容性设备在线监测方法综述
容性负载电力设备的在线监测
上世纪40年代以前，绝缘问题似乎并不占有重要的作用，但之后—?
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3
电力设备的故障
机械应力
环境因素
电应力
辐射
电气设备
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。
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21
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。
状态维修（以运行状态决定维修周期，正在逐步开展） （以在线监测为基础，科学、可靠、经济、可预见）
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10
事故维修、定期维修、状态维修三种策略
这几种维修方法并不互相排斥，但在不同阶段、不 同要求的情况下，共存的形式有差别。
维修的目的在于获取各种信息，基于此得到设备状 况的结论；
迄今为止，尚不能完全建立测量数据与设备状况之 间的直接关系：
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17
电介质的宏观平均电场和有效电场
电介质中某一点的宏观电场强度E：指极板上的自 由电荷以及电介质中所有极化分子形成的偶极距， 共同在该点产生的电场。
电介质中任一点的电场强度，等于极板上自由电荷
面密度在该点产生的场强/0与束缚电荷面密度’ 在该点产生的场强E -’/0之 和' ，即
tg Ir I/CS
CSr
φ
I
δ
Cs
电容性设备在线监测探讨
电容性设备在线监测探讨【摘要】电容性设备占电站设备台数的40～50%.它们在变电站中具有极其重要的地位，在电力系统中容性设备绝缘状态的好坏直接关系到整个变电站能否安全运行。
本文提出了在线监测的2种测量方式：（1）绝对测量法，（2）比较法测量。
并探讨了电容性设备在线监测的实现方式。
最后进行了总结展望。
【关键词】电容性设备；在线监测；介质损耗；比较法测量1.电容性设备在线检测意义在变电站中，高压电容型电气设备是指其绝缘结构可看成一组申电容的设备.包括高压电容式套管、电容式电流互感器（CT）、电容式电压互感器（CVT）及耦台电容器等，其数量约占电站设备台数的40～50%.它们在变电站中具有极其重要的地位，在电力系统中容性设备绝缘状态的好坏直接关系到整个变电站能否安全运行。
因此，对其状态的监测就具有极大的意义。
与常规的绝缘预防性试验相比，在运行条件下设备本身绝缘特性和“冷态”有一定的差别。
所以，带电测试更能反映设备绝缘的真实状况。
此外，高压电气设备绝缘带电试验与常规停电试验相比也具有较大的优越性：无需停电，测试灵活、方便；基于设备的运行状态，诊断绝缘缺陷的灵敏度高；试验周期可以依据设备绝缘状况灵活安排，便于及时发现设备的绝缘隐患，了解绝缘缺陷的变化趋势等；并且常规停电预试会使电力部门的正常运转受到影响，造成很大的经济损失及人力、物力上不必要的浪费。
因此，电力设备绝缘带电试验技术的开发和应用，近年来逐渐得到重视。
而随着绝缘带电测试技术的逐步发展和完善，部分设备已经具备以带电测试取代传统停电预防性试验的可能性，在新近出版的中国南方电网有限责任公司企业标准《电力设备预防性试验规程》中，也特别强调了带电测试的重要性，并就带电测试代替停电预防性试验作出了具体规定。
电容型设备绝缘带电（在线）检测技术的开发和应用，对提高电力设备的运行维护水平，及时发现隐患，减少设备事故起了积极的作用。
2.电容性设备在线检测方法由于电容型设备是通过电容分布强制均压的，其绝缘利用系数较高，一旦绝缘受潮往往会引起绝缘介质损耗增加，导致击穿。
浅谈电容型设备tanδ在线监测技术
按最保守的１％估算，损失电量就是３００亿ｋＷｈ，销售电价按０．４元／ｌ（Ｗｈ计算，直接损失是１２０亿
元，按我国权威部门指出的直接损失、间接损失和社会损失ｌ：４：６的比例来计算，间接损失是 ４８０亿元，社会损失是７２０亿元，由此可见在线监测技术的重大社会经济效益和开发在线监测技术 的迫切性。 电气设备绝缘状态的在线监测技术可以实现对设备绝缘状态进行自动化的、连续的或定时的绝 缘特性检测和监督，可以发现电气设备在运行状态下的绝缘缺陷，以便确定该设备是否需要试验检 修，因此，绝缘状态的在线监测能有效地提高系统的可靠性，为国家、为社会提供一个坚强、安 全、稳定、可靠的电力网络，减少因停电检修而造成的重大经济损失，所以，在我国电力系统中进 行绝缘状态在线监测系统的推广应用是十分必要的。
