教材相对介质损耗因数及电容量比值测试

1、教材相对介质损耗因数及电容量比值测试l【学习情境描述学习情境描述】本学习情境为电容型设备相对介质损耗因数及电容量比值测量学习，本学习情境为电容型设备相对介质损耗因数及电容量比值测量学习，包括其基本原理、操作方法、数据分析等。包括其基本原理、操作方法、数据分析等。l【教学目标教学目标】熟悉电流互感器、电容式电压互感器、耦合电容器和变压器套管等电容型设备相对介熟悉电流互感器、电容式电压互感器、耦合电容器和变压器套管等电容型设备相对介质损耗因数及电容量比值带电检测的基本原理，熟练掌握相对介损和电容量带电检测仪器的现场操作质损耗因数及电容量比值带电检测的基本原理，熟练掌握相对介损和电容量带电检测仪器的

2、现场操作方法、相关注意事项和标准检测流程，掌握检测报告的编制方法，掌握应用相对介质损耗因数和电容方法、相关注意事项和标准检测流程，掌握检测报告的编制方法，掌握应用相对介质损耗因数和电容量比值的带电测试结果分析设备的运行状况。量比值的带电测试结果分析设备的运行状况。l【教学环境教学环境】多媒体教室。配置电流互感器、升压装置、介质损耗因数及电容量带电多媒体教室。配置电流互感器、升压装置、介质损耗因数及电容量带电检测仪、电流取样单元等设备和仪器的高压实验室。检测仪、电流取样单元等设备和仪器的高压实验室。2l【教学目标教学目标】通过本任务的学习掌握电容型设备介质损耗因数及电容量比值的基本知通过本任务的

3、学习掌握电容型设备介质损耗因数及电容量比值的基本知识，了解相对测量法的原理及优点，了解电流取样原理及其装置，掌握仪器的测量识，了解相对测量法的原理及优点，了解电流取样原理及其装置，掌握仪器的测量原理。原理。l【任务描述任务描述】本任务了解电容型设备介质损耗因数及电容量相对测量的原理，了解电流取样原理本任务了解电容型设备介质损耗因数及电容量相对测量的原理，了解电流取样原理及各类装置优缺点。及各类装置优缺点。l【任务准备任务准备】预习电容型设备常见的绝缘缺陷、介质损耗因数和电容量例行停电试验预习电容型设备常见的绝缘缺陷、介质损耗因数和电容量例行停电试验的原理、数字信号处理技术。的原理、数字信号处理

4、技术。l【任务实施任务实施】系统讲解电容型设备介质损耗因数和电容量的带电检测基本原理。系统讲解电容型设备介质损耗因数和电容量的带电检测基本原理。l【相关知识相关知识】电容型设备高电压试验技术、电容型设备绝缘带电检测技术、数字信号处电容型设备高电压试验技术、电容型设备绝缘带电检测技术、数字信号处理技术、理技术、Q/GDW 168-2008Q/GDW 168-2008电容型设备及金属氧化物避雷器绝缘在线监测装置技术规电容型设备及金属氧化物避雷器绝缘在线监测装置技术规范范、国家电网公司、国家电网公司电力设备带电检测技术规范电力设备带电检测技术规范（试行）、（试行）、Q/GDW 168Q/GDW 16

5、8输变电设备状输变电设备状态检修试验规程态检修试验规程、Q/GDW 540.3Q/GDW 540.3变电设备在线监测装置检验规范变电设备在线监测装置检验规范 第第3 3 部分：电容型设备及部分：电容型设备及金属氧化物避雷器绝缘在线监测装置金属氧化物避雷器绝缘在线监测装置3l电介质在电压作用下，由于电导和极化将发生能量损耗，统称为介质损耗，对于良好的绝缘而言，介电介质在电压作用下，由于电导和极化将发生能量损耗，统称为介质损耗，对于良好的绝缘而言，介质损耗是非常损耗是非常微小的，然而当绝缘出现缺陷时，介质损耗会明显增大，通常会使绝缘介质质损耗是非常损耗是非常微小的，然而当绝缘出现缺陷时，介质损耗会

