（电气工程专业论文）电容型设备绝缘带电检测与故障诊断的工程应用研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 本文所研究的主要内容是基于工程应用的电容型设备绝缘在线检测方法的 评价，以及现场故障诊断判据的研究。在对国内各种检测方法调研和理论分析的 基础上，改进了原有的测试仪器和数据处理方法。经过长期的现场实际测试，积 累了大量的设备停电与在线测试的数据。通过对测试数据的分析，提出了以重复 性、规律性、稳定性、测试精度、漏判率和误判率六项指标为核心的在线测试方 法评价体系的构想。对现场实际测试中影响应用效果的因素提出了解决和改进的 建议。在方法评价体系应用和对现有实测数据统计、分析的基础上，提出了2 2 0 k v 和l i o k v 电容型电流互感器现场带电测试的故障和隐患判据，并提出了关于设备 使用寿命和剩余寿命判定的建议。 关键词：工程应用，带电测试，方法评价，判据 a b s t r a c t e v a l u a t i o no fo n - l i n et e s t i n gm e t h o da n dt h ec r i t e r i o n 、i t l lf a u l td i a g n o s i s i n gt ot h e i n s u l a t i o no fc a p a c i t i v ee q u i p m e n t sb a s e do ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ni ss t u d i e di nt h i st h e i s b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so f t e s tm e t h o d su s e di nc h i n a , w ei m p r o v e d t h em e a s u r i n gi n s t r u m e n ta n dh i sd a t a p r o c e s s i n gt e c h n i q u e w i t hal o n gp e r i o df i e l d m c a s u r e m e n t w cg e tag r e a td e a lo ff i g u r e so fo n - l i n et e s ta n do f f - l i n et e s t b a s e do nt h e a n a l y s i so f t h e s ef i g u r e s ，w ed e v e l o p e dt h ei d e ao f e v a l u a t i o ns y s t e mo f o n - l i n et e s t i n gm e t h o d s ， i n c l u d i n gr e p e a t a b i l i t y 、r e g u l 鲥t y 、s t a b i l i t y 、p r e c i s i o n 、o m i t i n g - r a t ea n dm i s t a k i n g - r a t e g i v e s o m ea d v i c eo nh o wt or e d u c et h ei n f l u e n c yo f f i e l dt e s t o nt h eb a s i so f a p p l i n gt h ee v a l u a t i o n s y s t e mo fo n l i n e t e s ta n ds t a t i s t i c a la n a l y s i sa b o u tt h e s ef i g u r e s ，s u m m a r i z e dt h ec r i t e r i o n a b o u tf a u l t sa n dh i d d e nd e f e c t sw i t h2 2 0 k va n dll0 k vc a p a c i t i v ec u r r e n tt r a n s f o r m e ri nl i v et e s t , a n da l s og i v es o m ea d v i c eo nh o wt oe x p e c tt h er e c i d u a ll i f eo f e q u i p m e n t s w a n gw e nl i ( e l e e t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l uf a n gc h e n g k e y w o r d s ：e n g i n e e r i n ga p p l y ，l i v et e s t ，m e t h o de v a l u a t e ，c r i t e r i o n 2 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电容型设备绝带电检测与故障诊 断的工程应用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定。