及电源输入接口均来用光电隔离或电磁隔离，相当于使电源线及通讯线处于悬浮状态，而被测信号 又通过穿心式电流传感器进行隔离．叫此可保证各个本地单几的电气接地完全独立．相互之Ｍ没肯
电气联系，这样既解提了抗丁扰、抗冲出等山面的问题，又不会政变被测电气设备原有的接地方 式，使运行安全性得到保证．每个删量单元均可在楚行现场直接接地。 监测系统采用这种分布式结构蛆后．由ｒ各个涮昔十元同时进行测量，即存同时刻完成对变 电站内所有被测电。℃设备的测量，有利于排除外界因素，娈化对测量结果所造成的影响．这是目为变
２００９年全国输变电设备状态检修技术交流研讨会论文集
变电设备状态检修技术与应用
ｔａｎｆｉ对绝缘油和绝缘纸中含有的水分十分敏感，ｔａｎｆｉ在线监测可以灵敏反应和发现电力设备的早期 缺陷，可以克服和补充仅依靠流过设备的电流和设备电容量等参数的不足和缺陷，增加在线判断和 分析电力设备绝缘状况的参数与依据。 ｔａｎｆｉ在线监测的结果可以用来分析电力设备绝缘状况的历史发展趋势，通过ｔａｒｉｆｆ检测结果发现 趋势分析及与相同类的不同产品的ｔａｎ６检测结果的比较，可以分析比较得出电力设备绝缘变化情况 判断及寿命预测，做到对电力设备绝缘情况的状态监测与分析，ｔａｎｆｉ在线监测还将大大提高绝缘在 线监测系统的实用性，是电力设备更加安全稳定地运行。 通过测量介质损耗和电容量，可较为灵敏地发现电容型设备的绝缘缺陷，故现行的预防性试验 也把该参数作为主要测量对象。如果利用在线监测手段，在设备的运行过程中实时监测这两个数 据，不但可以及时发现运行设备的绝缘缺陷，还可达到延长甚至代替常规预防性试验的目的。 电容性电气设备绝缘状态进行在线监测或带电测试技术已有２０多年的历史，其间也曾遇到过 许多困难与挫折，但随着技术上的不断提高、认识上的不断深化，目前已逐步走向成熟，而且部分 产品的实用性和有效性均已得到证明和许可。
090721容性设备在线监测技术说明
容性设备绝缘在线监测系统技术规范批准: 审核: 校核: 编写：目录1.0工程慨况 (1)1.1初步设计依据 (1)1.2工程主要设计内容 (1)1.3适用和参照的规程 (1)2.0 取样电路的设计 (2)2.1 末屏接地的安全设计 (2)2.2 有源传感器设计原则 (3)2 .3 监测点统计 (3)2.4 PT参考取样设计 (3)3.0 信号处理系统设计 (3)3.1信号处理板的设计 (3)3.2系统结构的设计 (4)4.0 控制柜的布置 (5)5.0主控制屏的设计 (5)5.1 现场MIS调度系统设计 (5)5.2数据发布系统设计 (6)5.3测量 (6)5.4设备的电磁兼容 (6)6.0接地 (7)7.0电缆及电缆敷设 (7)8.0土建 (7)1.0 工程慨况对×××变电站在线运行的容性设备进行在线监测项目的安装和调试工作，监测对象共3个点，包括3个容性设备监测点。
1.1 初步设计依据1．2008年10月与×××公司讨论的在线监测可研报告。
2．2008年12月由×××公司工程专员到变电站进行实地勘察后出具的现场考察报告。
1.2 工程主要设计内容1.根据可研结果对预期采用的在线监测系统进行深入设计，其中电气部分包括：· 电流传感器和信号处理集控柜在现场安装的布置位置· 后台机放置位置，及接线布置· 现场PT参考信号的取样与输送方式· 末屏接地线的接线方式和抗干扰处理· 现场运行硬件设备的温度和湿度控制· 现场运行硬件设备的可靠设计· 现场光缆总线网络的组织结构与调度模式· 数据的收集处理和发布设计2.工程投资概算3.相关的土建部分1.3 适用和参照的规程提供的设备和配套件要符合以下标准但不局限于以下标准：GB/T 14598.9-1998 辐射电磁场干扰GB/T 14598.10-1996 快速瞬变干扰GB/T 14598.13-1998 脉冲群干扰GB/T 14598.14-1998 抗静电干扰GB 12801-1991 生产过程安全卫生要求总则DL 5053-1996 火力发电厂劳动安全和工业卫生设计规程DL 5000-2000 火力发电厂设计技术规程国电公司电力安全工作规程DL/T 596-1996 电力设备预防性试验规程Q/CSG 10007-2004 电力设备预防性试验规程GB50150-1991 电气装置安装工程电气设备交接试验标准GB/T 311-2002 高压输变电设备的绝缘配合2.0 取样电路的设计针对不同监测点的电流配套相应的电流传感器，保证在整个测量范围内保持高的线性度和稳定性。