6、明显增大，通常会使绝缘介质温度升高，绝缘性能恶化，甚至导致绝缘熔化、焦化、失去绝缘作用。温度升高，绝缘性能恶化，甚至导致绝缘熔化、焦化、失去绝缘作用。l在交流电压作用下，电容设备绝缘的等值电路如图在交流电压作用下，电容设备绝缘的等值电路如图1 1所示。流过介质的电流由电容电流分量所示。流过介质的电流由电容电流分量 和电阻电流分量和电阻电流分量 两部分组成，电阻电流分量两部分组成，电阻电流分量 就是因介质损耗而产生的，阻性电流分量就是因介质损耗而产生的，阻性电流分量 使使流过介质的电流偏离电容性电流的角度称为介质损耗角流过介质的电流偏离电容性电流的角度称为介质损耗角, ,其正切值其正切值 反映了

7、绝缘介质损耗的大小反映了绝缘介质损耗的大小, ,并且并且 仅取决于绝缘特性而与材料尺寸无关仅取决于绝缘特性而与材料尺寸无关, ,可以较好地反映电气设备的绝缘状况。可以较好地反映电气设备的绝缘状况。此外通过介质电容量此外通过介质电容量C C 特征参数也能反映设备的绝缘状况，测量这两个特征量以掌握设备的绝特征参数也能反映设备的绝缘状况，测量这两个特征量以掌握设备的绝缘状况。缘状况。 （a a） (b) (c)(b) (c) 图图1 1 电容性设备绝缘等值电路电容性设备绝缘等值电路rIrI4l电容型设备通常是指采用电容屏绝缘结构的设备，例如：电容型电流互感器、电容式电电容型设备通常是指采用电容屏绝缘

8、结构的设备，例如：电容型电流互感器、电容式电压互感器、耦合电容器、电容型套管等，其数量约占变电站电气设备的压互感器、耦合电容器、电容型套管等，其数量约占变电站电气设备的 40-50%40-50%。这些设。这些设备均是通过电容分布强制均压的，其绝缘利用系数较高。电容型设备由于结构上的相似性，实备均是通过电容分布强制均压的，其绝缘利用系数较高。电容型设备由于结构上的相似性，实际运行时间可能发生的故障类型也有很多共同点，其中有际运行时间可能发生的故障类型也有很多共同点，其中有1 1、绝缘缺陷（严重时可能爆炸、绝缘缺陷（严重时可能爆炸）包括设计不周全，局部放电过早发生；）包括设计不周全，局部放电过早发

9、生；2 2、绝缘受潮，包括顶部等密封不严或开裂，受、绝缘受潮，包括顶部等密封不严或开裂，受潮后绝缘性能下降；潮后绝缘性能下降；3 3、外绝缘放电，爬距不够或者脏污情况下，可能出现沿面放电；、外绝缘放电，爬距不够或者脏污情况下，可能出现沿面放电；4 4、金属异物放电，制造或者维修时残留的导电遗物所引起的等主要几种，对于上述的几种缺陷类金属异物放电，制造或者维修时残留的导电遗物所引起的等主要几种，对于上述的几种缺陷类型，绝缘受潮缺陷约占电容型设备缺陷的型，绝缘受潮缺陷约占电容型设备缺陷的85%85%左右，一旦绝缘受潮往往会引起绝缘介质损耗左右，一旦绝缘受潮往往会引起绝缘介质损耗增加，导致击穿。增加

10、，导致击穿。l对于电容型绝缘的设备，通过对其介电特性的监测，可以发现尚处于早期阶段的绝对于电容型绝缘的设备，通过对其介电特性的监测，可以发现尚处于早期阶段的绝缘缺陷，缘缺陷， 是设备绝缘的局部缺陷中，由介质损耗引起的有功电流分量和设备总是设备绝缘的局部缺陷中，由介质损耗引起的有功电流分量和设备总电容电流之比，它对发现设备绝缘的整体劣化较为灵敏，如包括设备大部分体积的电容电流之比，它对发现设备绝缘的整体劣化较为灵敏，如包括设备大部分体积的绝缘受潮；而对局部缺陷则不易发现，测量绝缘的电容绝缘受潮；而对局部缺陷则不易发现，测量绝缘的电容 ，除了能给出有关可能引起极化过程改变的介质结构的信息（如均匀受