即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 心 e t 强：鳖 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景与研究意义 高压电气设备的安全运行是电力系统安全、稳定、经济运行的前提条件，高压 电气设备发生事故，不仅会造成设备本身损坏，造成局部供电中断，而且还会造成 电网的波动、振荡，影响供电质量，甚至引发电网事故。据文献统计，“八五”期 间，我国主要电网中由于电气设备故障而直接引发的电网事故约占事故总量的 2 6 3 。随着目前特高压电网的建设，电压等级越来越高、设备容量越来越大，使 得每年因停电检修造成的对外供电中断的影响越来越大，不仅影响了供电的可靠 性，也大大提高了检修成本提高。同时用户对供电可靠性和供电质量要求进一步提 高，这对电力设备的维护提出了更高的要求【1 , 2 】。 目前，我国电力生产部门对电力设备的维护工作主要是采用定期检修模式，即 按照电气设备预防性试验规程的要求定期进行预防性试验，或按照设备检修导 则的要求定期进行大修和中、小修。这种模式对发现设备缺陷，防范设备故障，保 障设备和电网安全运行等方面起到了积极的作用p 4 】。但是随着系统的发展，特别是 近些年，各地变电站与设备数量的增长非常迅速。据统计，从9 8 年至0 6 年间，河 北省电力公司年平均设备容量的增加就超过了1 0 0 , 6 ，而公司职工人数在近些年每年 增加平均不超过1 。也就是说近八年间，河北省电力公司设备容量增长超过一倍。 人员增长总共不超过1 0 。全国其它地区情况大体相同，个别地区，个别专业的情 况更为突出。如此尖锐的矛盾也使得电力生产部门迫切需要采取有效方法，提高检 修资源的合理配置与利用。而周期性检修预试模式存在的劳动强度大、试验周期长、 缺陷检出时效性差等问题逐步成为制约电力系统发展的因素之一。周期性预试不可 避免造成人为供电中断，影响电网运行的经济性，同时还会造成对某些设备的过度 检修，不仅是对检修资源的浪费，还可能由于工艺质量不高而造成设备健康状况的 下降。据文献 5 统计某省设备故障情况，发现9 0 的设备故障都是在预防性试验合 格的情况下发生的。特别是停电试验施加的试验电压远低于设备运行电压，对某些 发展较慢的潜伏性缺陷的检出不够灵敏。更不要说做到状态维修“早发现，早诊断。 早预防，早治理”的四早原则，所以说状态维修逐步替代定期维修是电力系统设备 维修发展的必然趋势，这也是设备检修部门从以消缺为主要工作的被动检修向以定 期大修、改造为主的主动检修过渡，进而实现以有针对性的日常维修为主的预防性 检修的必然过程。 状态维修强调根据设备的实际状况出发，只在需要时安排检修维护，这样不仅 可以减少不必要的停电检修，同时由于工作的预见性和针对性强，可以及时地发现 设备的早期绝缘缺陷，防止突发性事故发生，有效地延长了设备的使用寿命。特别 华北电力大学工程硕士学位论文 是在当前，各电力生产部检修维护工作量相对超速增长的时期，实现检修资源的优 化配置具有特别的意义。据有关资料统计【“，设备状态维修的经济效益非常显著， 可使设备维修费减少2 5 5 0 $ ，设备故障率减少7 5 。因而状态维修己得到国内外 许多电力生产、经营部门的关注，有些部门已经开始具体实施，如河北省电力公司 已经制定并下发了基于电力设备状态诊断技术导则，全面推行状态维修。 电容型设备是重要的输变电设备，主要包括电容型电流互感器、电容型套管、 耦合电容器、电容式电压互感器等，数量约占变电站设备总量的4 0 5 0 ，在变电 站中占有重要地位。因而实现电容型设备的状态维修对全面实施状态维修具有重要 意义【”。实现设备状态维修的前提条件是对设备健康状况的了解，特别是其绝缘状 况。只有通过各种手段及时、准确地掌握运行设备的绝缘状况，才能根据设备的监 测参数及其变化趋势等确定维修策略。因此，实现设备绝缘的在线检测势在必行。 在线检测测是在设备运行中，追踪测试或随时监测绝缘状况，因为绝缘的劣化、缺 陷的发展，虽然具有统计性，发展速度也有快有慢，但大多数都有一定的发展期。 在这期间，会发出反映绝缘状态变化的各种信息。对电力设备进行在线监测，可以 及时和大量地取得各种即使是很微弱的信息，对这些信息进行处理和综合，就可以 对设备绝缘的可靠性做出判断和对绝缘寿命做出预测，必要时还可提供预警或规定 的操作。这样既可避免绝缘缺陷的扩大导致事故，也可避免盲日停电进行绝缘试验。 同时，现代技术的飞速发展，特别是电子、计算机和各种传感新技术，也为开展电 力设备绝缘的在线监测提供了有利条件【5 ”l 。 在线检测技术按数据的连续性可分为带电测试和在线监测两类。带电测试是指 在设备处于运行状态的条件下，通过便携式测试仪器对设备进行绝缘状况的单一时 间点的测试。其特点是数据对应的是单一时间点，不能进行连续测试。