第十四章 电气设备在线监测

第十四章 电气设备在线监测

第一节 绝缘电阻及泄漏电流的在线监测

一、绝缘电阻的在线监测

绝缘电阻是反映绝缘性能的最基本的指标之一，通常都用摇表来测量绝缘电阻。对绝缘电阻进行在线监测时，一般是先检测出电气设备的泄漏电流，再通过欧姆定理算出其绝缘电阻。

二、泄漏电流的在线监测

电气设备在运行电压下，总有一定的泄漏电流通过绝缘体到低电位处或流入大地。只要这种电流不超过一定的数值，电气设备的使用仍然是安全的。但是当电气设备中的绝缘材料老化、电气设备受潮或存在故障时，这种泄漏电流将会明显增大，绝缘体损耗增大，它可能造成火灾、触电或损坏设备等事故。电力设备绝缘系统老化、吸潮、过热等导致发生故障的因素，都会反映在绝缘体电容C X和损耗因数tgδ的变化上，因此，在线监测泄漏电流，是诊断绝缘状态的有效手段之一。而且，高压电气设备绝缘在线监测是在电气设备处于运行状态中，利用其工作电压来监测绝缘的各种特征参数。因此，能真实的反映电气设备绝缘的运行工况，从而对绝缘状况作出比较准确的判断。

变电站的电力设备户外绝缘泄漏电流受电压、污秽、气候三要素综合影响，污秽严重时就可能发生污秽闪络。下面通过变电站电力设备户外绝缘泄漏电流在线监测系统的运行情况监测数据并分析泄漏电流的变化规律。

一般泄漏电流信号的采集可在设备的接地线中串入取样电阻或微安表，在接地线上加套电流传感器等。但通常设备接地线不易拆开，故图

4－1中的系统利用泄漏电流沿面形成的原理，在绝缘子串铁塔侧的最后一片绝缘子上方安装一开口式的引流装置卡，将泄漏电流通过双层屏蔽线引入到数据采集单元中。采用该引流器，无需停电即可安装，不影响线路正常运行。

设计了适用于泄漏电流采集的传感器之后，采用一种基于高速数据采集卡的计算机数据采集系统，本系统的特点是采集和处理都由上位机完成。为了提高报警的可靠性，提出一种模糊报警模型。

图14-1 泄漏电流在线监测原理图

泄漏电流信号被送入信号变换单元，在信号转换单元中首先经过过压(雷击)保护电路，然后将电流信号转换成电压信号。这个电压信号被后面的信号处理电路差动放大，经过前级差动放大后，信号通过带阻滤波器，滤波后的信号经过非线性放大电路放大和隔离之后进入A/D转换器。非线性放大的目的是将信号压缩，充分利用数字系统的分辨率。由于A/ D转换通道的增益是1～8倍可调的，从而使整个系统的泄漏电流分辨率可以达到微安级。

第二节 介质损耗角正切值的在线监测

绝缘在线监测损耗因数tgδ的方法很多，如电桥法、全数字测量法等，常用的方法是监测绝缘体的泄漏电流及PT信号，通过计算泄漏电流

和电压的相角差而得到介质损耗角正切值tgδ的数值。其测量原理大都使用硬件鉴相及过零比较的方法。目前的绝缘在线监测产品基本都是用快速傅立叶变换（FFT）的方法来求介损。取运行设备PT的标准电压信号与设备泄漏电流信号直接经高速A/D采样转换后送入计算机，通过软件的方法对信号进行频谱分析，仅抽取50Hz的基本信号进行计算求出介损。这种方法能消除各种高次谐波的干扰，测试数据稳定，能很好地反映出设备的绝缘变化。但由于绝缘体的泄漏电流非常微弱，而且现场的干扰较大，要准确监测绝缘体的泄漏电流比较困难。因此，要实现绝缘损耗因数tgδ的在线监测，必须解决微弱电流的取样及抗干扰问题。