新型容性设备状态在线监测方法研究
新型容性设备状态在线监测方法研究发布时间：2022-03-23T05:07:15.718Z 来源：《中国电业》2021年25期作者：张承周王植何文志[导读] 在容性设备状态监测中，若采用基于绝对测量法或者传统相对测量法，在测量结果上都会出现一定的误差，甚至出现错误结果。
张承周王植何文志广东电网有限责任公司东莞供电局，广东东莞，523000摘要：在容性设备状态监测中，若采用基于绝对测量法或者传统相对测量法，在测量结果上都会出现一定的误差，甚至出现错误结果。
因此本文提出一种基于多基准源的新型容性设备介损状态测试方法，该方法摆脱了单一基准源的局限，分别以多个设备为基准，实时监测设备间相对介损的变化，动态分析选取自身介损变化最小的设备作为基准，从而得到各设备介损最精确值。
关键字：容性设备介损状态测试方法；多基准源；相对介损；动态分析引言电容型设备（以下简称容性设备），其数量在变电站电气设备中占比较大，约占设备台数的40%左右[1]，一旦发生绝缘故障，将严重影响变电站的安全运行。
判断电气设备绝缘状况的一种直观有效方法是测量介损，介损角正切值tan δ反映了设备绝缘功率损耗大小[2]，表征容性设备的绝缘状态优劣。
目前容性设备介损值测量装置一般采用绝对测量法或相对测量法。
绝对测量法是采用绝对参考电压和被测设备电流的测试方法，有其固有的弊端，如电压互感器（PT）角差的影响[3-6]，使介损值的测量精度降低；同时，测试环境的变化如温度、电压、负荷、湿度、运行方式等外部环境波动，也会影响测试结果[7-8]。
基于相对测量法的介损测量仪主要采用单个基准源进行相对介损变化测量，可避免绝对测量法所带来的缺点，相关研究表明，采用相对测量法优于绝对测量法。
但是当基准参考设备自身介损变化时，将大大影响最终测量结果的精度为此，本文提出一种采用动态多个基准源数据分析的测试方法，可以避免采用单一固定基准源所带来的弊端。
1 新型介损测试状态监测方法采用多基准源的新型测试方法，依次以各个设备为基准，得到不同基准下各设备的测量值，进一步分析和处理这个值，可以判断各设备介损变化量的相对大小。
电容型设备的在线监测
常用介电特性参数：介质损耗角正切，电容值和电流值
常用介电特性参数：介质损耗角正切，电容值和电流值
发现绝缘整体劣化 较为灵敏
给出极化过程介 质结构变化信息
根据介质损耗角正切随电压而变化的曲线可判断绝缘是否受潮， 含有气泡及老化的程度
1表示绝缘良好 2表示绝缘中存在气隙 3表示受潮绝缘
绝缘受潮, 油或浸渍物脏污或劣化变质, 绝缘中有气隙发生放电 等。这些都会使流过绝缘的电流中有功电流分量增大, 从而导致 tan 值增大
C X C0U 0 / 0
二、相位差法 1、硬件实现：系统先通过采样电路捕捉电流和电压信号，进入 相位鉴别单元，求出电流电压相位差，进而得出损耗角正切 2、软件实现：过零时差比较法 系统先通过采样电路捕捉电流和电压信号的过零点，然后通过 一系列的逻辑转换电路形成一定宽度的方波信号，方波的宽度 反映了电流和电压信号的相位差。
（1）电压电流两路信号采集的同时性
（2）保证在一个周期内均匀采集到整数个点数，以防止出现 频谱泄漏，而导致采样误差
5.3 测量三相不平衡电流
可通过监测三相的三个同类型设备的电流之和来发现某相设 备的绝缘缺陷 认为三相设备绝缘同时劣化的概率小，因此某相设备绝缘劣 化，流经三相的电流将不平衡，则三相电流之和将相应会改 变。
监测其变化就可以发 现故障
一、三相不平衡的原因 1、因三相设备绝缘的等效导纳的差别和电源电压不对称而引 起的
I y YA U A YB U B YC U C I u U 0 (YA YB YC )
2、感应电流 各相设备对母线、相邻电器及配电装置其他元件间导纳差异 所引起的
用软件剔除，可引入校正系数
容性设备在线监测课件
根据不同场景的需求，定制化的 解决方案，满足各种复杂场景的 监测需求。
05
容性设备在线监测的挑 战与解决方案