在线监测是 指在设备处于运行状态的条件下，通过传感器、数据测试单元和数据处理与记录单 元，对设备进行绝缘状况的连续测试。其特点是数据对应的是一段时间，是连续的。 带电测试采用的方法主要有电桥平衡法、过零比较法、谐波分析法等，各种方法在 现场测试中都有应用。在线监测按实现方式可分为分散式和集中式两种，分散式主 要是靠就地的数据采集单元进行数据采集、处理与分别记录：集中式除通过就地采 集单元进行测试外，还通过数据传输线将所有被测设备数据进行集中记录与管理的 在线测试方式。可以说在线监测技术的发展过程是沿着带电测试分散式在线 集中式在线这一条脉络循序渐近的发展过程。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 1 2 电容型设备绝缘检测的研究现状及存在的问题 1 2 1 国内外研究应用现状 与传统的预试方法相比，带电测试和在线监测能够较好地克服传统预试方法的 不足，有其技术上的先进性。近几年来国内外普遍加快了电气设备的带电测试与在 线监测的研究和应用步伐【1 0 14 1 。 1 、美国 据资料介绍，美国于1 9 9 5 年颁布过“电气设备绝缘诊断方法导则”，已转向以 在线监测为主，所采取的技术有：油中溶解气体分析、超声波探测、局部放电检测、 红外测温、振动分析等，已制定出有关标准，对试验数据的处理运用了模糊逻辑， 通过分析判断能够对问题缺陷提出处理建议，并给出建议的置信度。目前已应用的 在线监测装置有：变压器油中氢气浓度、发电机工况在线监测分析、光纤红外技术 监测变压器内部温度变化、变压器、c t 、电缆中局放监测等。 2 、日本 日本8 0 年代开始进入了以状态监测为基础的预知维修时代，其该项技术的研 究与应用进展很快，并已积累了大量数据与经验，逐步形成了一些标准和较成熟的 方法。所采用的技术有：变压器寿命诊断，以温度特性、局部放电、纸的抗拉度、 聚合度、c o + c o z 等来预测剩余寿命、g i s 的监测项目为内部电晕、分解气体、超声、 温升等，并累积数据连续分析。 3 、中国 国内带电测试和在线监测正处于第二个发展高峰期，已研制出变电站绝缘在线 监测装置、变压器局放和油中色谱分析、避雷器泄漏电流、设备红外测温等。在数 据的分析诊断中己采用了模糊逻辑、人工神经网络、专家系完成。由于在变电站内 容型设备的数量优势，电容型设备绝缘的在线检测与故障诊断成为了开展较早和较 多的在线检测工作之一。各大院校与研究机构进行了全方位探索与努力，国内如武 汉高压研究所、西安交通大学、武汉大学电气工程学院( 原武汉水利电力大学) 、 清华大学、中国电力科学院等科研院所，初步形成了关于容型设备在线监测的相关 理论体系并实现了传感器技术、数据处理技术、数据传输等细节、关键技术的突破， 为电容型设备的在线监测、诊断提供了强有力的技术支持。各生产厂家如广州科立 公司、武汉高德公司、马鞍山万源公司等厂商也在各种技术支撑的前提下，投入了 大量的力量进行研究与开发，推出了各种不同的产品。各电力生产部门也对几乎所 有成熟、不成熟的产品进行了试用。近年来，国外厂商如美国a v o 公司、澳大利亚 红相( r e dp h a s e ) 公司、德国的l d i c 公司也相继推出了各自的产品。并在国内有 些变电站安装了其自行研制的监测系统。整个监测系统的开发已从最初的分散式， 华北电力大学工程硕士学位论文 发展到目前应用较多的集中式，当前随着分层分布式技术、总线技术和w e b 技术的 广泛应用，整个系统的研发正朝着多层应用体系的方向发展。 1 2 2 应用中存在的问题 已实际投运的产品运行效果并不理想，没有取得预期的经济效益和社会效益。 据文献 9 统计，截至1 9 9 8 年底，在全国调研的5 7 个系统中，能正常运行的只占 3 0 ，已不能正常使用或处于瘫痪状态的占3 6 。近几年就笔者经调研与了解得到的 情况，近几年，在理论研究与测试方法的实验室验证方面已取得了一些进展，但在现 场应用的效果上看，特别是可以较稳定地提供在线检测数据而且使用超过三年以上 的在线检测方法并不多也就是说在近几年的方法应用环节上进展并不大。其中的 问题是多方面的，在管理维护、质量监督、设计标准以及关键技术环节等方面都存 在问题。特别应该指出的是，从八十年代初，安徽省电力公司进行高压电容型带电 测试技术的研究开始，到0 6 年底为止，我国的容型设备在线研究工作已进行了二 十多年，可是这二十多年的时间一直未能出台有关容型设备在线检测的方法选用原 则与在线监测的判定导则或试验规程。这不能不说是工程应用研究的严重缺位。同 时市场上的各种在线监测产品良莠不齐，不仅大大浪费了研究资源和电力生产部门 的资金与热情，同时还严重影响了我国在线研究工作的和谐有序发展。 不同的在线监测手段，在监测技术发展的过程中，其存在的意义是各不相同而 且不可替代的。带电测试要达到的目的有两点，一、提供可以替代停电预试的可靠 手段与方法。二、进行数据的积累，为进一步的数据分析甚至判据研究提供基础。 所以带电测试的研究是多种方法进行全面尝试的过程。测试数据的稳定、设备缺陷 的高检出率以及测试过程安全、简便而且低强度是评价一个好方法的基本条件。