11、潮或者严重缺油）外，还能，除了能给出有关可能引起极化过程改变的介质结构的信息（如均匀受潮或者严重缺油）外，还能发现严重的局部缺陷（如绝缘击穿），但灵敏程度也同绝缘损坏部分与完好部分体积之比有关。发现严重的局部缺陷（如绝缘击穿），但灵敏程度也同绝缘损坏部分与完好部分体积之比有关。tan5l1 1、相对测量法与绝对测量法、相对测量法与绝对测量法l电容型设备介质损耗因数和电容量比值带电检测，按照参考相位获取方式不同，可以分电容型设备介质损耗因数和电容量比值带电检测，按照参考相位获取方式不同，可以分为绝对测量法和相对测量法两种。为绝对测量法和相对测量法两种。l（1 1）绝对测量法）绝对测量法l绝对测量

12、法是指通过串接在被试设备绝对测量法是指通过串接在被试设备CxCx末屏接地线上，以及安装在该母线末屏接地线上，以及安装在该母线PTPT二次端子上的信号取二次端子上的信号取样单元，分别获取被试设备样单元，分别获取被试设备CXCX的末屏接地电流信号的末屏接地电流信号IXIX和和PTPT二次电压信号，电压信号经过高二次电压信号，电压信号经过高精度电阻转化为电流信号精度电阻转化为电流信号ININ，两路电流信号经过滤波、放大、采样等数字处理，利用谐波分，两路电流信号经过滤波、放大、采样等数字处理，利用谐波分析法分别提取其基波分量，并计算出其相位差和幅度比，从而获得被试设备的绝对介质损耗因析法分别提取其基波

13、分量，并计算出其相位差和幅度比，从而获得被试设备的绝对介质损耗因数和电容量数和电容量, ,其原理如图其原理如图2-a2-a）所示。）所示。6a)测试原理图 b)向量图图2 绝对测量法7l图图2-b2-b）是利用）是利用PTPT（CVTCVT）的二次侧电压（即假定其与设备运行电压）的二次侧电压（即假定其与设备运行电压UnUn的相位完全相同）作的相位完全相同）作为参考信号的绝对值测量法向量示意图，此时仅需准确获得设备运行电压为参考信号的绝对值测量法向量示意图，此时仅需准确获得设备运行电压UnUn和末屏接和末屏接地电流地电流IxIx的基波信号幅值及其相位夹角的基波信号幅值及其相位夹角, , 即可求得

14、介质损耗即可求得介质损耗tantan和电容量和电容量C C，即：，即：ltan= tan(90tan= tan(90-)-)lCx=Icos/UCx=Icos/Ul绝对值测量法尽管能够得到被测电容型设备的介质损耗和电容量，但现场应用易受绝对值测量法尽管能够得到被测电容型设备的介质损耗和电容量，但现场应用易受PTPT（CVTCVT）自身角差误差、外部电磁场干扰及环境温湿度变化的影响。）自身角差误差、外部电磁场干扰及环境温湿度变化的影响。 l（2 2）相对测量法）相对测量法l相对测量法是指选择一台与被试设备相对测量法是指选择一台与被试设备CXCX串联的其它电容型设备作为参考设备串联的其它电容型设备

15、作为参考设备CnCn，通过串接在其，通过串接在其设备末屏接地线上的信号取样单元，分别测量参考电流信号设备末屏接地线上的信号取样单元，分别测量参考电流信号ININ和被测电流信号和被测电流信号IxIx，两路电，两路电流信号经滤波、放大、采样等数字处理，利用谐波分析法分别提取其基波分量，计流信号经滤波、放大、采样等数字处理，利用谐波分析法分别提取其基波分量，计算出其相位差和幅度比，从而获得被试设备和参考设备的相对介损差值和电容量比算出其相位差和幅度比，从而获得被试设备和参考设备的相对介损差值和电容量比值。考虑到两台设备不可能同时发生相同的绝缘缺陷，因此通过它们的变化趋势，值。考虑到两台设备不可能同时

16、发生相同的绝缘缺陷，因此通过它们的变化趋势，可判断设备的劣化情况，其原理如图可判断设备的劣化情况，其原理如图3-a)3-a)所示。所示。8 a) a)测试原理图测试原理图 b)b)向量示意图向量示意图 图图3 3 相对测量法相对测量法9l图图3-b)3-b)是利用另一只电容型设备末屏接地电流作为参考信号的相对值测量法，此时仅需准确是利用另一只电容型设备末屏接地电流作为参考信号的相对值测量法，此时仅需准确获得参考电流获得参考电流InIn和被测电流和被测电流IxIx的基波信号幅值及其相位夹角的基波信号幅值及其相位夹角,即可求得相对介损差值即可求得相对介损差值tantan和电容量和电容量Cx/Cn

