，在测 量过程中受电磁干扰、谐波干扰等十分明显，会造成较 大的误差和分散性［15］。
当电容式电压互感器忽略其电磁单元的影响，可 以近似把它等效看成一个电容器，其等效电路图应与 支柱绝缘子相似，但其各部分对地电容和对导线电容 及其参数变化会有不同。
3 介质损耗因数在线监测方法
常见的测量介损方法主要通过硬件和软件两种途 径实现［12］。 3. 1 硬件方法
也称为直接测量法，主要有过零比较法和基于电 桥平衡原理的介损测量方法等。过零比较法和西林电 桥法是最早应用在介损测量中的，在前端信号滤波效 果很好的情况下，可以达到较高的精度和分辨率。
电力系统中用电压互感器将高电压的信息传递到 低电压二次侧的计量、测量仪表及继电保护、自动装置 的一种特殊变压器，是一次系统和二次系统的联络元 件。
电压互感器按照其绝缘介质分类可分： （ 1） 干式电压互感器，由普通绝缘材料浸渍绝缘 漆作绝缘，多用在 500V 及以下低电压。 （ 2） 浇注绝缘电压互感器，由环氧树脂或其他树
（ 1） 正弦波参数法： 该算法用基波去逼近信号，将 基波幅值看成变量，基波频率看成常量，高次谐波看成 干扰，根据最小二乘法或三角函数的正交性来获得介 质损耗角［17］。
优点： 该方法原理简单、实现容易、计算量小。 缺点： 需要获得基波信号的频率，另外，正弦波参 数法应用了三角函数正交性，但正交性仅在和满足整 数倍时才成立。因此，应用正弦波参数法时，需要相应 的硬件同步采样卡。 （ 2） 高阶正弦拟合法： 非同步采样条件下测量介 损的算法，考虑到实测数据可能包含直流和谐波分量， 所以它以直流分量幅值、基波频率、基波和谐波分量的 幅值和初相角为优化对象，用高阶正弦模型来拟合 i、 u 的采样数据［18］。 优点： 在一定程度上解决了非同步采样的问题。 缺点： 采用最小二乘拟合法在多数情况下并不能 获得问题的全局最优解，同时，高阶正弦拟合法实际上 是一种迭代的数值计算方法，即使进行简化该算法的 计算量仍然很大，只适用于在工控机上完成计算，而无 法用于单片机或微处理器系统［19］。 （ 3） 相关系数法： 相关函数法利用自相关函数和 互相关函数经过一定的算式计算介质损耗角。 优点： 相关函数法只要求整周期采样，未具体要求 采样点数。可以简化硬件设计，并且可以较好地解决 FFT 在非整周期采样时的频谱泄漏问题。 缺点： 对前置的带通滤波器有较高的要求，在非整 周期采样时容易产生较大误差［20］。 （ 4） 谐波加窗改进法： 介质损耗值计算中的谐波 分析，通常都是通过快速傅立叶变换实现的。然而，在 数据采集时，即使采样频率满足奈奎斯特定理，但如果 不是同步采样，就将带来泄漏效应及栅栏效应，为了减
户内绝缘子按照结构可分为外胶装、内胶装和联 合胶装三种，其中较为常见和使用的是内胶装和联合 胶装。
支柱绝缘子的等值电路（ 如图 3 所示） 。
图 3 支柱绝缘子等效电路图
其中，绝缘子本身电容为 C，对地电容 Ce，对导线 电容为 Cl ，在实际中 Ce 和 Cl 两种杂散电容同时存在， 其中 Ce 的影响比 Cl 要大，所以绝缘子串靠近导线的 绝缘子的电压降最大，当靠近地面时，Cl 作用显著，电 压降又有所升高。 2. 3 电压互感器
denser performance is with direct relation to normal operation of electric networks． Several structure characteristics and equivalent circuit diagrams of high voltage capacitance-type devices in the electric power systems are presented． The paper makes a special effort to analyze the on-line monitoring