一、电桥法

电桥法在线监测tgδ的原理图如4-2所示，由电压互感器带来的角差，可通过RC移相电路予以校正。然而角差会随负载大小等因素的影响有所变动，所以校正也不可能是很理想的。电桥中R3，C4的调动可以手动，也可以自动。由于是有触头的调节，为了长年的使用，必须选择十分可靠的R3，C4可调节元件。

电桥法的优点是，它的测量与电源波形及频率不相关；其缺点是，由于R3的接入，改变了被测设备原有的状态。为了安全，还要装有周密的保护装置。

图4-2 电桥法在线监测tgδ原理图

C x——试品；C0——标准电容器；PT——电压互感器；G——指零

仪

二、全数字测量法

全数字测量法又称数字积分法，这是一种用A/D转换器分别对电压和电流波形进行数字采集，然后根据傅里叶分析法的原理进行的数字运算，最终可以求得tgδ值。

被测设备的电压信号由同相的电压互感器PT提供，或再经电阻分压器输出。电流信号由电容式套管末屏C x2接地线或设备接地线上所环绕的低频电流传感器CT获得。由后者把电流信号转换为电压信号。这种CT需要特殊设计，以使所产生的角差极小。由于获取电流信号方面的限制，全数字测量法仅限于使用在电容型设备上。图4-3表示电压和电流信号的拾取。

图14-3 电压和电流信号的拾取

（a）电压信号的拾取；（b）电流信号的拾取实际的电压波和电流波是含有谐波的周期性函数。在电路原理中已阐明，当一个周期性函数f(t)，在满足狄里赫利条件时，它可以展开成三角形式的傅里叶级数：

（4-1）或（4-2）

式中，ω为基波角频。

现只取基波，即只取n=1的一个项，其中幅值

（4-3）各有关电路原理的书籍中均已证明了系数

（4-4）其中，T为周期。系数

（14-5）

（14-6）对于流过试品的电流i（t）和加在试品上同一个相的电压u(t)的两路信号，分别可以通过式（14-4）~（14-6）求得各自的电流及电压基波幅值I1，U1和基波相位θi和θu。这样可得介质损失角正切

（14-7）所测介质的电容为

（14-8）

在理想条件下，根据采样定理的概念，A/D的采样率不必取得很高，即可达到足够的准确度。在此条件下，求系数a1和b1时的数字积分的运算工作量不大。但是电力系统的频率f允许在一定范围内变动（我国为（50±0.5）Hz），尽管采样率可以很准确地达到一定值，但真正要实现同步采样是比较困难的。同步采样是指被采样信号的真正周期T 等于等间隔采样周期T s的整数倍。不能实现同步采样就会产生非同步采样误差。为了解决或减小这一误差，需在软件或硬件上另行采取措施，例如采样方法可采用准同步采样。

本法的优点是硬件系统比直接测量介质损耗角δ的方法简单。此外，因只对基波进行运算，故等于对谐波进行了比较理想的数字滤波。

第三节 局部放电的在线监测

一、绝缘内部局部放电在线监测的基本方法

局部放电的过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生电磁辐射、超声、发光、发热以及出现新的生成物等。因此针对这些现象，局部放电监测的基本方法有脉冲电流测量、超声波测量、光测量、化学测量、超高频测量以及特高频测量等方法。其中脉冲电流法放电电流脉冲信息含量丰富，可通过电流脉冲的统计特征和实测波形来判定放电的严重程度，进而运用现代分析手段了解绝缘劣化的状况及其发展趋势，对于突变信号反应也较灵敏，易于准确及时地发现故障，且易于定量，因此，脉冲电流法得到广泛应用。目前，国内不少单位研制的局部放电监测装置普遍采用这种方法来提取放电信号。该方法通过监测阻抗、接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，获得视在放电量。它是研究最早、应用最广泛的一种监测方法，也是国际上唯一有标准（IEC60270）的局放监测方法，所测得的信息具有可比性。图14－4为比较典型的局部放电在线监测（以变压器为例，图中CT表示电流互感器）原理框图。