17、Cx/Cn 的值，即：的值，即：ltan= tan2- tan1tan(1-2)= tantan= tan2- tan1tan(1-2)= tanlCx/Cn=Ix/InCx/Cn=Ix/Inl相对介质损耗因数是指在同相同电压作用下，两个电容型设备电流基波矢量角度差的正切值（相对介质损耗因数是指在同相同电压作用下，两个电容型设备电流基波矢量角度差的正切值（即即tantan）。相对电容量比值是指在同相相同电压作用下，两个电容型设备电流基波的幅值比（即）。相对电容量比值是指在同相相同电压作用下，两个电容型设备电流基波的幅值比（即Cx/CnCx/Cn）。）。l2.2.相对测量法和绝对测量法的优缺点：

18、相对测量法和绝对测量法的优缺点：l绝对测量法的主要优点是能够直接带电测量电容型设备的介质损耗因数和电容量的绝对值，与绝对测量法的主要优点是能够直接带电测量电容型设备的介质损耗因数和电容量的绝对值，与传统停电测量的原理和判断标准都较为类似，但由于需要从电压互感器的二次获取电压参考信传统停电测量的原理和判断标准都较为类似，但由于需要从电压互感器的二次获取电压参考信号，该方法存在以下缺点：号，该方法存在以下缺点：10l（1 1）测量误差较大，主要由于以下几个方面造成：）测量误差较大，主要由于以下几个方面造成：lPTPT固有角差的影响。根据国家标准固有角差的影响。根据国家标准GB1207-75GB12

19、07-75对电压互感器的角误差的允许值的规定，对对电压互感器的角误差的允许值的规定，对于目前绝大多数于目前绝大多数0.50.5级电压互感器来说，使用其二次侧电压作为介损测量的基准信号，本身级电压互感器来说，使用其二次侧电压作为介损测量的基准信号，本身就可能造成就可能造成2020的测量角差，即相当于的测量角差，即相当于0.0060.006的介损测量绝对误差，而正常电容型设备的介质的介损测量绝对误差，而正常电容型设备的介质损耗通常较小，仅在损耗通常较小，仅在0.002-0.006%0.002-0.006%之间，显然这会严重影响检测结果的真实性。之间，显然这会严重影响检测结果的真实性。lPTPT二次

20、负荷的影响。电压互感器的测量精度与其二次侧负荷的大小有关，如果二次负荷的影响。电压互感器的测量精度与其二次侧负荷的大小有关，如果PTPT二二次负荷不变，则角误差基本固定不变。由于介损测量时基准信号的获取只能与继电次负荷不变，则角误差基本固定不变。由于介损测量时基准信号的获取只能与继电保护和仪表共用一个线圈，且该线圈的二次负荷主要由继电保护决定，故随着变电保护和仪表共用一个线圈，且该线圈的二次负荷主要由继电保护决定，故随着变电站运行方式的不同，所投入使用的继电保护会作出相应变化，故站运行方式的不同，所投入使用的继电保护会作出相应变化，故PTPT的二次负荷通常的二次负荷通常是不固定的，这必然会导致

21、其角误差改变，从而影响介损测试结果的稳定性。是不固定的，这必然会导致其角误差改变，从而影响介损测试结果的稳定性。l（2 2）需要频繁操作）需要频繁操作PTPT二次端子，增加了误碰保护端子引起跳闸的几率。二次端子，增加了误碰保护端子引起跳闸的几率。l相对值测量法能够克服绝对值测量法易受环境因素影响、误差大的缺点，因为外部环境（如温相对值测量法能够克服绝对值测量法易受环境因素影响、误差大的缺点，因为外部环境（如温度等）、运行情况（如负载容量等）变化所导致的测量结果波动，会同时作用在参考设备和被度等）、运行情况（如负载容量等）变化所导致的测量结果波动，会同时作用在参考设备和被试设备上，它们之间的相对