数据处理与干扰消除
总结词
在容性设备在线监测中，数据处理和干扰消除是关键的挑战。
详细描述
由于监测系统通常会接收到大量数据，因此需要有效地处理这些数据，以提取有 用的信息。此外，由于电力系统的运行环境复杂多变，各种干扰可能会对监测系 统造成影响，因此需要进行干扰消除以获得准确的结果。
02
预测性维护
通过在线监测技术对容性设备的运行状态进行实时监控，能够实现预测
性维护，提前发现设备故障隐患，减少设备损坏和维修成本。
03
优化运行管理
在线监测技术将帮助电力企业实现对容性设备的优化运行管理，通过对
数据的分析和挖掘，制定更加科学合理的运行方案，提高设备运行效率
和安全性。
THANKS
感谢观看
背景：随着电力系统规模的不断扩大和运行复杂性的增加， 容性设备的故障对电力系统稳定性和可靠性的影响日益突出 。因此，开展容性设备在线监测对于保障电力系统安全运行 具有重要意义。
监测的重要性
实时监测容性设备的运行状态， 及时发现并处理故障，有助于降 低设备故障率，提高设备使用寿
命。
在线监测能够为电力系统的稳定 运行提供重要数据支持，为运维
在线监测技术的应用领域将进一步 扩大，不仅局限于电力行业，还将 拓展到石油、化工、钢铁等领域， 实现多元化应用。源自人工智能与大数据的应用前景
深度学习
人工智能将应用于在线监测数据的处理中，通过深度学习 算法对大量数据进行学习，提取出更准确的特征和规律， 提高监测准确度。
数据挖掘
大数据技术将应用于在线监测数据的挖掘中，通过对大量 数据的分析和挖掘，提取出有价值的信息，为决策提供支 持。
容性设备在线监测
容性设备在线监测系统一系统发展背景电力系统中，高压容性设备是指某些绝缘结构可视为一组串联电容的设备，数量在变电站中占较大比重，且具有重要的地位，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，因而对其绝缘状态进行监测具有重点的意义。
容性设备的绝缘劣化、缺陷的发展大多数都有一定的发展期。
在这期间，绝缘会发出绝缘状态变化的各种物理化学信息，借助实时的在线监测系统，就能及早发现这种缺陷，及时发出警报，从而为管理人员决策提供有力的依据。
容性设备的绝缘在线监测技术对电力工业的发展具有重大意义，归纳起来主要有：1.能够及时反映电力系统主设备绝缘状态，从而及时发现缺陷，提高整个系统供电的可靠性。
2.减少主设备停电的盲目性，降低了供电成本，提高电力系统经济效益。
3.在线监测装置安装固定在被试设备上，避免了大量停电操作和高空拆装引线、临时布置试验场地等带来的不安全因素，增加了人身安全性。
二系统概述容性设备在线监测系统可监测35kV － 1000kV电压等级的电力变压器套管、电抗器套管、电流互感器、电压互感器、耦合电容器等高压电气设备的绝缘状况和故障诊断。
容性设备绝缘在线监测的在线监测及分析系统，系统主要包括线监测装置（由传感器和嵌入式监测主机组成）、通信总线、系统网关服务器及后台分析和诊断软件。
容性设备在线监测系统采用分层分布式结构,综合运用先进的零磁通无源传感器技术、同步采样技术、程控放大技术、数字信号处理技术等,实现了信号采集的就地数字化和智能化,并由现场总线将实时数据送入容性设备在线监测系统后台数据库中保存。
通过网络通信还可以把容性设备在线监测系统的监测数据汇集到上层的数据管理和专家诊断系统,实现对变电站内容性设备绝缘状态的在线监测和诊断。
三系统功能特点1.实时监测2.数据图表生成3.故障设备跟踪4.数据处理分析5.WEB查询6.远程维护7.故障设备跟踪报警及事故记录采用最新的超微晶材料、双层电磁屏蔽、单匝穿心结构的高精度无源传感器与电力设备一次系统完全隔离，不影响系统运行接线方式，绝对保证系统设备及运行的安全。
容性设备在线监测
户外环境，运行电压较高，易受到温度、湿度、外绝缘污秽的影响，造 成表面泄露，使损耗增大，造成在线监测数据不稳定。
? 5.其它运行项的电场及磁场耦合干扰
变电站内的运行电气设备除了要承受工作电压的作用，还会受相邻的其 它电气设备产生的电场影响，会影响传感器的灵敏度与可靠性。
? 6.其它实际操作中的因素
采用软件法计算出信号基波的真实频率，
利用真实频率确定最佳采样频率和采样点数；
再利用傅里叶分解求取tan??。
参考文献[1] ：邹艳平. 电气设备介质损耗在线测量的谐波分析法研究
黑龙江电力,2008,01:13-15.
