电容型设备在线监测与诊断
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第三章 电容型设备在线监 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
2
§3.1 概述
通常绝缘介质的平均击穿场强随其厚度的增加
而下降。在较厚的绝缘内设臵均压电极，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。 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 压互感器等，统称为电容型设备。
3
750kV 电容式电压互感器
传统电桥法
被测量 设备
标准 电容 被测量 设备
标准 电容
(a) 正接法； (b)反接法 西林电桥测tanδ的基本线路
电桥工作电压一般为10kV；
正接法由于调节部分处于低压臂，操作比较安全；
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。
无论是正接法还是反接法，电桥平衡时G中的电流IG = 0， 所以 IDA = IAC = IX ， IDB = IBC = IN UDA = UDB ， UAC = UBC = UX 以反接法为例， IX Z3= IN Z4 IX ZX= IN ZN
均 压 环
瓷 套
中 心 导 体
悬浮 电位 屏蔽
接 地 屏 蔽
法 兰
支 撑 绝 缘
750kV断路器充SF6引线套管结构图
5
变电站中的主要电容性设备
电力电容器
电容式套管
高压电流互感器（CT）
高压电压互感器（PT）
电容式电压互感器（CVT）
数量约占变电站设备总台数的40%～50%。 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 其绝缘状况进行监测具有重大意义。 6
13
讨论介质损耗角正切tg的意义
绝缘结构设计时，必须注意到绝缘材料的tg。如 果tg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。
在绝缘预防性试验中， tg是基本测试项目，当绝 缘受潮或劣化时， tg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 tg - U的关系 曲线加以判断（随电压增高， tg应不变，若变化， 则存在放电现象）。
通常取 R4
104
tg CX RX C4 R4
，f =50Hz，则有
tg 100
104
C4 106 C4 C4 （单位微法）
传统电桥法——消除现场干扰的方法
现场的电场及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：
可采用改变试验电源极性的做法：如进行正、反相两 次测量。
Z X ZN Z3 Z4
Cx
CN
Z 3 R3 R4 Z4 R4 1 j C 4 1 j C 4
Cx CN
1 Z X RX j C X 1 Z N j( ) C N
近期也有采用45或55Hz异频电源的方法，这样可避开 50Hz频率的干扰。 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。
在线检测tg电桥法
一般采用正接法，对运行设备进行 检测。 CN为高压标准电容，通常存在一 定的损耗tgN（已知）。当电桥平衡 时，测量值为tgm，有 4 R4 tg ( X N ) tg m I C c
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。
I Y Y Y0 x 1 I0 Y0 Y0 kR k 1 2 x 2 2 k R
缺陷部分的损耗为 tg 1 / CR x / R 所以
I Y tg I0 Y0 k 1
P U 2C X tg U 2C0tg 0 U 2C1tg1
U 2C0tg 0 U 2C1tg1 tg U 2C X C0tg 0 C1tg1 CX
这样如果缺陷部分（C1）越小，则C1 / CX 越 小，所以在测量整体绝缘tg时越难以发现缺陷部 分（ tg1）的影响。
当70层中有一层缺陷增大时总体参数的变化。
对比结果表明，当 一层缺陷进一步恶化时， |C/C0|和|I/I0|的变化都 不 超 过 2% ， 而 三 相 不 平衡电压却增大若干倍。 因此三相不平衡电 压对缺陷的反应远比测 量电流或电容灵敏。 U0与缺陷tg的关系 一般当此三相不平衡电压U0升高到数百微伏时，往往反映 可能有明显缺陷。
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。
§3.3 介质损耗角正切的监测
电桥法
硬件法
监测 tg
过零检测法
绝对法
软件法
相对法
33
在线检测tan的电桥法
在停电试验中用电桥法测量tg是一种常用的、 高精度的测量方法。 如果能够在运行状态下进行 检测，则有效性更高。
可见 tg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tg所能反映的缺陷
绝缘受潮。 绝缘脏污。 绝缘中存在气隙放电。
UC代表较多气隙开始放电 时所对应的外加电压。 tg = f (U ) 从tg 增长的陡度可反映绝 缘劣化的程度。 另外，当外施电压超过起 始放电电压时，将发生局部 放电，损耗急剧增加。
影响因素
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