22、测量值通常会保持稳定，故更容易反应出设备绝缘的真实状况；同试设备上，它们之间的相对测量值通常会保持稳定，故更容易反应出设备绝缘的真实状况；同时，由于该方式不需采用时，由于该方式不需采用PTPT（CVTCVT）二次侧电压作为基准信号，故不受到）二次侧电压作为基准信号，故不受到PTPT角差变化的角差变化的影响，且操作安全，避免了由于误碰影响，且操作安全，避免了由于误碰PTPT二次端子引起的跳闸事故。二次端子引起的跳闸事故。11l现场进行电容型设备相对介质损耗因数和电容量比值测试需要获得电容型设备的末屏（现场进行电容型设备相对介质损耗因数和电容量比值测试需要获得电容型设备的末屏（电流互感器、变压器套

23、管）或者低压端（耦合电容器、电容式电压互感器）的接地电流电流互感器、变压器套管）或者低压端（耦合电容器、电容式电压互感器）的接地电流，但由于电容型设备的末屏（或低压端）大都在其本体上的二次端子盒内或设备内部直，但由于电容型设备的末屏（或低压端）大都在其本体上的二次端子盒内或设备内部直接接地，难以直接获取其接地电流，因此需要预先对其末屏（或低压端）接地进行改造接接地，难以直接获取其接地电流，因此需要预先对其末屏（或低压端）接地进行改造，将其引至容易操作的位置，并通过取样单元将其引入到测试主机。，将其引至容易操作的位置，并通过取样单元将其引入到测试主机。l1 1、信号取样单元、信号取样单元l信号取

24、样单元的作用是将设备的接地电流引入到测试主机，测试准确度及使用安全性是其技术信号取样单元的作用是将设备的接地电流引入到测试主机，测试准确度及使用安全性是其技术关键，必须避免对人员、设备和仪器造成安全伤害。目前所使用的电容型设备带电测试取样装关键，必须避免对人员、设备和仪器造成安全伤害。目前所使用的电容型设备带电测试取样装置主要可以分为两种，即接线盒型和传感器型（其中传感器型还可以分为有源传感器和无源传置主要可以分为两种，即接线盒型和传感器型（其中传感器型还可以分为有源传感器和无源传感器）。感器）。l（1 1）接线盒型电流取样单元）接线盒型电流取样单元l接线盒型取样单元串接在设备的接地引下线中，

25、主要功能是提供一个电流测试信号的引接线盒型取样单元串接在设备的接地引下线中，主要功能是提供一个电流测试信号的引出端子并防止末屏（或低压端）开路，但没有信号测量功能，测试时需通过测试电缆将出端子并防止末屏（或低压端）开路，但没有信号测量功能，测试时需通过测试电缆将电流引入带电测试仪内部的高精度穿芯电流传感器进行测量，如图电流引入带电测试仪内部的高精度穿芯电流传感器进行测量，如图4 4所示。该型取样单元所示。该型取样单元主要由外壳、防开路保护器、放电管、短接连片及操作刀闸等部件构成，其中短连接片和刀闸主要由外壳、防开路保护器、放电管、短接连片及操作刀闸等部件构成，其中短连接片和刀闸并接后串接在接地

26、引下线回路中，平常运行时短连接片和刀闸均闭合，构成双重保护防止开路并接后串接在接地引下线回路中，平常运行时短连接片和刀闸均闭合，构成双重保护防止开路，测量时先打开连接片并将测试线接到该接线柱，拉开小刀闸即可开始测量。防开路保护器可，测量时先打开连接片并将测试线接到该接线柱，拉开小刀闸即可开始测量。防开路保护器可有效避免因末屏（或低压端）引下线开断或测量引线损坏或误操作所导致的末屏开路，保证信有效避免因末屏（或低压端）引下线开断或测量引线损坏或误操作所导致的末屏开路，保证信号取样的安全性。号取样的安全性。12 a)内部结构示意图 b)原理图c)外观图图4 接线盒型取样单元13l接线盒型取样单元应