其 最终目标是以可以部分或全部地取代停电检测，大大缓解生产人员设备维护任务过 重的问题，同时为电力企业提供可靠的运行检测手段。分散式在线要达到的目的主 要是对设备全天候运行状况的记录与分析，以达到了解设备在各种运行状况下的状 态，从而实现关于设备绝缘状况研究的细化。所以分散式在线研究是数字测量技术 和自动化技术的全面应用的研究，其评价标准应该是除带电测试评价标准之外再加 上全天候工作能力及数据可靠存储能力。其最终目标是实现取代周期性维修、试验 的模式并实现现场的无人操作测试。而集中式在线是相对技术成熟、判据明晰之后， 对设备进行全寿命的实时绝缘状况记录。其目的是实现设备的全寿命分析以及运行 过程的细节分析。用以实现对设备未来运行状况的预测。无论带电测试还是在线监 测，其最终目标就是全面实现状态预测与预控，真正实现对设备的状态维护甚至是 预知性防护。 就目前在线检测技术应用的角度而言，存在着一定的功利行为和好高骛远。在 带电测试技术尚不成熟，数据积累程度不足还未形成基本判据的的情况下，盲目地 华北电力大学工程硕士学位论文 大范围推行在线监测，不仅不能实现对设备的全寿命实时监测，还造成了人力、物 力的极大浪费，特别是在当前，停电试验的替代手段还尚不成熟，人员与维护工作 任务矛盾突出并且尖锐的情况下，大范围使用尚不成熟的在线监测技术，显常是远 水不解近渴的。工程应用技术人员更应该踏下心来，多从现场应用入手，从实验数 据入手，总结故障判断的规律，研究可减少或替代停电实验的办法，这也许是对在 线技术研究最大的支持。 1 3 论文中的主要工作 从原则上讲，任何一项技术的成熟都不是一蹴而就的。它必定包含了完善理论 的支持，可行性方法的筛选和实践应用的检验。电容型设备的在线检测也是如此。 近几年随着理论研究工作的不断深入，电容型设备已经具备了较为完善的理论支撑 体系，同时在实现方法和手段上也呈观出百家争鸣的局面。但是在实践应用上，由 于众多不确定因素的综合作用，使得测试结果往往不能满足现场实际应用的要求， 从而又引发了一轮又一轮的理论和方法的研究。如此循环往复，才形成了如前所述 的二十年磨一剑的局面。而实际从事生产实践的一线技术人员，也就由于缺乏有效 测试手段而无法形成数据积累，以至于合格判据的研究也因此而裹足不前。其实从 理论到实践的过程是研究中常用的手段，但这并不是唯一的手段。从实践应用出发， 从监测效果出发，对现有技术手段的有效性进行认真分析，选择现有技术水平条件 下可以达到稳定、真实、有效基本要求的测试数据进行实践积累，从而就可以躲过 方法的瓶颈，绕过电子产品的温度陷阱，屏蔽诸多不确定干扰因素的影响，直接采 集有效的数据，并加以分析和研究，同样可以实现对判据的研究。 论文就是在这一研究思路下，基于实际工程测量应用角度，从选择有效方法， 积累有效数据，进而开展对运行电压下的设备健康状况测试判据进行研究。主要包 括以下工作： 论文就是在这一研究思路下，基于实际工程测量应用角度，从选择有效方法， 积累有效数据，进而开展对运行电压下的设备健康状况测试判据进行研究。主要包 括以下工作： 1 ) 了解现有在线检测技术的发展状况，特别是近几年提出或应用的带电测试 与在线监测方法，对各种方法从原理上进行分析，以达到工程测量要求为原则，对 所现在国内应用较多的带电测试与在线监测方法与应用技术进行有效性分析。 2 ) 对现有设备带电或在线测试的接口进行标准化改造，并规范停电测试的方 法，以方便进行数据分析，同时对现已实施的带电测试方法进行数字化改造，提升 测试的精度，方便测试和记录。 3 ) 从测试结果出发，研究测试方法的评价。从现场技术实现的效果来检验所 华北电力大学工程硕士学位论文 研究方法的实用性，从现场所得试验数据的重复性、规律性、稳定性、测量精度以 及漏判率、误判率等方面对测试方法进行综合评价。从而确定实用性较高而不仅仅 是科技含量高的带电和在线测试方法，并初步形成带电测试方法的选用原则。 4 ) 结合方法研究和判据的研究，对测试所得的数据进行分类整理和统计，利 用各种数据分析手段及现场实际经验总结数据规律，从而提出可应用于现场粗判的 工程判定依据。并通过核对性试验和现场数据进行工程判据的验证。 5 ) 针对带电和在线监测应用中的共性的问题，从实测数据入手，进行分析总 结，并提出个人见解和解决的建议。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章介损角测量方法及其影响因素分析 2 1 介损角测量方法 2 1 1 介损角测量分析 电力系统中电容型电气设备主要包括电流互感器、高压电容式套管、耦合电容 器、电容式电压互感器、补偿电容器等。其绝缘结构可以看成是若干个电容串并联 构成的。实践证明，在运行电压下，检测其电流、电容量、和介质损耗角正切值能 够判断其绝缘状态。其中介质损耗角正切值( t a n 8 ) ，也称介质损耗因数( d i e l e c t r i c d i s s i p a t i o nf a c t o r ) ，简称介损角或介损，是表征绝缘在交变电压作用下比损耗大小 的特征参数，它仅取决于材料的特性而与绝缘体的形状和尺寸无关，所以t a n 8 作为 反映设备整体绝缘状况的参数是非常有效的。