因是三相电流的汇总，所以三次谐波影响严重。 Y 3I h Y U I Y I 1 SNR SNR Y I 3I h 3I h Y 3I h 目前电网三次谐波分量较大，有时可达I的15%。 如果要求信噪比至少为2（SNR>2） Y 2 3 0.15 0.9 时，才能较准确地测量，这显然是 则 Y 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 Y 比应为300倍(50dB) ，才能保证 0.003 时, 既可测出。 Y
电力电容器结构
铝箔 绝缘薄膜
电容器剖面图
结构单元
7
电容型设备故障统计
• 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、蔽罩缺陷、 撑件缺陷、异物
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 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。
UA UB UC
YA
YB
YC
影响因素
三相电压不平衡。 各相设备间对地阻抗有差异。一般电容性设备在出厂
时，允许其电容量存在10%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。
Z X ZN Z3 Z4
1 j( ) R4 CN R4
上式虚实部分别相等，
1 1 j RX j C C 4 X R3 1 j C 4
R4 C X CN R3 C4 R4 RX CN
tg
UC
U
介质损耗角正切tg的不足
tg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。 如果绝缘内的缺陷不是分布性的而是集中性 的，则tg反映不灵敏。 I
tg
r
IC
IC几乎是不变的。 tg取决于缺陷对Ir 的影响。
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。
U0
r
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。
UA UB UC
YA
YB
YC
RA RB RC R r
U0
以70层电容层相串联的电容套管为例，电容量为800pF， 正常情况下tg=0.3%。当某一电容层tg’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。。
C I tg ） 当绝缘内部出现缺陷后，这三个参量（ C0 ，I 0 ， 是可被测量的。但哪一个对缺陷反应更灵敏？
可见当缺陷层tg’开始 增大时，测量
I I 0 和 tg
更灵敏
而当缺陷层tg’>100% 时，测量
I I0 C 和 更灵敏 C0
三相电流之和的在线检测
上述分析表明 ，与介质损耗因数或电容量变化相比，监
单元体积的介质损耗
引入tan的原因
介质损耗 P= UIR = U2 C tg 使用介质损耗P表示绝缘介质的品质好坏是不方便 的，因为P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。 所以改用介质损耗角正切 tg 来判断介质的品质。 tg与类似，是仅取决于材料的特性与材料尺寸无 关的物理量。 Ir= ICtg = UC tg 因为tg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tg值能反映介质 损耗的大小。
2
k 1 2 tg k 由此产生整个试品的介质损耗增量（初始为0）
xR tg 1 tg 2 2 R (k 1) x k k k 1 tg 2 k 缺陷导致的整个试品的电容量增量为
C Y j tg 2 1 C0 Y0 k k 1 2 2 tg k
11
电介质的损耗
I=Ir+IC ~U IC Ir I
U
绝缘介质工作图
电流相量图
回路电流 I=Ir+IC（由于介质有能量损耗，所以电流不是纯电容电流） 电流Ir和IC之间的关系为： Ir= ICtg = UC tg
介质损耗
P= UIR = U2 C tg p= P/sd= 0 r E2 tg
8
• 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
9
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： 电导引起的损耗 介质极化引起的损耗
电介质的能量损耗简称介质损耗，它是影响绝 缘劣化和热击穿的一个重要因素。
10
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。
杂散电流干扰。
I 0 I I d k I0 Id
UA UB UC
YA
YB I0
YC YA’ YB’
YC’
Id
中性点三相不平衡电压法
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 YA YB
YC
RA RB RC
RA 、 RB和RC可调 是补偿用电阻。
发电机
反映不灵敏的设备 tg 反映灵敏的设备
电力电缆
变压器绕组
套管 PT
CT
§3.2 测量三相不平衡电流Ik
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。 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。
19
绝缘特征参量分析
U C C0 R I0 I
C0C Y0 j C0 C 1 jC0 jC R Y 1 jC0 jC R
I I I0 U (Y Y0 ) U Y
20
如取x=1/C，k=C/C0，则
1 Y0 j (k 1) x xR j R 2 (k 1) x 2k Y x R 2 (k 1)2 x 2k 2