13
? 3.相关函数法的改进
相关函数法的基本原理：假设电压、电流经过滤波后的角频率均为
容性设备在线监测有效 性分析及算法改进
主要内容
2
? 一、容性设备在线监测的概述 ? 二、信号采集影响因素的分析 ? 三、信号分析方法的改进 ? 四、实例分析
一、容性设备在线监测的概述
3
? 1. 容性设备
容性设备是重要的容性设备要的输变电设备，占变电站总设备的 40%~ 50%，主要包括：
电流互感器
23
22
? 3.图1（a）、（b）、（c）中，对于1号A相套管，当电压较高时，介损较 低，而当电压较低时，介损则较高；2号波动较小，也无明显与电压曲线 的关联性，验证了上面的分析。
? 现场实际情况：
1号变是在1986年投运的，2号变是在1997年投运的，两台主变套管的运 行时间差异大，制造工艺有区别，1号变由于运行时间长，绝缘老化、受 损的程度应大于2号变。
灰色系统理论，是对系统变化发展态势的定量描述和比较的方法，利用 已知信息去揭示未知信息，即系统的“ 白化”问题。变化发展态势的比较，
电容型设备绝缘在线监测与诊断技术综述
摘要：传统的定期检修已不能满足高压输变电设备安全运行的要求，以状态检修代替定期检修已成为电力系统设备检修的必然趋势。
实时的绝缘监测及诊断技术是状态维修的基础。
电容型设备在变电站中具有重要地位，因而对其绝缘状况进行在线监测具有重要意义。
本文介绍了电容型设备在线监测的具体内容（如在线监测信号的提取和介损数字化测量等），电容型设备在线监测和诊断技术的研究现状与应用状况，并就其存在的问题和对今后的技术发展提出了建议。
关键词：变电站；电容型设备；在线监测；诊断技术1 引言高压输变电设备的安全运行是影响电力系统安全、稳定和经济运行的重要因素，高压设备发生绝缘事故，不仅会造成设备本身损坏，而且还会造成多方面的损失。
据文献[1]统计，“八五”期间，我国主要电网中由设备故障而直接影响系统安全运行的电网事故约占事故总量的26.3%。
电压等级越来越高、设备容量越来越大，使得每次检修的时间较长，不仅检修费用高，而且也影响供电的可靠性。
在电力市场环境下，用户对供电可靠性要求将越来越高，而由设备故障或检修所造成的停电损失有时是相当可观的。
因此既要提高设备的运行可靠性，又要确保较高的供电可靠率，这就对电力设备的维护提出了更高的要求。
传统的定期检修存在试验周期长、强度大和有效性差等缺点[2]，难以满足电力系统对可靠性的要求，以状态检修[3,4]逐步代替定期检修已成为电力系统设备检修的必然趋势。
实现状态检修的前提条件是实现在线监测，只有通过各种手段及时、准确地掌握运行设备的绝缘状况，才能根据设备自身特点及变化趋势等来确定检修时间和检修策略。
电容型设备是重要的输变电设备，它主要包括电流互感器（TA）、套管、耦合电容器（OY）、和电容式电压互感器（CTV）等，这些设备约占变电站设备总量的40%~50%，在变电站中具有举足轻重地位。
这些设备的绝缘故障不仅影响整个变电站的安全运行，同时还危及其它设备和人身的安全，因而对其绝缘状况进行在线监测具有重要意义。
容性设备在线监测方法综述
容性设备绝缘在线监测方案探讨
容性设备绝缘在线监测方案探讨摘要：高压容性设备是指某些绝缘结构可视为一组串联电容的设备，数量在变电站中占较大比重，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，因而对容性等设备绝缘状态进行监测也具有重要的意义。
本文基于高压容性设备的绝缘在线监测方案进行了分析探讨。
关键词：容性设备；在线监测技术；方案1容性设备在线监测技术背景高压容性设备是指某些绝缘结构可视为一组串联电容的设备，数量在变电站中占较大比重，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，因而对容性等设备绝缘状态进行监测也具有重要的意义。
图1-1容性设备绝缘结构示意图针对容性设备的绝缘在线监测，目前还没有成熟的方案、没有进行组网监测，大多还停留在试验阶段，还未产业化应用。
因干扰和测量误差，无法满足相位的高精度测量要求。
如膜纸复合绝缘电容器（OWF）在10 k V电压环境下，其介质损耗因数不大于0.2%,油纸绝缘电容介质损耗<0.5%，相位角本身已很小，在现场环境下在线监测易受干扰而无法取得较高的测量精度。
影响测量精度的因素比较多, 现场相间电耦合电容电流的干扰、系统电压的高次谐波对测量的影响，高压下绝缘层表面污秽和温度、湿度等环境条件的影响，已经严重影响到在线监测的有效性，其中最主要的误差来源是电流取样方式和从ＰＴ取到的参考电压相移影响，再加上通过互感器耦合到二次检测回路的信号已极其微弱，使得测量结果产生误差、偏移或不稳定。
2容性在线技术特点由于容性高压设备的在线监测，多是在监测漏电流的基础上展开，因此立项研发容性在线监测两个独立项目时，着重攻克是微弱电流的检测和相位角的计算，前端技术重点在系统的采集节点，既要解决实时同步采集、又要保证系统的电气完全隔离，保障系统的可靠性，方案设计考虑了这些要点，在此基础上研发完成了容性设备在线监测系统。
微弱漏电流的监测——研究提供的零磁通穿芯漏电流传感器是专门为高压电气设备绝缘在线监测特制的一种小电流传感器，选用起始导磁率高损耗小的新型铁合金材料做铁芯，并采用一次穿心方式安装不对一次设备的泄流产生影响，互感器采用一体式金属屏蔽外壳，提高了信号测量的抗扰能力，使系统软件和现场监测器数据完全同步，真正实现在线监测所有功能。
第3章 电容性设备的在线监测
第二节介损的监测 二、相位差法－过零电压比较法
3、特点
优点: 计算简单 缺点: 是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。