27、满足以下要求：接线盒型取样单元应满足以下要求：l取样单元应采用金属外壳，具备优良的防锈、防潮、防腐性能，且便于安装固定在被测取样单元应采用金属外壳，具备优良的防锈、防潮、防腐性能，且便于安装固定在被测设备下方的支柱或支架上使用；设备下方的支柱或支架上使用；l取样单元内部含有信号输入端、测量端及短接压板等，并应采用多重防开路保护措施，有效防止测试取样单元内部含有信号输入端、测量端及短接压板等，并应采用多重防开路保护措施，有效防止测试过程中因接地不良和测试线脱落等原因导致的末屏电压升高，保证测试人员的安全，且完全不影响被过程中因接地不良和测试线脱落等原因导致的末屏电压升高，保证测试人员的安全，且完

28、全不影响被测设备的正常运行。防开路保护器通常有测设备的正常运行。防开路保护器通常有2 2个大功率二极管反向并联而成，设备的末屏（或低压个大功率二极管反向并联而成，设备的末屏（或低压端）对地电压大于端）对地电压大于1V1V时，防开路保护器即可发生作用，把末屏（或低压端）接地电压限位在时，防开路保护器即可发生作用，把末屏（或低压端）接地电压限位在1V1V之之内，且可长期通过内，且可长期通过5A5A以上的工频电流，同时可承受以上的工频电流，同时可承受10kA10kA的冲击电流。的冲击电流。l对于套管类设备的信号取样，应根据被测设备的末屏接地结构，设计和加工与之相对于套管类设备的信号取样，应根据被测设

29、备的末屏接地结构，设计和加工与之相匹配的专用末屏引出装置，并保证其长期运行时的电气连接及密封性能。匹配的专用末屏引出装置，并保证其长期运行时的电气连接及密封性能。l对于线路耦合电容器的信号取样，为避免对载波信号造成影响，应采用在原引下线上直接套装对于线路耦合电容器的信号取样，为避免对载波信号造成影响，应采用在原引下线上直接套装穿芯式零磁通电流传感器的取样方式。穿芯式零磁通电流传感器的取样方式。l回路导线材质宜选用多股铜导线，截面积不小于回路导线材质宜选用多股铜导线，截面积不小于4mm24mm2，并应在被测设备的末屏引出端就近加装，并应在被测设备的末屏引出端就近加装可靠的防断线保护装置。可靠的防

30、断线保护装置。l取样单元应免维护，正常使用寿命不应低于取样单元应免维护，正常使用寿命不应低于1010年。年。14l（2 2）传感器型电流取样单元）传感器型电流取样单元l传感器型取样单元可分为无源传感器和有源传感器两种，均采用穿芯式取样方式，就近安装在传感器型取样单元可分为无源传感器和有源传感器两种，均采用穿芯式取样方式，就近安装在被测电容型设备的末屏（或低压端）接地引下线上，该型取样单元留有标准航空插头的插孔，被测电容型设备的末屏（或低压端）接地引下线上，该型取样单元留有标准航空插头的插孔，平常运行时插孔有端盖密封，测量时用带有航空插头的试验引线将被测电流信号变换成电压信平常运行时插孔有端盖密

31、封，测量时用带有航空插头的试验引线将被测电流信号变换成电压信号，并引入测试主机进行测量（如图号，并引入测试主机进行测量（如图5-a5-a）所示）。）所示）。l无源传感器由于激磁磁势的存在，测量误差较大，电容型设备末屏（低压端）接地电流无源传感器由于激磁磁势的存在，测量误差较大，电容型设备末屏（低压端）接地电流通常为毫安级，传感器的激磁阻抗很小，而且又必须采用穿芯取样方式，角度差的微小通常为毫安级，传感器的激磁阻抗很小，而且又必须采用穿芯取样方式，角度差的微小变化，即可以引起介损值较大的变化，故无源传感器通常无法保证相位变换误差的精确变化，即可以引起介损值较大的变化，故无源传感器通常无法保证相位

32、变换误差的精确度和稳定性，难以满足介损参数的测量要求。目前该类传感器已逐渐退出应用（如图度和稳定性，难以满足介损参数的测量要求。目前该类传感器已逐渐退出应用（如图5-b5-b）所示）。）所示）。l有源传感器采用有源零磁通设计技术有效提高了小电流传感器检测精度，除了选用起始有源传感器采用有源零磁通设计技术有效提高了小电流传感器检测精度，除了选用起始导磁率较高、损耗较小的特殊合金作铁芯外，还借助电子信号处理技术对铁芯内部的激导磁率较高、损耗较小的特殊合金作铁芯外，还借助电子信号处理技术对铁芯内部的激磁磁势进行全自动的跟踪补偿，保持铁芯工作在接近理想的零磁通状态。有源传感器能磁磁势进行全自动的跟踪补