methods the dielectric loss of the capacitive device and its principle，makes a detail comparison among the methods． Other methods of present on-line monitoring are summarized． The sampling positions of the capacitive device on-line signals are simply presented．
支柱绝缘子是支承高压配电装置母线和高压电器 带电部分（ 如触头） 的绝缘支柱，它由瓷柱和上、下金 属附件通过水泥胶装而成。目前我国生产的支柱绝缘 子绝缘 件 一 般 均 为 瓷 件。胶 合 剂 一 般 是 由 不 低 于 4 2. 5号的硅酸盐水泥和瓷沙配制的［7］。此外，还有采
图 2 套管等效电路图
中 套管，如 SF6 套管
油纸套管
主绝缘为油浸纸
胶纸套管 电容式
胶浸纸套管 套管
聚合物复合套管
主绝缘为胶粘纸 主绝缘为胶浸纸
34kV 及以上系统
主绝 缘 为 胶 浸 聚 合 物 膜，且具有聚合物外套
套管由于表面有电位降，可以想象沿着此表面有 单元电容 Cs 的串联。同时这个单元电容层对套管导 体还存在有互相并联的单元体积电容 CV，因为这里同 样存在有一个电压降，其他电容相对较小，因此有等效 电路（ 如图 2 所示） 。 2. 2 支柱绝缘子
《电气开关》（2011． No． 3）
15
脂混合材料浇注成型，多用在 35kV 及以下电压等级。 （ 3） 油浸式电压互感器，由绝缘纸和绝缘油作为
绝缘，是我国最常见的结构形式，常用于 220kV 及以 下电压等级。
（ 4） 气体绝缘电压互感器，由 SF6 气体作主绝缘， 多用在较高电压等级［9］。
图 1 穿墙套管
电场十分集中，极易从此处开始电晕及滑闪放电。同 时，法兰 和 导 杆 间 的 电 场 也 很 强，绝 缘 介 质 易 被 击 穿［4］。
高压套管按其主绝缘结构分类如表 1 所示。
表 1 高压套管按主绝缘分类
类别
名称
特点
应用范围
瓷、玻璃或类似无 主绝缘由单一固 体 材
单一材 机材料套管
在线监测能利用运行电压对高压设备绝缘状况进
行试验，可以大大提高试验的真实性与灵敏度，弥补仅 靠定期离线检测的不足之处。随着电子测试技术的进 步以及管理水平的提高，对于电力设备的健康状况的 判断和维护，已经从预防性检修逐步向状态检修和预 知检修的方向发展。在众多的电气设备中，对于容性 设备（ 如电压互感器、变压器套管、耦合电容器等） ，其 绝缘状况的监测主要基于对其电容量、介质损 耗 值 （ tgδ） 的监测［3］和绝缘电阻。
用硫化石墨胶合剂胶装的。金属附件一般由铸铁制 成，表面刷上防锈漆或热镀锌。
按外形结构和工作条件的不同，分为户外、户内两 大类。户外支柱绝缘子采用带伞的实心圆瓷柱来增加 电极间沿瓷表面的泄露距离，以提高湿闪络电压。而 户内支柱绝缘子则不需考虑湿闪的问题，多采用空心 或实心的圆柱形瓷件和金属附件组成［8］。
2 电容型设备的结构特点及等效电路
2. 1 套管 套管是将载流导体引入变压器或断路器等电气设
备的金属箱内或母线穿过墙壁时的引线绝缘。瓷套管 以瓷作为主要绝缘，电容套管、充油套管则以瓷套作为 外绝缘（ 如图 1 所示） 。
套 管表面电压分布很不均匀，在 中 间 法 兰边缘处
14
《电气开关》（2011． No． 3）
绍了电力系统中常见的几种高压电容型设备的结构特点及其等效电路图。着重分析了当前容性设备介损在线监
测的各种方法及其原理，将各种方法做了详细的比较。总结了当前在线监测中存在的几种其他方法，并对于容性
设备在线信号的取样位置做了简单介绍。
关键词：在线监测； 容性设备； 介质损耗
中图分类号：TM93
文献标识码：B
16
《电气开关》（2011． No． 3）