第二节介损的监测 三、数字（谐波）分析法
1、基本原理
Cx U
CT
Ix
放大
滤波 工业 控制 计算机
2 T U km cos k u x sin kt dt T 0
（7）
u
0
T
x
cost dt / u x sin Байду номын сангаасt dt
0
T
（8）
第二节介损的监测 三、数字（谐波）分析法
1、基本原理
按相同方法，可由式（4）推得电流基波相角1：
tan 1
凹形谐振腔法
测量线法
相位差法
数字分析法
第二节介损的监测 一、电桥法
第二节介损的监测 二、相位差法－过零电压比较法
1、基本原理
3600 T 20m s
0
3600 T 20m s
0
3600 90 90 T 20m s
第二节介损的监测 二、相位差法－过零电压比较法
i
0
T
x
cost dt / i x sin t dt
0
T
（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：
tan tg90 (1 1 )
（10）
第二节介损的监测 三、数字（谐波）分析法
2、特点
对硬件电路依赖小，如直流分量、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。 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。 谐波分析法的主要特点是基于傅里叶变换，进行分析，可运 用 FFT运算求出电压、电流各次谐波的相角，取基波的相角 差用于计算tan，可使结果不受高次谐波的影响。 傅里叶变换要求一周波采样2n个点，考虑到系统频率的变化， 应对该电路进行锁相倍频跟踪，以确保频率变化时仍采样2n 个点。
容性设备绝缘在线监测及分析系统
BushingGard容性设备绝缘在线监测及分析系统1、概述容性设备(套管、CT、高压PT/CT等，以下用套管代表)绝缘十分重要，它决定了套管的技术经济性能和运行可靠性。
套管的绝缘在运行中受到电、热和机械应力以及环境应力的作用，其性能会逐渐下降，或者说，绝缘状态会劣化，最终丧失绝缘的功能，这称为绝缘的老化。
高达35－40％的变压器故障与套管的缺陷相关，绝大多数是套管的绝缘。
绝缘的老化是一个渐变的过程，如果不及时发现，就可能导致套管发生故障，甚至引发突发性的电力事故，造成巨大的直接和间接经济损失。
为了了解套管的绝缘状态，避免或减少因绝缘故障引起损坏和非计划停电，进行绝缘监测和诊断是十分必要的。
BushingGard容性设备绝缘在线监测及分析系统是美国伊顿电气公司生产的、用于监视套管等容性高压电气设备的绝缘监测系统，它能提高电力系统运行的可靠性。
BushingGard系统连续的从套管采样，把采样值送到装置内具有高可靠性的故障判别专家系统内。
诊断系统根据采样值显示装置的在线分析，根据这种分析，监控人员将会得出更换设备的最佳时间，系统的这种分析能力既能降低设备的更换费用，又能降低设备报废的危险，因此具有很高的经济性和安全性。
BushingGard监测及分析系统的主要功能包括：在线、实时、连续监测套管的平均泄漏电流——零序电流在线、实时、连续监测套管的介质损耗角及趋势变化在线、实时、连续监测套管的电容及趋势变化数据显示功能绝缘故障诊断分析2、系统组成伊顿电气BushingGard是专用于容性设备绝缘在线监测的在线监测及分析系统，系统主要包括TBS－2传感器、嵌入式监测主机和后台分析和诊断软件。
整个系统采用分层分布式结构，共分三层：设备及传感器层、监测预警设备层和分析诊断层。
套管电容和功率因数的改变预示着绝缘降低。
BushingGard通过三相套管电流的求和和平衡监测这些改变。
它会生成一套复杂的计算数据（Gamma）。
10、第十课-电容性设备在线监测
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。
UA UB UC
RA 、 RB和RC可调 是补偿用电阻。
YA YB
YC
RA RB RC
R
U0
r
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U0降到零或极小值。
当某一相设备出现缺陷时， U0将显著增长，其灵敏度比 三相不平衡电流法高得多。
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。
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 新的物理量加以描述。
回路电流 I=Ir+IC
视在功率 介质损耗
S= P + jQ = U Ir+ jUIC
P= Q tg = U2 C tg
如果要求信噪比至少为2（SNR>2） 则 Y 2 3 0.15 0.9 时，才能较准确地测量，这显然是 不合Y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 比应为300倍(50dB) ，才能保证 Y 0.003 时, 既可测出。
Y
影响因素
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 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。
tg
k
1
k 1 tg2
k
缺陷导致的整个试品的电容量增量为
C C0
Y j Y0
tg2
k
1
k
1
2
k
tg 2
C I
当绝缘内部出现缺陷后，这三个参量（ C0 ，I0 ，tg ）
是可被测量的。但哪一个对缺陷反应更灵敏？
容性设备在线监测关键技术研究