33、偿，保持铁芯工作在接近理想的零磁通状态。有源传感器能够准确检测够准确检测100100A A1000mA1000mA范围内的工频电流信号，相位变换误差不大于范围内的工频电流信号，相位变换误差不大于0.02,0.02,并具并具有极好的温度特性和抗电磁干扰能力有极好的温度特性和抗电磁干扰能力, ,解决了对电容型设备末屏（或低压端）电流信号精确取样的技解决了对电容型设备末屏（或低压端）电流信号精确取样的技术难题。目前现场应用的传感器型取样单元主要以有源型传感器为主（如图术难题。目前现场应用的传感器型取样单元主要以有源型传感器为主（如图5-c5-c）所示）。）所示）。15l传感器型取样单元应满足以下要求

34、：传感器型取样单元应满足以下要求：l采用穿芯结构，输入阻抗低，可耐受采用穿芯结构，输入阻抗低，可耐受10A10A工频电流的作用以及工频电流的作用以及10kA10kA雷电流的冲击。雷电流的冲击。 l采用完善的电磁屏蔽措施和先进的数字处理技术，可确保介质损耗测试结果不受谐波干扰及脉冲干扰采用完善的电磁屏蔽措施和先进的数字处理技术，可确保介质损耗测试结果不受谐波干扰及脉冲干扰的影响，绝对检测精度应达到的影响，绝对检测精度应达到0.05%0.05%。l采用压铸铝全封闭技术，能够较好的防潮和耐高低温。采用压铸铝全封闭技术，能够较好的防潮和耐高低温。l采用即插式标准接口设计，方便操作。采用即插式标准接口设

35、计，方便操作。 a）外观图 b）无源电流传感器原理 c）有源电流传感器原理 图5 传感器型取样单元16l（3 3）两种取样单元的优缺点比较）两种取样单元的优缺点比较l目前电网中常用的取样单元主要为接线盒型和有源传感器型两种，它们各自的优缺点如下：目前电网中常用的取样单元主要为接线盒型和有源传感器型两种，它们各自的优缺点如下：l接线盒型取样单元的优点：接线盒型取样单元的优点：a a）结构简单，价格相对较低，便宜；）结构简单，价格相对较低，便宜；b b）受现场电磁场干扰较小）受现场电磁场干扰较小；c c）停电例行试验时，可以通过操作取样单元内的刀闸来断开接地，而无需登高打开压接螺母，操）停电例行试

36、验时，可以通过操作取样单元内的刀闸来断开接地，而无需登高打开压接螺母，操作方便且安全性高；作方便且安全性高；d d）只需要对仪器主机器进行定期校验即可，无需对所有取样单元进行定期校验）只需要对仪器主机器进行定期校验即可，无需对所有取样单元进行定期校验；e e）电流信号均采用仪器主机的内置的两个高精度传感器进行测量，测试误差可以相互抵消，提高）电流信号均采用仪器主机的内置的两个高精度传感器进行测量，测试误差可以相互抵消，提高了检测的准确性。了检测的准确性。l接线盒型取样单元的缺点：接线盒型取样单元的缺点：a a）整个末屏（或低压端）接地回路由于串入了刀闸等节点）整个末屏（或低压端）接地回路由于串

37、入了刀闸等节点，存在断路风险，给安全运行带来隐患；，存在断路风险，给安全运行带来隐患；b b）现场测试时，由于需要操作刀闸断开末）现场测试时，由于需要操作刀闸断开末屏接地，存在操作不当造成末屏（或低压端）失去接地的风险。屏接地，存在操作不当造成末屏（或低压端）失去接地的风险。l有源传感器型取样单元的优点：有源传感器型取样单元的优点：a a）穿芯式电流传感器串在末屏（或低压端）接地线上，）穿芯式电流传感器串在末屏（或低压端）接地线上，整个接地回路上无断点，不会给设备运行带来风险；整个接地回路上无断点，不会给设备运行带来风险；b b）现场测试时，接线简单、明了）现场测试时，接线简单、明了，操作方便