它是绝缘性能的基本指标之一。在交 流电压作用下电容型设备的绝缘特性如图2 1 所示【”】。流过介质的电流，可看成由 电容电流分量屯和有功电流分量k 两部分组成，通常j 。 k 。 i 牲j ri ji c x ci 图2 1 电容型设备绝缘等值电路与相量图 为分析电容型设备的绝缘特征参数t a n 6 的变化随局部缺陷变化的情况，采 用图2 2 所示的等值电路，设无缺陷时电流为j 。，有缺陷电流为，。 则： 越= i i o = u ( y y o ) = u a y 式中： y o 一绝缘完好时的导纳 k 2 归蕊c o c y 一绝缘有缺陷时的导纳 ( 2 1 ) i 。i 上 图2 2 电容型设备缺陷等值电路 r i l 。日 上工t 华北电力大学工程硕士学位论文 y j a x 7 o ( 1 + j 国c ) 卜雨 n 局+ ( 亡+ _ ，n c ) 将y o 、y 表达式带入2 一l 式，可以得到； i o j 百c o 冠c j m l 归刊 令：工= 历i ，| | = 百c c c 得到： a x1 厶 k r 因为：毒= c o c l r = t a r i 艿带入上式得到： 撕扯堕k 南k 。z f ，+ l 、 圈2 - - 3整体介损角随局部缺陷介损角的变化倩况 8 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 3 为整体介损角随局部缺陷介损角不同时的分析图。从图中可以看出， 随着局部缺陷的增长，整体绝缘的介损角也随之增长，同时局部缺陷的电容占总电 容的比例越小，检测整体介损角的变化越大，这说明检测绝缘介质的介损角可以很 好的反映绝缘状况。 2 1 2 介损角的离线测量 一、电桥法测量分析 r 3 ：可调无感电阻。 图2 4 ：西林电桥的测试电路 c n ：高压标准电容器的电容； c 4 ：可调电容； p ：交流检流计。 调节r 3 和c 4 ，使电桥达到平衡，即通过检流计p 的电流为零，此时有 u f a u a d = u f b u b d 。由于通过桥臂f a 和a d ，f b 和b d 的电流分别均为i i 和1 2 ，所 以各桥臂电压之比即相应的桥臂阻抗之比，即z l z 3 = z 2 z 4 或z i z 4 = z 2 2 3 。 托2 i 2 丽1 ，z 2 2 两1 _ 2 再1 求得试品电容和等值电阻： q 2 而r 丽4 c n 翮 ( ：一5 ) b ：骘筹掣 ( ： 2 c 4 碍c 9 华北电力大学工程硕士学位论文 介质并联等值电路的介质损耗角正切 蚀扣磊乏圳c 4 凡( 2 - - 7 ) 因为( ，= 2 ，产1 0 0 ，取1 7 , 4 = 1 0 0 0 0 ( o ) ，则t a n6 = c 4 ( c 4 以j f 来计) 。 由于t a n6 t a n6 正； 若t a n6 正 t a l l 6 其它，则t a r t6 反 t a n6 正。 正接线测得t a n6 与反接线测得的t a n6 差分布情况如图2 1 0 所示，从图中可 以看出，正反两种接线的测量结果相差在o 0 1 0 0 5 的最多。 三、两种接线方式的综合分析 正接线测量电容式电流互感器主绝缘的t a n6 与反接线相比有五大优势：一是 不受次对二次绕组的t a n6 影响；= 是不受高压端及引线对地杂散电容的影响； 三是不受空气湿度的影响；四是如果发现缺陷，能直接排除末屏受潮的可能性；五 是不用拆接设备的一次连接线，节省试验时间，提高了工作效率和工作的安全性。 除了以上五个直接因素外，还有一点是正接线测得的电容量是一次主绝缘的电 容量，与出厂值可比，使试验人员更容易从电容量上发现设备的缺陷。同时，不拆 一次引线的c t 正接线测试方法的现场测试环境更接近于带电测试环境，可以无形 之中减少了停电与带电测试数据的可比性，对今后ct 在线监测数据的分析中提供 可靠的参考。 综合以上分析，保定供电公司在2 0 0 3 年之后的预试中对电容式电渡互感器均 采用了正接线测量t a n6 及其电容量的方法。停测试方法的统一，为准确评价测试方 法与测试数据的准确性扫清了大障碍。 2 ，3 介损角的带电测量 目前的我们应用时间最长的介损角带电测量带电测试方法主要是基于电桥原 理【1 9 1 ，在应用过程中存在以下两个有关问题，分别分析如下： 一、分漉电阻问题 当用西林电桥检测时，采用正接法( 见图2 4 ) 时，可能会出现流经r 3 的电旒 过大，使其过热或烧坏电阻r 3 的情况。解决办法是在r 3 的桥臂上接分流电阻，以 减小流经r 3 的电流。其接线图及分流电阻如图2 1 l 所示：其中。分流电阻与锾 调电阻之和为1 0 0 q 。分流电阻与试品电容的关系如表2 2 所示。 表2 - - 2 分流电阻与试品电容的关系 分流电阻各档位的最大o 0 l0 0 2 5o 0 6o 1 51 2 5 允许工作电流( a ) 分流电阻r n 值( q ) 6 02 5l o4 试品电容值( p f ) 3 1 0 38 + 1 0 31 9 4 + 1 0 34 8 * 1 0 34 + 1 0 5 4 华北电力大学工程硕士学位论文 接c x 分流电阻 d 图2 - - i l 接线图及分流电阻示意图 当电桥平衡时，其等值电路如图2 1 2 所示。 