பைடு நூலகம்
料构 成。此 固 体 材 料 一 般 用 于 35kV
料套管
和导体间有时还有气 及以下系统
浇注或模塑树脂 体间隙
套管
液体绝缘套管
主绝缘是绝缘液体，如 一 般 用 于 35kV
有绝缘套管
及以下系统
流体绝
缘套管 气体绝缘套管
主绝 缘 由 等 于 或 高 于 110kV 及 以 上
大气压 （ 与周围空气 不同 ） 的 气 体 构 成 的 SF6 断路器或 GIS
《电气开关》（2011． No． 3）
13
文章编号：1004 － 289X（2011）03 － 0013 － 05
容性设备在线监测方法综述
梁静，申文栋 （ 山西省电力公司晋城供电分公司，山西 晋城 048000）
摘 要：在电力系统中，电容型设备在整个系统的 40% ～ 50% 左右，电容器性能直接关系到电网的正常运行。介
电压互感器按照电压变换原理可分为电磁式电压 互感器和电容式电压互感器，当系统中电压等级达到 或超过 330kV 时，电磁式电压互感器由于绝缘结构制 约、制造成本大大提高，因此在以上电压等级几乎全部 采用电容式电压互感器。它不仅有体积小、重量轻、绝 缘结构合理的优点，还可以兼做电力线路高压载波耦 合电容器来使用。而在 35kV、66kV、110kV 电压等级， 它虽然价格优势不大，但是具有不与线路谐振的优点， 因此也得到使用。但它在准确度和稳定性方面较传统 的电磁式还有一些不足［10，11］。
Key words： on-line monitoring； capacitive device； dielectric loss
1 引言
电容型电气设备主要指电流传感器、套管、耦合电 容、电容 式 电 压 互 感 器 等［1］。在 电 力 系 统 中 应 用 广 泛，主要起功率补偿、整流滤波和过电压保护等作用， 电容器性能的好坏直接关系到电网的正常运行。由于 高压电气设备损坏事故中大部分是绝缘损坏引起的， 因此及时有效地发现绝缘存在缺陷对于保障电网安全 具有重要意义。为了确保电力系统电气设备的安全运 行，根据过去长期的运行经验及试验研究，逐步确立了 一些预防性试验项目，这些预防性试验项目已经发挥 过不少积极作用，但是规程要求定期对电气设备停电 进行绝缘预防性试验和检修，具有一定的盲目性，造成 人力、物力的大量消费，而且还不能及时发现电气设备 的绝缘潜伏性故障［2］。
（ 1） 过零比较法： 根据电压、电流信号过零点的时 间差或电压、电流归一化后过零点附近两信号幅值差 获得信号的相角差［13］。
优点： 原理简单、易于实现、测量分辨率高、线性度 好。
缺点： 对过零点的要求极高，易受硬件的影响，比 较器的零点漂移会造成过零点不准，从而带来测量误 差，硬件通道延时等对测量精确度的影响也较大。另 外，采用高速计数器计数会增加装置的复杂［14］。
受基于信号处理的思想的影响，目前可行的方法 多为软件方法。软件方法一方面可以减少硬件线路设 计的难度和复杂性； 另一方面则能利用算法固有的精 确性来提高计算结果的精度。 3. 2 软件方法
也称为信号重建法，主要以谐波分析法为代表，它 根据 i、u 的采样数据重建正弦信号，再由波形参数求 得 φ，如正弦波参数法、高阶正弦拟合法和相关系数 法，谐波加窗改进法等［16］。
Summary of Capacitive Equipment On-line Monitoring Method
LIANG Jing，SHEN Wen-dong （ Jincheng Power Supply Branch Company，Jincheng 048000，China）
Abstract： In electric power systems，capacitance type devices occupy 40 ～ 50 percent in the whole system． The con-
优点： 在前端信号滤波效果很好的情况下，可以达 到较高的精度和分辨率。
