高压套管绝缘在线监测研究

302 300 298 296 294 292 290 288 1 2296 4591 6886 9181 11476 13771 16066 18361 20656 22951 25246 27541 29836 32131 34426 36721 39016 41311 43606 45901 48196
297.5 297 296.5 296 295.5 295 294.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
图 7-2 2010 年套管 电压（kV）按月平均值统计
40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
图 7-3 2010 年套管温度 (℃) 按月平均值统计 3. 随机抽取数据
图 6-2 套管温度 （2010-3-1—2010.6.24）平均值为 28.2℃
60 50 40 30 20 10 0 1 2296 4591 6886 9181 11476 13771 16066 18361 20656 22951 25246 27541 29836 32131 34426 36721 39016 41311 43606 45901 48196
高压套管介质损耗因素（tgδ）在线监测研究
提要：高压套管是变压器，电抗器的重要组成部分，它的故障将导致变压器，电抗
器停运并造成电力系统大面积停电。 随着绝缘在线监测技术的发展， 通过高压套管绝缘在线 监测以窥视其绝缘设计特点， 和其在运行中特性研究正在摸索中。 武汉利捷电子技术有限责 任公司通过对 500kV 某换流站变压器 A 相套管介质损耗一年多来监测记录，展示和统计分 析了所有的数据，以供研究者、管理者研究高压套管绝缘评估及状态维修提供一些依据。
图 4 换流站换流变 1.1 套管末屏外观和内部结构图 如上图所示，HSP 套管末屏盖采用双 M 型弹簧钢片，末屏为Φ4mm 的铜棒，弹簧钢片
3
可以在末屏中转动， 末屏插入钢片中间凹槽后弹簧钢片张开抵紧末屏盖， 末屏盖与法兰通过 螺纹旋紧连接。泄漏电流的电流通道为：末屏→弹簧钢片→末屏盖→法兰。末屏前后左右均 与弹簧钢片可靠接触，在换流变压器振动较大的情况下，具备高可靠性。 要改变套管末屏原有的连接方式， 需要重新设计末屏的适配器， 该适配器需要实现两个功能， 一是保证套管末屏与适配器可靠连接， 二是末屏接地线从适配器中引出， 以用于电流传感器 正确采集末屏的套管电流向量。 套管的预防性试验记录如表 1 所示。 表 1 A 相换流变离线测试数据 换流变设备 测试电压 测试时间 测试量
为了解套管 tgδ值与电压、 温度的关系作者随机抽取两组数据进行研究， 见图 8-1， 图 8-2， 图 8-3，图 9-1，图 9-2，图 9-3。 (1) 2010-5-13—2010-5-15 （三天） 图 8-1 2010-5-13—2010-5-15 电压（kV）
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298 297 296 295 294 293 292 291 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 141 151 161 171 181
图 8-2 2010-5-13—2010-5-15 温度 （℃）
60 50 40 30 20 10 0 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 141 151 161 171 181
图 8-3 2010-5-13—2010-5-15 介质损耗值 tgδ（%）
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118 127 136 145 154 163 172 181
tg （%）
2004 年 5 月 2006 年 12 月 A相 10kV 2008 年 2 月 2009 年 1 月 2010 年 2 月 0.345 0.408 0.365 0.35 0.334
电容（PF） 591.6 583.5 579.4 584.5 585.6
被监测套管数据采集、分析界面如图 5 所示。
1
得多，因此 tgδ值必然带有较大误差。 正确的方法是严格地遵照介质损耗物理定义来求得，即 从被检测套管总电流中分离出其有功分量 IR 和容性分量 Ix 按下列定义求得：
tg =
IR Ix
其原理接线图如图 2 所示。
图 2 在线监测套管介质损耗因素原理图 数据采集分析系统包括主机系统接收电流和电压模拟数据，进行滤波放大、模数转换， 对数据进行统计分析。整个系统的软件建立在 Windows 平台上，它主要包含八个子系统： 信号变换及采样系统、 控制及程控放大系统、 通道转换及母线电压转换系统、 信号报警系统、 数字滤波系统、数据统计分析及存储系统、数据远传系统、局部放电计算系统。为了测量准 确，主机电源必须稳定可靠，电源系统采用独立接地系统避免了换流站接地网扰动，采用了 隔离变压器避免了站用电的扰动。 为了得的准确的，可信赖的数据，所使用的设备得到有关权威部门的检验和认可。本课 题所采用的设备进行了下列监测、认证： 1. 介质损耗因素(tgδ)测量准确度认证由中国国家高电压计量站进行校准 【证书号： （计）字 201040384】 标称允许误差范围为：±（1%读数+0.0001） 2. 电流传感器在中国电力工业电气设备质量检验测试中心进行了型式试验，其试验 通过项目包括：①二次绕组工频耐压试验 ②一次绕组工频耐压试验 3. ③匝间过电压试验 ⑤高低温误差测定 ④误差测定 ⑥温升试验
二、高压套管介质损耗因素（tgδ）在线监测原理
按照介质损耗因素（tgδ）定义 : 它是流过套管阻性电流与容性电流之比值
tg =
IR I
IR Ix
U
IX
S