a 计 图2 1 2有分流电阻时的电桥平衡等值电路 存在： 型：墨d = 墨! 旦墨! l ，r 。 华北电力大学工程硕士学位论文 凼为： 弘等，厶= 而学鬲 可以得到： 1 3 1 3 ：生：墨! 旦墨! ( 2 - - - 1 2 ) i ，1 3r ， 进而得到： 蜘纽舢沪而r 州，j 如鸠) = 钟且糌( 2 - - 1 3 ) 蜘l 去恤州一丽r 4 z ，t c r , = o ) u n c t c r 4 = 钌以r ( 2 - 1 4 ) 因她砒，删蚂玑警岩= 粥n u , r 4 妣 c 。：c u r 4 ( r u + p + r 3 )( 2 1 5 ) 。 r 。+ r 3 ) 对q s l 电桥：r 。= 9 8 2 f 2 ，p = 1 2 e 2 代入式2 - - 1 5 得到： c ，= 警= 岸掣( 2 - - 1 6 ， t a n 氏= c o c , ( r x + r ) = c o c ，r ，十钟；，= t a n 疋+ a t a n 以 ( 2 一t 7 ) 那z , ： 协疋= t a n 如一c o c ， ( 2 1 8 ) 即必须考虑分流电阻的影响。 二、用有损电容器代替标准电容器 一般情况下，在电桥法测试时希望c n 没有损耗。但现场没有高电压的标准电 容嚣。不得不用而有损电容器来代替，这时应考虑t a n 氏对测量的影响。 由图2 4 可以得到： z ”= + 击= ! 堕鱼：堕鱼二：竺! ! 二! j 砬n髓q c o c q j a , c , c o c , 6 t a n z ；l l l ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 志 ： 尼 如 样 i l i | 同 乙乙 华北电力大学工程硕士学位论文 h 一 1 1 + 础4 ql + j t a n 塑垒二鱼；塑盘二墨 缸； 1 + j t a n 6 融缸h r i c nt a n 6 t j c o r 4 c ”= c o r 3 c l t 9 8 v j c o r 3 c l + j w c 。r 9 6 nt a n 6 鼍+ r 3 c l t a n 8 u 协正= 器t a u s 一+ 器r a n 6 n 令虚部相等，得到； ， r 4 c 。 i = 一 、r 3 ( 1 + t a n 6vt a n 6 0 代入c x 得： 锄疋：互至掣r4ccn协瓯十至耍雾r4ccn 蚀氏 c 髓 “ c r 4 。 因t a n 氏t a n r 3 。所以可以认为： 出l = a 3 而且她在r 3 上的压降等于a u g 。这样( ，。zo ) u a c , , r 3 于是得到： 口：couacr3：堕丝：墨互：互互：互(3-10)tan口= 一= 2 = = 2 = o 2 = 2 u a , c n r 4r 4c o c vz 4 醌l z q 蛇l 醌l 代入。表达式得： 由式3 1 l 可以看出，电桥的灵敏度与试品的阻抗、所加电压的大小以及标准 电容的大小及r 。有关，选择合适的参数可以提高其检测精度。 为了扩大介损角的测量精度，根据实际要求改进了r c 补偿电路。使之与停电 套 眦 互皈 华北电力大学工程硕士学位论文 试验比较具有更好的对应性。 3 3 带电测量系统的现场测量及分析 在完成了上述准备工作以后，该项目进入了测试阶段，首先在现场调节电容分 压箱，以数字万用表进行测试，分压误差为0 1 v ，完全满足了测试的要求。然后， 我们又对运行设备进行了测试，测试过程中安全情况良好，对设备运行无任何影响。 试验数据反应的趋势基本上与停电试验相吻合，达到了测试预期的目的。 从1 9 9 8 年底到现在，对己装c t 在线测试盒的设备进行了多次测试。在测试中 发现了此测试方法在实际运用上具有一定的优点： 第一、从末屏取信号，低压电容箱分压的采用即保证了测量信号的精度，从很 大程度上保障了人身和设备安全。 第二、接口电路即带电测试盒设计合理，对防止末屏开路设置了多重保护，而 且符合操作顺序，保证了运行设备的安全。 第三、不用接2 2 0 v 交流电源，不仅方便现场测试而且保证测试中不受系统谐 波干扰。 第四、不从p t 上取电压信号在保证测量精度的同时还杜绝了由于人员失误造 成p t 二次短路的可能。 所以此试验方法是一种安全可靠的带电测试手段。与以往的带电测试手段相 比，在保证安全方面是一个相当大的进步。 在测试中还发现了一些问题，主要是带电测试数据与停电测试数据的差异问 题。对此进行了专门的探讨和研究试验。对已有数据进行了统计分析，以停电测试 的数据为标准，计算其误差的百分比，并做出百分比误差的分布曲线，为一个有偏 以酞t g 6c h c 一卜- 一一卜_ 一 一卜_ 一一卜_ 一 一卜一一卜_ 一 ，4 bc 图3 - 6 相间耦合的等值电路 2 8 华北电力大学工程硕士学位论文 移的近似正态分布图。