缺点： 硬件处理环节过多，对硬件要求太高，在测 量过程中受电磁干扰、谐波干扰等十分明显，会造成较 大的误差和分散性［15］。
当电容式电压互感器忽略其电磁单元的影响，可 以近似把它等效看成一个电容器，其等效电路图应与 支柱绝缘子相似，但其各部分对地电容和对导线电容 及其参数变化会有不同。
3 介质损耗因数在线监测方法
常见的测量介损方法主要通过硬件和软件两种途 径实现［12］。 3. 1 硬件方法
也称为直接测量法，主要有过零比较法和基于电 桥平衡原理的介损测量方法等。过零比较法和西林电 桥法是最早应用在介损测量中的，在前端信号滤波效 果很好的情况下，可以达到较高的精度和分辨率。
电力系统中用电压互感器将高电压的信息传递到 低电压二次侧的计量、测量仪表及继电保护、自动装置 的一种特殊变压器，是一次系统和二次系统的联络元 件。
电压互感器按照其绝缘介质分类可分： （ 1） 干式电压互感器，由普通绝缘材料浸渍绝缘 漆作绝缘，多用在 500V 及以下低电压。 （ 2） 浇注绝缘电压互感器，由环氧树脂或其他树
（ 1） 正弦波参数法： 该算法用基波去逼近信号，将 基波幅值看成变量，基波频率看成常量，高次谐波看成 干扰，根据最小二乘法或三角函数的正交性来获得介 质损耗角［17］。
优点： 该方法原理简单、实现容易、计算量小。 缺点： 需要获得基波信号的频率，另外，正弦波参 数法应用了三角函数正交性，但正交性仅在和满足整 数倍时才成立。因此，应用正弦波参数法时，需要相应 的硬件同步采样卡。 （ 2） 高阶正弦拟合法： 非同步采样条件下测量介 损的算法，考虑到实测数据可能包含直流和谐波分量， 所以它以直流分量幅值、基波频率、基波和谐波分量的 幅值和初相角为优化对象，用高阶正弦模型来拟合 i、 u 的采样数据［18］。 优点： 在一定程度上解决了非同步采样的问题。 缺点： 采用最小二乘拟合法在多数情况下并不能 获得问题的全局最优解，同时，高阶正弦拟合法实际上 是一种迭代的数值计算方法，即使进行简化该算法的 计算量仍然很大，只适用于在工控机上完成计算，而无 法用于单片机或微处理器系统［19］。 （ 3） 相关系数法： 相关函数法利用自相关函数和 互相关函数经过一定的算式计算介质损耗角。 优点： 相关函数法只要求整周期采样，未具体要求 采样点数。可以简化硬件设计，并且可以较好地解决 FFT 在非整周期采样时的频谱泄漏问题。 缺点： 对前置的带通滤波器有较高的要求，在非整 周期采样时容易产生较大误差［20］。 （ 4） 谐波加窗改进法： 介质损耗值计算中的谐波 分析，通常都是通过快速傅立叶变换实现的。然而，在 数据采集时，即使采样频率满足奈奎斯特定理，但如果 不是同步采样，就将带来泄漏效应及栅栏效应，为了减
户内绝缘子按照结构可分为外胶装、内胶装和联 合胶装三种，其中较为常见和使用的是内胶装和联合 胶装。
支柱绝缘子的等值电路（ 如图 3 所示） 。
图 3 支柱绝缘子等效电路图
其中，绝缘子本身电容为 C，对地电容 Ce，对导线 电容为 Cl ，在实际中 Ce 和 Cl 两种杂散电容同时存在， 其中 Ce 的影响比 Cl 要大，所以绝缘子串靠近导线的 绝缘子的电压降最大，当靠近地面时，Cl 作用显著，电 压降又有所升高。 2. 3 电压互感器
denser performance is with direct relation to normal operation of electric networks． Several structure characteristics and equivalent circuit diagrams of high voltage capacitance-type devices in the electric power systems are presented． The paper makes a special effort to analyze