1、电容性设备在线监测电容性设备在线监测Dissipation Factor on-line Monitoring 通常绝缘介质的平均击穿场强随其厚度的增通常绝缘介质的平均击穿场强随其厚度的增加而下降。在较厚的绝缘内设置均压电极，将其分加而下降。在较厚的绝缘内设置均压电极，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，统称为型电压互感器等，统称为电容型设备电容型
2、设备。 电容性设备电容性设备电力电容器电力电容器电容式套管电容式套管高压电流互感器（高压电流互感器（CT）高压电压互感器（高压电压互感器（PT）电容式电压互感器（电容式电压互感器（CVT） 是电力系统中检修数量最大的一类设备，检修项是电力系统中检修数量最大的一类设备，检修项目明确，工作量大。进行在线监测是非常必要的。目明确，工作量大。进行在线监测是非常必要的。电力电容器结构电力电容器结构结构单元结构单元电容器剖面图电容器剖面图电极电极电极电极电极电极电极电极绝缘介质绝缘介质绝缘介质绝缘介质电场作用下的绝缘体性能电场作用下的绝缘体性能电场作用下的绝缘体性能电场作用下的绝缘体性能无电场无电场电场作
3、用下电场作用下电极化电极化原子极化原子极化方向极化方向极化E- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- - - - - -A绝缘介质的能量损耗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：绝缘介质在外部场强的作用下存在能量损耗：n电导引起的损耗电导引起的损耗n介质极化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。电介质的能量损耗简称介质损耗。 在直流电场作用下，由于介质没有
4、周期性的在直流电场作用下，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。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。新的物理量加以描述。电流相量图电流相量图绝缘介质工作图绝缘介质工作图功率三角形功率三角形 使用介质损耗使用介质损耗P表示绝缘介质的品质好坏是不表示绝缘介质的品质好坏是不方便的，因为方便的，因为P值与试验电压、介质尺寸等因素有值与试验电压、介质尺寸等因素有关，不同设备间难以进行比较。关，不同设备间难以
5、进行比较。 所以改用介质损耗角正切所以改用介质损耗角正切 来判断介质的品来判断介质的品质。质。 tg 与与 类似，是仅取决于材料的特性与材料尺类似，是仅取决于材料的特性与材料尺寸无关的物理量。寸无关的物理量。并联等值电路并联等值电路tgCURUPRCCURUtgPPP221电流相量图电流相量图串联等效电路图串联等效电路图串联等值电路串联等值电路222222222221)()1 (/tgtgCUrCrrrCUCrrUrIPrCCIIrtgssssss电流相量图电流相量图并联等效电路图并联等效电路图n 如果损耗主要是由于电导引起的，则常应用并联如果损耗主要是由于电导引起的，则常应用并联等值电路。等
6、值电路。n 如果损耗主要由介质极化及连接导线的电阻等引如果损耗主要由介质极化及连接导线的电阻等引起，则常用串联等值电路。起，则常用串联等值电路。 必须注意同一介质用不同等值电路表示时，其必须注意同一介质用不同等值电路表示时，其等值电容量是不同的等值电容量是不同的。222211tgCCtgtgCUtgCUPspsp等值电路的应用等值电路的应用 由于绝缘介质的由于绝缘介质的tg 一般都很小，即一般都很小，即1+tg2 1故故CP CS = C 所以通常情况下所以通常情况下，介质损耗的两种等值电路都，介质损耗的两种等值电路都可以用相同的表达方式：可以用相同的表达方式：CtgUP2等值电路的等价性等值
7、电路的等价性讨论介质损耗的意义讨论介质损耗的意义n 绝缘结构设计时，必须注意到绝缘材料的绝缘结构设计时，必须注意到绝缘材料的tg 。如。如果果tg 过大会引起严重发热，是绝缘材料迅速老化，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。进而导致热击穿。n 在绝缘预防性试验中，在绝缘预防性试验中， tg 是基本测试项目，当绝是基本测试项目，当绝缘受潮或劣化时，缘受潮或劣化时， tg 将急剧上升。绝缘内部是否存将急剧上升。绝缘内部是否存在可疑的放电现象，也可以通过测量在可疑的放电现象，也可以通过测量 tg - U的关系的关系曲线加以判断。曲线加以判断。可见可见 tg 既是绝缘劣化的原因，也
8、是绝缘劣化的特征。既是绝缘劣化的原因，也是绝缘劣化的特征。介质损耗所能反映的缺陷介质损耗所能反映的缺陷n 绝缘受潮绝缘受潮。n 绝缘脏污。绝缘脏污。n 绝缘中存在气隙放电。绝缘中存在气隙放电。代表较多气隙开始放电代表较多气隙开始放电时所对应的外加电压。时所对应的外加电压。()从从增长的陡度可反映绝增长的陡度可反映绝缘劣化的程度。缘劣化的程度。介质损耗的不足介质损耗的不足 tg 是反应绝缘功率损耗大小的特性参数，与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。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如果绝缘内的缺陷不是分布性的而是集中