图 1 介质损耗角 定义 在线检测套管的介质损耗因素（tgδ）是在套管末屏引出的接地线上穿电流传感器，获 取电流信号， 在母线电压互感器二次绕组 （57V 处） 接上电压传感器获取电压信号。 将电压、 电流信号数字化及其它相关处理。将电流信号中有功分量（阻性电流）及无功分量（容性电 流）分离出来。以获得套管的 tgδ及其他绝缘参数。 测量运行套管绝缘参数特别是测量 tgδ真实值较为困难，一些学者试图通过被监测套 管的电压、电流的相位差来求出δ值。即根据 900 减去相位角φ的差值得到。 即“900-φ= δ”来确定 tgδ。 但从误差理论来说，这样求得的δ是不准确的。因为 U 及 I 的相位角φ相对于δ（仅 有几分-几十分）来说，是大几百倍的数，φ本身测量的误差比δ值（仅有几分-几十分）大
从表 2-1，2-2 及图 7-1，7-2，7-3 可以看出，最高平均温度发生在 7 月份，而最高平均电 压发生在 2 月份，然而，最高平均 tgδ发生在 2 月份而不是 7 月份。
6
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
图 7-1 2010 年套管 tgδ（%）按月平均值统计
⑦额定雷电冲击试验 ⑧短时电流试验
2
⑨二次绕组工频耐压试验（复试） 其结论是：在+45℃-至-15℃传感器满足 0.2 级要求。 【证书号： （2010）检字 JHG556 号】
三、
被试高压套管介绍
试验是在贵州某±500kV 换流站进行的。该换流站设备由国外某公司进口。 被试套管是在一台换流变压器上的 1.1 高压套管(500kV 交流套管)。该套管是 HSP 公司生产 的 OTF-1675-550-B 型套管，为电容型套管，该类型套管具有内绝缘和外绝缘，内绝缘又 称主绝缘， 为一圆柱形电容芯子， 外绝缘为瓷套， 瓷套有供安装用的金属连接 （套管法兰） ， 套管头部有供油量变化的金属容器（油枕） 。套管内部抽真空后注满绝缘油，运行中，末屏 直接与接地的金属法兰相连接。套管结构如下图所示： 电容型套管的内绝缘电容芯子，对于套管性能的影响最重要，所以主要研究主绝缘的
图 5 监测系统数据采集分析界面（红色波形为套管电压，黑色波形为套管电流）
四、
被监测套管长期记录的 tgδ数据分析
4
在对该套管的研究记录 17 个月中， 共取得了 6 万多个数据。 监测系统以每分钟采样一次， 进行处理并存储所得数据。 1. 长时间套管 tgδ数据统计分析 从 2009 年 10 月 31 日至 2011 年 3 月 17 日的长达 17 个月中，设备运行正常，从介质损 耗因素（tgδ）记录中，可以发现它并未有大的变化。它的平均值为 0.521%。 由于系统按每分钟取样一次，数据量太大，在作图中按每 15 分钟抽取一点画出 图 6-1，图 6-2，图 6-3 是 2010-3-1—2010.6.24 套管电压、温度及 tgδ值统计结果。 图 6-1 套管电压 （2010-3-1—2010.6.24）平均值为 296.08kV.
500kV 电力系统电压范围：500KV±5% 对于 A 相电压应为：274.2kV—303.1kV ，从图 6-1 中看出 A 相电压在 299kV---292kV 之间 而 tgδ值 大约在 0.3%--0.7% 之间，根据 Q/CSG 1 0007 电力设备预防性试验规程。 该套 管满足 tgδ值等于或小于 0.8%要求。 从图 6-2 中套管温度最大达 55℃， 最低 8℃。 tgδ值将受到电压及温度的双重影响。影响 2. 月平均数据 为了更好的了解 tgδ与温度，电压的关系，对 2010 年的 12 个月的每一个月进行了统计分 析，其结果示于表 2-1、表 2-2 及图 7-1，图 7-2，图 7-3 中。 表 2-1 日期：2010 年 电压(kV,月平均值） 温度(℃,月平均值） tgδ (% ,月平均值） 表 2-2 日期：2010 年 电压(kV,月平均值） 温度(℃,月平均值） tgδ(% ,月平均值） 7月 296.9 35.9 0.425 8月 296.8 32.5 0.450 9月 297.1 29.5 0.525 10 月 296.1 22.5 0.542 11 月 296.2 18.9 0.434 12 月 296.0 15.1 0.459 1月 296.6 9.0 0.552 2月 297.2 18.9 0.578 3月 296.2 24.8 0.420 4月 295.9 24.8 0.427 5月 295.6 30.9 0.540 6月 296.4 27.3 0.526
Fra Baidu bibliotek
图 6-3 套管介质损耗（2010-3-1—2010-6-24）平均值为 0.507％
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0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1 2526 5051 7576 10101 12626 15151 17676 20201 22726 25251 27776 30301 32826 35351 37876 40401 42926 45451 47976
一、
套管的绝缘特征量
像所有的设备绝缘一样，套管绝缘的特征量可用下列 4 个参数来表示： 1. 局部放电量 2. 介质损耗因素（tgδ）3. 泄漏电流 4. 电容值 上述 4 个特征量中, 局部放电灵敏度最高，其次介质损耗因素（tgδ） 、设备电容值也可以 反映套管绝缘状况。但是，在运行中套管的介质损耗因素（tgδ）的监测比较它的局部放电 监测较容易实现， 而且能较灵敏的反映套管在运行情况下的绝缘实际状况， 并可发现它的设 计及制造工艺优劣。
tg 。其结构原理图如图 1 所示。
图 3 电容式套管绝缘结构 从图 2 所示的原理图中， 可以清楚看到， 换流变压器套管绝缘在线监测系统主要有下列 技术难题： （1）如何保证换流变套管末屏可靠接地，确保设备的安全运行； （2） 如何使套管电流向量和电压向量通过传感器准确采集到系统采样处理单元 中，避免换流变压器强电磁场工况条件对采集信号的干扰。 换流变压器的套管末屏是变压器的关键部位之一，它是供试验人员在进行套管试验时 获取信号的一个抽头， 正常运行时它经过套管末屏盖与换流变压器外壳直接相连接地， 其外 形及内部结构如图 3 所示。