the on-line monitoring methods the dielectric loss of the capacitive device and its principle，makes a detail comparison among the methods． Other methods of present on-line monitoring are summarized． The sampling positions of the capacitive device on-line signals are simply presented．
支柱绝缘子是支承高压配电装置母线和高压电器 带电部分（ 如触头） 的绝缘支柱，它由瓷柱和上、下金 属附件通过水泥胶装而成。目前我国生产的支柱绝缘 子绝缘 件 一 般 均 为 瓷 件。胶 合 剂 一 般 是 由 不 低 于 4 2. 5号的硅酸盐水泥和瓷沙配制的［7］。此外，还有采
图 2 套管等效电路图
中 套管，如 SF6 套管
油纸套管
主绝缘为油浸纸
胶纸套管 电容式
胶浸纸套管 套管
聚合物复合套管
主绝缘为胶粘纸 主绝缘为胶浸纸
34kV 及以上系统
主绝 缘 为 胶 浸 聚 合 物 膜，且具有聚合物外套
套管由于表面有电位降，可以想象沿着此表面有 单元电容 Cs 的串联。同时这个单元电容层对套管导 体还存在有互相并联的单元体积电容 CV，因为这里同 样存在有一个电压降，其他电容相对较小，因此有等效 电路（ 如图 2 所示） 。 2. 2 支柱绝缘子
《电气开关》（2011． No． 3）
15
脂混合材料浇注成型，多用在 35kV 及以下电压等级。 （ 3） 油浸式电压互感器，由绝缘纸和绝缘油作为
绝缘，是我国最常见的结构形式，常用于 220kV 及以 下电压等级。
（ 4） 气体绝缘电压互感器，由 SF6 气体作主绝缘， 多用在较高电压等级［9］。
图 1 穿墙套管
电场十分集中，极易从此处开始电晕及滑闪放电。同 时，法兰 和 导 杆 间 的 电 场 也 很 强，绝 缘 介 质 易 被 击 穿［4］。
高压套管按其主绝缘结构分类如表 1 所示。
表 1 高压套管按主绝缘分类
类别
名称
特点
应用范围
瓷、玻璃或类似无 主绝缘由单一固 体 材
单一材 机材料套管
在线监测能利用运行电压对高压设备绝缘状况进
行试验，可以大大提高试验的真实性与灵敏度，弥补仅 靠定期离线检测的不足之处。随着电子测试技术的进 步以及管理水平的提高，对于电力设备的健康状况的 判断和维护，已经从预防性检修逐步向状态检修和预 知检修的方向发展。在众多的电气设备中，对于容性 设备（ 如电压互感器、变压器套管、耦合电容器等） ，其 绝缘状况的监测主要基于对其电容量、介质损 耗 值 （ tgδ） 的监测［3］和绝缘电阻。
用硫化石墨胶合剂胶装的。金属附件一般由铸铁制 成，表面刷上防锈漆或热镀锌。
按外形结构和工作条件的不同，分为户外、户内两 大类。户外支柱绝缘子采用带伞的实心圆瓷柱来增加 电极间沿瓷表面的泄露距离，以提高湿闪络电压。而 户内支柱绝缘子则不需考虑湿闪的问题，多采用空心 或实心的圆柱形瓷件和金属附件组成［8］。
2 电容型设备的结构特点及等效电路
2. 1 套管 套管是将载流导体引入变压器或断路器等电气设
备的金属箱内或母线穿过墙壁时的引线绝缘。瓷套管 以瓷作为主要绝缘，电容套管、充油套管则以瓷套作为 外绝缘（ 如图 1 所示） 。
套 管表面电压分布很不均匀，在 中 间 法 兰边缘处
14
《电气开关》（2011． No． 3）
绍了电力系统中常见的几种高压电容型设备的结构特点及其等效电路图。着重分析了当前容性设备介损在线监
测的各种方法及其原理，将各种方法做了详细的比较。总结了当前在线监测中存在的几种其他方法，并对于容性
设备在线信号的取样位置做了简单介绍。
关键词：在线监测； 容性设备； 介质损耗
中图分类号：TM93