9、性的，则的，则tg 反映不灵敏。反映不灵敏。CIIrtgIC几乎是不变的。几乎是不变的。tg 取决于缺陷对取决于缺陷对Ir的影响。的影响。 这相当于不同的绝缘部分相并联的情况，总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。绝缘损耗为完好部分与缺陷部分介质损耗之和。XXXCtgCtgCCUtgCUtgCUtgtgCUtgCUtgCUP110021120021120022 这样如果缺陷部分（这样如果缺陷部分（C1）越小，则）越小，则C1CX，所以在测量整体绝缘，所以在测量整体绝缘tg 时越难以发现缺陷部时越难以发现缺陷部分（分（ tg ）的影响。）的影响。发电机
10、发电机电力电缆电力电缆变压器绕组变压器绕组tg 反映不灵敏的设备反映不灵敏的设备反映灵敏的设备反映灵敏的设备套管套管PTCT在线检测在线检测tg 的电桥法的电桥法 在停电试验中用电桥法测量在停电试验中用电桥法测量tg 是一种常用的、是一种常用的、高精度的测量方法。高精度的测量方法。 如果能够在运行状态下进行如果能够在运行状态下进行检测，则有效性更高。检测，则有效性更高。传统电桥法传统电桥法西林电桥测西林电桥测tg的基本线路的基本线路(a) 正接法；正接法； (b)反接法反接法被测量被测量设备设备被测量被测量设备设备标准标准电容电容标准标准电容电容n 电桥工作电压一般为电桥工作电压一般为10kV
11、；n 正接法由于调节部分处于低压臂，操作比较安全；正接法由于调节部分处于低压臂，操作比较安全；n 当被测设备必须一端接地时，则须采用反接法。此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。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，电桥平衡时无论是正接法还是反接法，电桥平衡时G中的电流中的电流IG = 0，所以所以 IDA = IAC = IX ， IDB = IBC= INUDA = UDB ， UAC = UBC= UX 以反接法为例，以反接法为例，IX Z3= IN Z4IX ZX= IN ZN43ZZZZNX)1(1114444433NNXX
12、XCjZCjRZCjRCjRZRZ34444111)1(RCjRCjRCjRCjXXN43ZZZZNX上式虚实部分别相等，上式虚实部分别相等，NXNXCRCRRRCC443444RCRCtgXX通常取通常取 ，f =50Hz，则有，则有4410R446441010100CCCtg（单位微法）（单位微法） 现场的电场及磁场常会影响电桥的平衡及准确的读数，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：消除干扰的方法有：n 可采用改变试验电源极性的做法：如进行正、反相两次测可采用改变试验电源极性的做法：如进行正、反相两次测量。量。n 采用加移相器的方法；采用加移相器的方法；n 近
13、期也有采用近期也有采用45或或55Hz异频电源的方法，这样可避开异频电源的方法，这样可避开50Hz频率的干扰。频率的干扰。n 磁场干扰往往对电桥检流计回路的影响明显，可将检流计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。移出磁场干扰区，或采用更好的磁屏蔽措施。在线检测在线检测tg 电桥法电桥法 一般采用正接法，对运行设备进行一般采用正接法，对运行设备进行检测。检测。 CN为高压标准电容，通常存在一为高压标准电容，通常存在一定的损耗定的损耗tg N（已知已知）。当电桥平衡。当电桥平衡时，测量值为时，测量值为tg m，有有NXNXNXmtgtgtgtg
14、tgRCtg1)(44由于由于tg N1, tg X100%时，测量时，测量和和更灵敏更灵敏0II0CC三相电流之和的在线检测三相电流之和的在线检测 上述分析表明上述分析表明 ，与介质损耗因数或电容量变化相比，监，与介质损耗因数或电容量变化相比，监测流经绝缘电流的变化对发现绝缘缺陷更为敏感。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。点有电流流过。UUUYYY影响因素影响因素n 三
15、相电压不平衡。三相电压不平衡。n 各相设备间对地阻抗有差异。各相设备间对地阻抗有差异。一般电容性设备在出厂一般电容性设备在出厂时，允许其电容量存在时，允许其电容量存在10%的误差。所以只有当缺陷使其的误差。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。等值导纳变化很大时，这种方法才是有效的。n 杂散电流干扰。杂散电流干扰。UUUYYYYYYIIddIIIIIk00 为了补偿临近设备造成的感应电流的影响等，提高信噪比，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。实际测量的是中性点的不平衡电压。中性点三相不平衡电压法中性点三相不平衡电压法UUUY