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
2
§3.1 概述
通常绝缘介质的平均击穿场强随其厚度的增加
而下降。在较厚的绝缘内设臵均压电极，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。 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 压互感器等，统称为电容型设备。
3
750kV 电容式电压互感器
传统电桥法
被测量 设备
标准 电容 被测量 设备
标准 电容
(a) 正接法； (b)反接法 西林电桥测tanδ的基本线路
电桥工作电压一般为10kV；
正接法由于调节部分处于低压臂，操作比较安全；
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。
无论是正接法还是反接法，电桥平衡时G中的电流IG = 0， 所以 IDA = IAC = IX ， IDB = IBC = IN UDA = UDB ， UAC = UBC = UX 以反接法为例， IX Z3= IN Z4 IX ZX= IN ZN
均 压 环
瓷 套
中 心 导 体
悬浮 电位 屏蔽
接 地 屏 蔽
法 兰
支 撑 绝 缘
750kV断路器充SF6引线套管结构图
5
变电站中的主要电容性设备
电力电容器
电容式套管
高压电流互感器（CT）
高压电压互感器（PT）
电容式电压互感器（CVT）
数量约占变电站设备总台数的40%～50%。 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 其绝缘状况进行监测具有重大意义。 6
13
讨论介质损耗角正切tg的意义
绝缘结构设计时，必须注意到绝缘材料的tg。如 果tg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。
在绝缘预防性试验中， tg是基本测试项目，当绝 缘受潮或劣化时， tg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 tg - U的关系 曲线加以判断（随电压增高， tg应不变，若变化， 则存在放电现象）。
通常取 R4
104
tg CX RX C4 R4
，f =50Hz，则有
tg 100
104
C4 106 C4 C4 （单位微法）
传统电桥法——消除现场干扰的方法
现场的电场及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：
可采用改变试验电源极性的做法：如进行正、反相两 次测量。
Z X ZN Z3 Z4
Cx
CN
Z 3 R3 R4 Z4 R4 1 j C 4 1 j C 4
Cx CN
1 Z X RX j C X 1 Z N j( ) C N
近期也有采用45或55Hz异频电源的方法，这样可避开 50Hz频率的干扰。 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。
在线检测tg电桥法
一般采用正接法，对运行设备进行 检测。 CN为高压标准电容，通常存在一 定的损耗tgN（已知）。当电桥平衡 时，测量值为tgm，有 4 R4 tg ( X N ) tg m I C c
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。
I Y Y Y0 x 1 I0 Y0 Y0 kR k 1 2 x 2 2 k R
缺陷部分的损耗为 tg 1 / CR x / R 所以
I Y tg I0 Y0 k 1
P U 2C X tg U 2C0tg 0 U 2C1tg1
U 2C0tg 0 U 2C1tg1 tg U 2C X C0tg 0 C1tg1 CX
这样如果缺陷部分（C1）越小，则C1 / CX 越 小，所以在测量整体绝缘tg时越难以发现缺陷部 分（ tg1）的影响。
当70层中有一层缺陷增大时总体参数的变化。
对比结果表明，当 一层缺陷进一步恶化时， |C/C0|和|I/I0|的变化都 不 超 过 2% ， 而 三 相 不 平衡电压却增大若干倍。 因此三相不平衡电 压对缺陷的反应远比测 量电流或电容灵敏。 U0与缺陷tg的关系 一般当此三相不平衡电压U0升高到数百微伏时，往往反映 可能有明显缺陷。
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。
§3.3 介质损耗角正切的监测
电桥法
硬件法
监测 tg
过零检测法
绝对法
软件法
相对法
33
在线检测tan的电桥法
在停电试验中用电桥法测量tg是一种常用的、 高精度的测量方法。 如果能够在运行状态下进行 检测，则有效性更高。
可见 tg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tg所能反映的缺陷
绝缘受潮。 绝缘脏污。 绝缘中存在气隙放电。
UC代表较多气隙开始放电 时所对应的外加电压。 tg = f (U ) 从tg 增长的陡度可反映绝 缘劣化的程度。 另外，当外施电压超过起 始放电电压时，将发生局部 放电，损耗急剧增加。
影响因素
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
因是三相电流的汇总，所以三次谐波影响严重。 Y 3I h Y U I Y I 1 SNR SNR Y I 3I h 3I h Y 3I h 目前电网三次谐波分量较大，有时可达I的15%。 如果要求信噪比至少为2（SNR>2） Y 2 3 0.15 0.9 时，才能较准确地测量，这显然是 则 Y 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 Y 比应为300倍(50dB) ，才能保证 0.003 时, 既可测出。 Y