文献标识码：B
16
《电气开关》（2011． No． 3）
பைடு நூலகம்
料构 成。此 固 体 材 料 一 般 用 于 35kV
料套管
和导体间有时还有气 及以下系统
浇注或模塑树脂 体间隙
套管
液体绝缘套管
主绝缘是绝缘液体，如 一 般 用 于 35kV
有绝缘套管
及以下系统
流体绝
缘套管 气体绝缘套管
主绝 缘 由 等 于 或 高 于 110kV 及 以 上
大气压 （ 与周围空气 不同 ） 的 气 体 构 成 的 SF6 断路器或 GIS
《电气开关》（2011． No． 3）
13
文章编号：1004 － 289X（2011）03 － 0013 － 05
容性设备在线监测方法综述
梁静，申文栋 （ 山西省电力公司晋城供电分公司，山西 晋城 048000）
摘 要：在电力系统中，电容型设备在整个系统的 40% ～ 50% 左右，电容器性能直接关系到电网的正常运行。介
电压互感器按照电压变换原理可分为电磁式电压 互感器和电容式电压互感器，当系统中电压等级达到 或超过 330kV 时，电磁式电压互感器由于绝缘结构制 约、制造成本大大提高，因此在以上电压等级几乎全部 采用电容式电压互感器。它不仅有体积小、重量轻、绝 缘结构合理的优点，还可以兼做电力线路高压载波耦 合电容器来使用。而在 35kV、66kV、110kV 电压等级， 它虽然价格优势不大，但是具有不与线路谐振的优点， 因此也得到使用。但它在准确度和稳定性方面较传统 的电磁式还有一些不足［10，11］。
Key words： on-line monitoring； capacitive device； dielectric loss
1 引言
电容型电气设备主要指电流传感器、套管、耦合电 容、电容 式 电 压 互 感 器 等［1］。在 电 力 系 统 中 应 用 广 泛，主要起功率补偿、整流滤波和过电压保护等作用， 电容器性能的好坏直接关系到电网的正常运行。由于 高压电气设备损坏事故中大部分是绝缘损坏引起的， 因此及时有效地发现绝缘存在缺陷对于保障电网安全 具有重要意义。为了确保电力系统电气设备的安全运 行，根据过去长期的运行经验及试验研究，逐步确立了 一些预防性试验项目，这些预防性试验项目已经发挥 过不少积极作用，但是规程要求定期对电气设备停电 进行绝缘预防性试验和检修，具有一定的盲目性，造成 人力、物力的大量消费，而且还不能及时发现电气设备 的绝缘潜伏性故障［2］。
（ 1） 过零比较法： 根据电压、电流信号过零点的时 间差或电压、电流归一化后过零点附近两信号幅值差 获得信号的相角差［13］。
优点： 原理简单、易于实现、测量分辨率高、线性度 好。
缺点： 对过零点的要求极高，易受硬件的影响，比 较器的零点漂移会造成过零点不准，从而带来测量误 差，硬件通道延时等对测量精确度的影响也较大。另 外，采用高速计数器计数会增加装置的复杂［14］。
受基于信号处理的思想的影响，目前可行的方法 多为软件方法。软件方法一方面可以减少硬件线路设 计的难度和复杂性； 另一方面则能利用算法固有的精 确性来提高计算结果的精度。 3. 2 软件方法
也称为信号重建法，主要以谐波分析法为代表，它 根据 i、u 的采样数据重建正弦信号，再由波形参数求 得 φ，如正弦波参数法、高阶正弦拟合法和相关系数 法，谐波加窗改进法等［16］。
Summary of Capacitive Equipment On-line Monitoring Method
LIANG Jing，SHEN Wen-dong （ Jincheng Power Supply Branch Company，Jincheng 048000，China）
Abstract： In electric power systems，capacitance type devices occupy 40 ～ 50 percent in the whole system． The con-