其中有偶然误差原因，也有系统误差原因。主要有以下几点： 一、相间干扰润题 由于被试设备大 多为一字型排列，相邻 相电压作用于被试设 备产生干扰电流，与本 相电流一起流过试品， 进入测量仪器。通常被 试的电容型试品本身 电流主要是外施电压u 相差9 0 。相角的容性 电流尼，而阻性电流厶 只占很小的部分；虽然 由相间电容耦合所形 成的干扰电流本身不 大，但它很少可能与坛 正好同相，这样只要干 图3 - 7 相间耦合的相量图 扰电流影响到该相厶的测值，就会使t a n6 的测量准确度受到很大的影响。其等值 电路如图3 - 6 所示，由于相间电容耦合的影响，使得边相设备上沿高度方向上各处 的不同相。 相间耦合的相量图如图3 7 所示，由相量图分析的结果可知，a 相试品受b 相 干扰电流的影响使其介损增大；b 相受a 、c 相合成干扰电流的影响介损变化不大， c 相受b 相干扰电流影响使介损变小。根据现场经验：对2 2 0 k v 设备，此种干扰约 使介损改变o 2 左右。实际上，现场干扰情况远不止如此。但是，无论电场干扰多 么复杂，只要运行方式不变，干扰是一个固定量，只影响介损的绝对值，其变化的 规律并不会受到影响。若以第一次测试结果为原始数据，历次测试结果与之相比较， 就可以对绝缘变化做出判断。 二、施加电压不同的问题 停电试验时施加的是1 0 k v 的试验电压，而带电测试则是相当于是在相电压下 进行试验。由于加压的不同，必然造成一定的偏差。对于绝缘良好的试品，电压的 变化不会引起介损发生很大的变化。但当试品存在某些绝缘缺陷( 例如受潮，老化 以及内部存在气泡、毛刺等) 时，升高试验电压，会加剧试品绝缘的极化过程，或 者造成气隙、毛刺的局部放电，使介损值增大。因此对于大多数试品而言，带电测 试介损的结果必然大于停电测试的结果。这种测试结果的偏大，反应在分布图上表 华北电力大学工程硕士学位论文 现为曲线的偏移，这是在带电测试中普遍存在的。但是如果带电与停电测试的差异 相差悬殊，在排除测量误差以后，应该考虑设备是否存在某种绝缘缺陷。 三、参考试品之间的差异问题 此方法在原理上就存在有系统误差。该方法测试的结果受参考试品介损的影 响。电桥测得值实际上为参考试品与被试品间的差值。而被试品的介损需用参考试 品的介损值进行修正之后方可得到。第一，参考试品的介损本身就是一个变化量。 第二，用来修正最终结果的参考试品的介损是停电试验的结果，与在线时的情况并 不相同。第三，不同的试验人员可能会选择不同的c t 做为参考。而停电试验时的 标准电容都是经过校验的，其介损几乎为零且基本恒定因此而产生的停电与带电测 试之间的偶然误差是不可避免的。这就使得误差曲线呈正态分布。这种误差可以通 过人为的规定参考试品，分析历次试验的发展趋势予以修正。 华北电力大学工程硕士学位论文 4 1 情况综述 第四章带电测量系统的实践 截至到2 0 0 6 年底，保定供电公司所辖2 2 0 k v 变电站1 5 座，1 1 0 k v 变电站7 t 座。在网运行的2 2 0 k v 容型设备共计5 8 9 台相，1 1 0 k v 容型设备共计2 4 2 6 支。多 年来一直采用周期性停电预试方式对电容型设备进行检测工作。八十年代末开始进 行了高压电容法的带电测试的研究工作，具体方法为在母线上挂接经测试过的标准 电容器，取系统电压信号，从运行容型设备末屏取电流信号，分别引入改造的西林 电桥的两个桥臂。从而测出被试设备的介损值与电容量。由于在母线上挂接电容器 的危险较大且影响系统的稳定，只进行了小范围的试验，并未普及推广，到9 3 年 就停止了试验。9 8 年，在经过了一年的调研与改造的基础上，保定供电公司进行了 低压电容法的带电检测试用工作，并经过近三年的现场监测与数据分析，初步肯定 了测试方法的可用性，并在此基础上逐步进行了推广。同时在2 0 0 1 年保定供电公 司引入了以谐波分析为主要数据处理手段的软件分析法，由于当时的传感器技术不 成熟，温度变化和现场电磁干扰影响问题解决得不好，导致在信号提取方面存在一 定问题 1 9 2 3 】。同时在数据处理环节上也存在着一定的缺陷。经调试与改进效果改善 不明显的情况下，只进行了两年2 5 2 台相的测试后就于2 0 0 3 年停止了此方法的测 试。由此，笔者进行了认真反思与总结，从而开始了对现有测试方法与实测数据有 效性的调研与研究工作。为了方便进行多种测试方法的比较和判定，0 3 年我们对容 型设备的末屏接地进行了统一化处理。无论是否需要断开末屏接地线都不影响设备 运行，同时还保障了较高的安全可靠性。经过两年的综合比较，我们还统一了容型 设备停电试验的接线方式，用正接线和不拆一次引线的方式进行停电试验，减少了 与带电测试环境的差别，增加了带电测试数据与停电测试数据的同一性和可比性， 使试验人员能更方便地进行综合判断。2 0 0 3 年底，与厂家合作对原低电容法带电测 试的方法进行了改进，进一步提高了测试的精度和数据的有效性。从9 8 年低电电 容法带电测试的试用到0 6 年底，我们共进行了9 年6 7 2 0 支设备的测试工作( 每年 两次) 。这九年中，保定供电公司在可以进行带电测试的容性设备的范围内通过各 种手段共发现设备缺陷1 5 ，设备隐患2 8 起。