16、YYRRRRr RRB和和RC可调可调是补偿用电阻。是补偿用电阻。UUUYYYRRRRr 在三相设备正常情况下，先调节补偿电阻，使三相不平衡在三相设备正常情况下，先调节补偿电阻，使三相不平衡电压电压U0降到零或极小值。降到零或极小值。 当某一相设备出现缺陷时，当某一相设备出现缺陷时， U0将显著增长，其灵敏度比将显著增长，其灵敏度比三相不平衡电流法高得多。三相不平衡电流法高得多。 以以70层电容层相串联的电容套管为例，电容量为层电容层相串联的电容套管为例，电容量为800pF，正常情况下正常情况下tg =0.3%。当某一电容层。当某一电容层tg 增大时。各参量均有增大时。各参量均有增长，但以三相
17、不平衡电压增长最为明显。增长，但以三相不平衡电压增长最为明显。 当当70层中有一层缺陷增大时总体参数的变化。层中有一层缺陷增大时总体参数的变化。 一般当此三相不平衡电压一般当此三相不平衡电压U0升高到数百微伏时，往往反映升高到数百微伏时，往往反映可能有明显缺陷。可能有明显缺陷。U0与缺陷与缺陷tg 的关系的关系 对比结果表明，当对比结果表明，当一层缺陷进一步恶化时，一层缺陷进一步恶化时，| C/C0|和和| I/I0|的变化都的变化都不超过不超过2%，而三相不，而三相不平衡电压却增大若干倍。平衡电压却增大若干倍。因此三相不平衡电压对因此三相不平衡电压对缺陷的反应远比测量电缺陷的反应远比测量电流
18、或电容灵敏。流或电容灵敏。影响因素影响因素n 因是三相电流的汇总，所以三次谐波影响严重。因是三相电流的汇总，所以三次谐波影响严重。 目前电网三次谐波分量较大，有时可达目前电网三次谐波分量较大，有时可达I的的15%。如果要求信噪比至少为如果要求信噪比至少为2（SNR2）则则时，才能较准确地测量，这显然是时，才能较准确地测量，这显然是不合要求的。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，抑制比应为比应为300倍倍(50dB) ，才能保证，才能保证 时时, 既可测出。既可测出。hhhIYIYIUYIISNR3133IISNRYY
19、h39 . 015. 032YY003. 0YY影响因素影响因素n 由于这种方法必须在一次回路中接入取样电阻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，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。不堪设想。4.5 监监 测测 装装 置置 运运 行行 实实 例例北北 京京 地地 区区 1 座座 500 kV、8 座座 220 kV 变变 电电 站站 安安 装装 了了 9 套套 电电 容容 型型 设设 备备 在在 线线 监监 测测 装装 置置u 监监 测测 设设 备备 总总 数：数：890 台台 (支支) 其其
20、 中：电中：电 流流 互互 感感 器：器：468 台，台， 电电 压压 互互 感感 器：器：172 台台 变变 压压 器器 套套 管：管：120 支，支， 耦耦 合合 电电 容容 器：器：112 台台 穿穿 墙墙 套套 管：管： 18 支支u 1999 年年 投投 运运 至至 今，已今，已 2 年年 多多u 正正 常常 设设 备备 的的 电电 容容 值值 基基 本本 在在 额额 定定 值值 的的 1 % 内内 波波 动，动， 最最 大大 不不 超超 过过 3 % 大大 多多 数数 的的 tan 随随 温温 度度 上上 升升 而而 增增 加，少加，少 数数 不不 变变 或或 下下 降。降。 同同
21、 一一 设设 备备 测测 得得 的的 介介 损，一损，一 天天 内内 作作 有有 规规 律律 的的 变变 化。化。 同同 一一 设设 备备 第第 2 年年 的的 介介 损损 时时 间间 变变 化化 曲曲 线线 与与 上上 一一 年年 相相 近。近。 98.12 99.03 99.06 99.09 99.12介介 损损 变变 化化 曲曲 线线1999. 03 . 20 22 介介 损损 变变 化化 曲曲 线线1999. 03 2001. 05 介介 损损 变变 化化 曲曲 线线u 研研 究究 表表 明明 ：传：传 感感 器器 特特 性性 会会 受受 温温 度度 影影 响响 。校。校 正正 方方
22、法法 如如 下下 。 测测 量量 每每 个个 传传 感感 器器 的的 温温 度度 特特 性，进性，进 行行 校校 正。正。 将将 每每 台台 设设 备备 同同 月月 同同 日日 测测 得得 的的 介介 损损 进进 行行 比比 较较 ， 分分 析析 设设 备备 介介 损损 是是 否否 发发 生生 影影 响响 正正 常常 运运 行行 的的 变变 化化 。 例例1999. 01 2000. 09 介介 损损 变变 化化 曲曲 线线2000 年年 与与 1999 年年 同同 日日 介介 损损 差差u 根根 据据 监监 测测 装装 置置 的的 监监 测测 结结 果果 已已 发发 现现 8 起起 220 kV 或或 500 kV 电电 流流 互互 感感 器器 介介 损损 严严 重重 超超 标标 的的 缺缺 陷陷GAMMA系统系统 用于电力变压器套管的在线检测，主要测量电容量和介用于电力变压器套管的在线检测，主要测量电容量和介质损耗。质损耗。安装电流传感器取代安装电流传感器取代套管的末屏接地端子套管的末屏接地端子. .在线监测设备的原理图在线监测设备的原理图待测试品参考试品C1, 1F1K1C2, 2K2F2I1, I2, 测试结果测试结果