容性设备在线监测关键技术研究摘要：本文从信号获取和信号处理两方面着手，研究了提高容性设备在线监测精度和可靠性的两种关键技术。
设计了一种小电流有效的高精度电流传感器以减小获取信号误差，此外还设计了一种传感器多层屏蔽结构，能有效屏蔽电磁场干扰，能在较强的电磁干扰环境中提取出被测电流信号。
最后利用“混合基”FFT算法提高信号处理精度。
关键词：容性设备；电流传感器；混合基FFT。
0 引言电力系统中有大量的容性设备，如电流互感器、电压互感器、高压套管等，它们的绝缘性能将直接额影响电网的安全、稳定运行。
在线监测技术能够及时发现事故隐患，是提高供电可靠性的主要技术手段之一[1]。
介质损耗角正切值(tanδ)和等值电容是反映设备绝缘性能的重要参数，目前比较常用的检测tanδ的方法是采用传感器分别高压设备的交流泄漏电流信号和比较稳定的标准电压信号，然后通过比较计算这两个信号的相位关系从而得到tanδ。
但是目前高压设备的泄漏电流数量级一般都在几μA到几十μA，而目前市场上用来获取电流信号的小电流传感器准确度通常为几十μA，其精确度已经不能满足在线监测的要求。
所以本文基于单芯穿电流互感器的工作原理开发了一套分辨率小于1μA的小电流传感器系统，由于测试现场电磁干扰较强，又设计了一种传感器多层屏蔽结构，能有效屏蔽电磁场干扰，使电流传感器系统能在较强的电磁干扰环境中提取出被测电流信号。
针对外界噪声和环境因素对电气量采样的干扰，本文运用FFT算法从电网谐波干扰中提取被测工频信号，结合工频信号的频率特征，在tan δ在线监测的数据分析中采用“混合基”FFT算法，可以避免数据处理时出现频谱泄漏现象。
1小电流传感器系统研制根据传感器应用在XLPE电缆的特殊要求，传感器设计的目标为：可测量电流下限小于1μA，电流分辨率小于1μA，线性度在0.99以上；在传感器测量范围内，角误差满足小于1‰rad。
为了尽量减小信号传输过程中干扰因素对微弱信号的影响，传感器采用有源形式，即在耦合到泄漏电流后直接调理到适当幅值的大信号，然后进行传输。
容性设备在线监测方法综述
容性设备在线监测方法综述本文介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，介绍了多种方法的优缺点。
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。
标签：在线监测容性设备介质损耗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。
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。
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，因而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CT、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[1]和绝缘电阻。
一、电容型设备的结构特点及等效电路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）。
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，其它电容相对较小，因此有等效电路图如下。
2.支柱绝缘子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，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。
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容性设备在线监测方法综述本文介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，介绍了多种方法的优缺点。
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。
标签：在线监测容性设备介质损耗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。
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。
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，因而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CT、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[1]和绝缘电阻。
一、电容型设备的结构特点及等效电路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）。
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，其它电容相对较小，因此有等效电路图如下。
2.支柱绝缘子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，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多采用空心或实心的圆柱形瓷件和金属附件组成。
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。
3.电压互感器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，几乎全部采用电容式电压互感器。