而通过带电测试方法共发现设备缺陷 9 支，设备隐患4 6 支。有力地证明了此方法的有效性。另外，在调研过程中我们与 河北、北京等供电单位积极交流，了解到了一些带电和在线测试的方法和数据。通 过对这些方法和数据的分析，对目前带电和在线测试方法和数据的有效性有了更加 清楚的认识。 华北电力大学工程硕士学位论文 4 2 测试前进行的统一与改进 在实际测试中，考虑到本次研究工作的重点在于测试方法有效往的检验，有效 测试数据的积累以及对已有有效数据的清理、分析和规律的总结。为了消除分析不 利环节和减少系统误差，同时也是为了方便测试和数据分析总结，笔者认为，测试 前进行相关工作条件的规范化是必不可少的。主要有： 4 2 1 现状分析设备测试接口的统一 将设备末屏接地用带屏蔽的测试线引下，通过统一的带过压保护的接线测试盒 后接地。这样做是基于在线检测接口的标准化与可扩展性，使之能通用于各种带电 与在线测试方法。无论直接取末屏信号还是采用穿心c t 进行耦合，都可很方便的 接入，不仅不影响设备运行，还提高了测试人员的安全性，同时增加了不同方法之 间测试数据的可比性。 4 2 2 停电测试数据的改进 我们发现，停电预试时对电容型设备多采用反接线法，而在线测试无一例外的 运用的都是正接线法。由于正反接线之间存在的差异，对在线测试数据的有效性分 析存在着系统误差。2 0 0 3 年我们在分析研究及大量实践测试和对比的基础上，统一 了停电试验方法，此举增加了停电测试数据与在线测试数据的可比性，能够更加真 实的反映出设备运行中的状况。从而减少了了分析判断的干扰因素。 4 3 测试方法的改进 2 0 0 3 年，保定供电公司于2 0 0 0 年底引入的带电测试方法由于重复性差而停止 了进一步的改进与测试。退出了现场实测，并拆除了末屏引下线上装设的穿心c t 。 这标志着在第二次引入新型带电测试方法上遇到了失败。由于未达到合同提出的基 本技术要求，所以并未给厂家支付款项。技术把关和决策上的失误，引起了笔者深 入的思考。在学校与企业导师的指导下，开始了对测试方法评估的研究和故障诊断 判据的分析、研究工作，并开始了对其它测试方法的调研。在分析、调研的基础上， 开始了与厂家人员对原有测试电桥进行了改造。在充分借鉴原有方法中成熟的理念 与方法，吸收失败方法中可取的数字化的测试方向和优势的前提下，不仅改变了信 号引入的方式，还增加了数字滤波、移耜，和积分比较等波形与数据的处理方法。 而且改变了显示、存储、输出方式等，为下一步的在线测试的研究打下了基础。主 要的改进有以下几个方面： 4 3 1 信号提取装置的改进 传感器是整个在线检测系统的输入端，担负着信号提取的任务。它处于强电磁 3 2 华北电力大学工程硕士学位论文 场环境中，容易受到电磁干扰：同时又长期工作在户外，易受温度、湿度等大气条 件的影响。因此，为了在电力系统强噪声干扰环境下准确获取被测信号，用于t a n 6 等绝缘参数在线检测的电流传感器应： ( 1 ) 满足弱电流信号( 毫安级或几百微安级) 的要求，灵敏度高，使输出量能够 灵敏地反映输入量的微小变化，同时二次输出信号应尽可能高。 ( 2 ) 在测量范围内线性度好，输出波形不畸变，被测信号与输出信号之间的角 差变化小。 ( 3 ) 工作稳定性好。当外界条件变化时，输出量应保持不变或在允许范围内变 化。 ( 4 ) 抗干扰能力强，电磁兼容性能好。 为满足测试的要求，采用了单匝穿芯式无源电流传感器进行信号的提取，传感器 的特种铁芯工作在零磁通范围，转换精度高，相角差低。无源电流传感器不需外加任 何辅助电路，结构简单、维护方便、传感器木身性能稳定、价格低廉、使用寿命长。 在用于在线监测时，信号传输过程中极易受到外界大量噪声信号的干扰而失真，直 接影响到整体测量的准确性。但是用于现场的带电测试，就可以避免信号传输带来的 影响，同时由于保定供电公司对设备的测试接口进行了统一化的改进，在断开运行 中的设备末屏引下线时可以很方便的实施，不存在危险因素，所以穿芯式电流互感 器可以与测试设备一起存放，不必在挂接在现场运行环境下，现场接入时只带测试设备， 负载恒定，这样可以将影响c t 性能的温度、输入电流和负载特性变化的影响降到最 低。对保证c t 的良好特性和数据稳定性有着重要的意义。同时铝合金外壳起到了很好 的防水、防电场干扰的作用。 由于在测试仪内部设置了低压桥臂的调节器，所以原测试方法中所用的电容分压箱 就被内部的电容分压调节器取代。 4 3 2 信号的处理 变电站是一次和二次设备最集中的场所之一。一次回路中的开关操作、需电流 及短路电流等可能在接地网上引起电位升高；甚至二次回路中电缆之间的电磁耦合 会对二次回路产生干扰。因此，现场存在大量干扰信号不可避免地会以各种方式进 入绝缘在线检测系统，与被测信号混在一起，使在线检测的灵敏度和可靠性下降。 屏蔽、滤波、接地是抑制电磁干扰最基本的方法，传感器系统主要采取屏蔽方 法，屏蔽结构针对电场和磁场干扰来考虑。屏蔽效能( 也称屏蔽损耗) 是衡量屏蔽效 果好坏的指标，屏蔽效能越大，效果越好。 电磁场的效果与材料、厚度、电磁波频率及干扰源离屏蔽体的距离等有关。通 常采用高电导