电力电容器结构
铝箔 绝缘薄膜
电容器剖面图
结构单元
7
电容型设备故障统计
• 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、蔽罩缺陷、 撑件缺陷、异物
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 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。
UA UB UC
YA
YB
YC
影响因素
三相电压不平衡。 各相设备间对地阻抗有差异。一般电容性设备在出厂
时，允许其电容量存在10%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。
Z X ZN Z3 Z4
1 j( ) R4 CN R4
上式虚实部分别相等，
1 1 j RX j C C 4 X R3 1 j C 4
R4 C X CN R3 C4 R4 RX CN
tg
UC
U
介质损耗角正切tg的不足
tg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。 如果绝缘内的缺陷不是分布性的而是集中性 的，则tg反映不灵敏。 I
tg
r
IC
IC几乎是不变的。 tg取决于缺陷对Ir 的影响。
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。
U0
r
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。
UA UB UC
YA
YB
YC
RA RB RC R r
U0
以70层电容层相串联的电容套管为例，电容量为800pF， 正常情况下tg=0.3%。当某一电容层tg’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。。
C I tg ） 当绝缘内部出现缺陷后，这三个参量（ C0 ，I 0 ， 是可被测量的。但哪一个对缺陷反应更灵敏？
可见当缺陷层tg’开始 增大时，测量
I I 0 和 tg
更灵敏
而当缺陷层tg’>100% 时，测量
I I0 C 和 更灵敏 C0
三相电流之和的在线检测
上述分析表明 ，与介质损耗因数或电容量变化相比，监
单元体积的介质损耗
引入tan的原因
介质损耗 P= UIR = U2 C tg 使用介质损耗P表示绝缘介质的品质好坏是不方便 的，因为P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。 所以改用介质损耗角正切 tg 来判断介质的品质。 tg与类似，是仅取决于材料的特性与材料尺寸无 关的物理量。 Ir= ICtg = UC tg 因为tg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tg值能反映介质 损耗的大小。
2
k 1 2 tg k 由此产生整个试品的介质损耗增量（初始为0）
xR tg 1 tg 2 2 R (k 1) x k k k 1 tg 2 k 缺陷导致的整个试品的电容量增量为
C Y j tg 2 1 C0 Y0 k k 1 2 2 tg k
11
电介质的损耗
I=Ir+IC ~U IC Ir I
U
绝缘介质工作图
电流相量图
回路电流 I=Ir+IC（由于介质有能量损耗，所以电流不是纯电容电流） 电流Ir和IC之间的关系为： Ir= ICtg = UC tg
介质损耗
P= UIR = U2 C tg p= P/sd= 0 r E2 tg
8
• 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
9
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： 电导引起的损耗 介质极化引起的损耗
电介质的能量损耗简称介质损耗，它是影响绝 缘劣化和热击穿的一个重要因素。
10
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。
杂散电流干扰。
I 0 I I d k I0 Id
UA UB UC
YA
YB I0
YC YA’ YB’
YC’
Id
中性点三相不平衡电压法
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 YA YB
YC
RA RB RC
RA 、 RB和RC可调 是补偿用电阻。
发电机
反映不灵敏的设备 tg 反映灵敏的设备
电力电缆
变压器绕组
套管 PT
CT
§3.2 测量三相不平衡电流Ik
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。 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。
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绝缘特征参量分析
U C C0 R I0 I
C0C Y0 j C0 C 1 jC0 jC R Y 1 jC0 jC R
I I I0 U (Y Y0 ) U Y
20
如取x=1/C，k=C/C0，则
1 Y0 j (k 1) x xR j R 2 (k 1) x 2k Y x R 2 (k 1)2 x 2k 2