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。
二、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。
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。
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[2]。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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[3]。
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。
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。
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，为了减少谐波间的相互干扰，从而进一步提高了计算精度，引入谐波加窗。
Blackman-Harris窗作为一种余弦窗，在频域的卷积运算简单易行，因而有利于插值公式的推导和改进[4]。
优点：算法通过加Blackman-Harris 窗在很大程度上抵消了非同步采样导致的频谱泄露和栅栏效应，抗谐波干扰，即使在非同步采样下该方法计算所得的介损仍具有很高的精确度。
缺点：如果电网频率不是采样频率的整数倍，计算出的介损值仍会有较大的误差。
三、其他在线监测方法1.泄露电流和电容量的测量泄露电流一般也会用来作为在线监测电容型设备，它可以发现一些尚未完全贯通的集中性缺陷。
电容量的测量是根据泄漏电流和采集的母线电压换算得到的。
国内泄漏电流和电容量在线监测装置数据准确、稳定，可以满足现场需要。
文献[5]介绍了根据三相容性设备泄漏电流和的变化量来判别设备的绝缘状态的基本原理和方法：对称三相系统电压对称平衡，且同组设备的参数完全一致时，其泄漏电流之和为零。
而一般三相设备的参数不可能完全一致，故三相泄漏电流和总是存在的。
可以认为设备泄漏电流的变化主要是由其电容的变化决定的，因此它也可作为一种在线监测的方法。
这一方法，其测量结果易受多方面因素的干扰，如：三相电压波动或不平衡、系统频率及三相测量电路漂移、信号中的谐波成分等等。
2.局部放电的在线监测目前已较多的采用电气法和超声法相结合，并乐于用多探头同时进行检测，以提高在线监测的准确性，而且还有可能对设备内部的局部放电进行大致定位。
但是干扰问题仍比较严重。
除此之外，还有油中气体含量的监测，基于红外技术的在线监测等方法。
文献[6]指出，基于介损的在线监测几乎是判断容性试品故障的最有效的依据，而其他诸如局放，超声测量法，油中溶解气等方法并不能保证单一的有效判断出容性试品的故障，但是在一定的故障情况下，可以作为判断的一个辅助依据。
四、电容性设备在线监测的信号取样位置系统的泄漏电流取样由电容、套管或支柱绝缘子等容性设备的接地线上的小电流传感器取得，采集设备末屏的电流信号非常微弱，一般为mA级。
而电压采样信号分别由三相电压互感器的二次侧提取。
信号取得（如图4）。
五、电容性设备的常见故障套管：套管的表面电压分布很不均匀，在中间法兰边缘处十分密集，如果恰逢末屏接触不良则很易从此开始电晕及滑闪放电。
另外，由于高压套管的制造工艺的原因，以及设备老化等的影响，在运行中可能发生套管内部电容屏发生击穿从而产生贯穿性的导电通道，从而使套管出现裂纹，严重时还可能出现套管爆炸的恶性事故。
支柱绝缘子：高压支柱绝缘子大多安装在户外，经受着日晒、雨淋、气候变化及化学物质的腐蚀。
因此，正常运行时，很容易发生湿闪和污闪，从而造成系统的对地短路。
另外，由于高电压等级的支柱绝缘子通常较高，受机械应力的影响，在运行了一段时间之后，由于老化等因素还可能造成绝缘子的断裂。
电容式电压互感器：CVT在运行过程中经常会出现故障，根据事故统计，40%的事故是在运行中电容器发生爆炸，26%的事故是电磁单元在运行中绝缘损坏造成击穿，其它诸如二次侧电压下降以及失压等也较为常见。
其中很大一部分是由于CVT本身制造质量不佳致使铁芯气隙变化，从而引起的电容部分击穿，另有一些由于安装错误引起谐振，导致设备的故障。
除此之外，系统中常出现的匝间短路及外部短路也是导致CVT损坏的一个重要原因。
六、结语应用绝缘在线监测系统可实时掌握变电站高压设备的绝缘状况，对提高设备的运行维护水平，及时发现事故隐患，减少停电事故有着积极的意义。
本文对现有的介损监测方法和其它方法进行了详细的分析比较，介绍了各自的原理和性能，指出了容性设备常见的故障，说明了当前的高压电容设备在线监测方法仍需要继续改进和提高。
参考文献[1]严璋.电气绝缘在线检测技术[M].西安：水利电力出版社，1995.[2]蔡国雄，甄为红，杨晓洪. 测量介质损耗的数字化过零点电压比较法[J].电网技术，2002，26（7）：15-18.[3]王微乐，李福祺，谈克雄. 测量介质损耗角的高阶正弦拟合算法[J].清华大学学报（自然科学版），2001，41（9）：5-8.[4]刘剑.容性设备分布式绝缘在线监测系统及介损值算法研究[D].湖南：湖南大学，2004：14-15.[5]金之俭，黄结成. 三相泄漏电流和的变化反映容性设备的绝缘状态[J].高电压技术，2001，27（6）：12～13.[6]孟源源，徐长响，严璋. 从Bradley报告看容性设备在线监测方法的有效性[J].高电压技术，2003，29（6）：32-35.。