38、，且无人员触电风险。，操作方便，且无人员触电风险。l有源传感器型取样单元的缺点：有源传感器型取样单元的缺点：a a）由于其内部采用了电子元器件，其可靠性及寿命均较）由于其内部采用了电子元器件，其可靠性及寿命均较差；差； b b）相对于接线盒型，传感器型取样单元在接地引下回路无断开点，停电例行）相对于接线盒型，传感器型取样单元在接地引下回路无断开点，停电例行试验工作仍然需要登高打开末屏（或低压端）接地压接螺母，较为不便。试验工作仍然需要登高打开末屏（或低压端）接地压接螺母，较为不便。17l2 2、设备末屏（或低压端）引下方式、设备末屏（或低压端）引下方式l电容型设备相对介质损耗因数和电容量比值带

39、电检测需要将设备末屏（或低压端）进行电容型设备相对介质损耗因数和电容量比值带电检测需要将设备末屏（或低压端）进行引下改造，由于各类设备的结构不同，其引下方式也不同。引下改造，由于各类设备的结构不同，其引下方式也不同。l（1 1）电流互感器、耦合电容器）电流互感器、耦合电容器l这两类设备由于结构简单，其末屏引下线方式也较简单。直接将末屏接地打开，用双绞屏蔽电缆引下这两类设备由于结构简单，其末屏引下线方式也较简单。直接将末屏接地打开，用双绞屏蔽电缆引下至接线盒型取样单元接地或穿过穿芯电流传感器接地。至接线盒型取样单元接地或穿过穿芯电流传感器接地。l（2 2）电容式电压互感器）电容式电压互感器l对于

40、中间变压器末端（对于中间变压器末端（X X端）接地可以打开的情况，应选用如图端）接地可以打开的情况，应选用如图6-a6-a）所示的优先方案）所示的优先方案，把，把X X端接地打开，把电容分压器的末端（端接地打开，把电容分压器的末端（N N端）和端）和X X端连接后引下，其优点是所有接地端连接后引下，其优点是所有接地电流均流过测试仪器，全面反映设备绝缘状况。如果电流均流过测试仪器，全面反映设备绝缘状况。如果X X端接地无法打开，可选用如端接地无法打开，可选用如图图6-b6-b）所示的备选方法，可以把）所示的备选方法，可以把N N端和端和X X端连接打开后，将端连接打开后，将N N端单独引下，在这

41、种方式下，端单独引下，在这种方式下，只有大部分电流流过测试仪器，另一小部分电流经中间变压器分流入地，对设备绝缘状况的反应不如只有大部分电流流过测试仪器，另一小部分电流经中间变压器分流入地，对设备绝缘状况的反应不如前者全面。前者全面。18C12C2AXa1x1a2x2afxfN取样单元C12C2AXa1x1a2x2afxfN取样单元 a）优先方案 b）备选方案 图6 电容式电压互感器低压端引下方式19l（3 3）变压器套管）变压器套管l套管末屏接地一般分为外置式、内置式和常接地式，其接地引下改造首先要保证其在运行中不会失去套管末屏接地一般分为外置式、内置式和常接地式，其接地引下改造首先要保证其在

42、运行中不会失去接地。接地。l（1 1）外置式。末屏接地引出线穿过小瓷套通过引线柱（螺杆）引出，引线柱对地绝缘，外部通过接）外置式。末屏接地引出线穿过小瓷套通过引线柱（螺杆）引出，引线柱对地绝缘，外部通过接地金属连片或接地金属软线等于接地部位底座金属相连，如图地金属连片或接地金属软线等于接地部位底座金属相连，如图7-a7-a）所示。）所示。l（2 2）内置式。末屏接地引出线穿过小瓷套通过引线柱引出，引线柱对地绝缘，引线柱外加金）内置式。末屏接地引出线穿过小瓷套通过引线柱引出，引线柱对地绝缘，引线柱外加金属接地盖或接地帽，引线柱和接地盖相连，接地盖直接接地，如图属接地盖或接地帽，引线柱和接地盖相连

43、，接地盖直接接地，如图7-b7-b）所示。）所示。l（3 3）常接地式。末屏接地引出线穿过小瓷套通过引线柱引出，引线柱对地绝缘，）常接地式。末屏接地引出线穿过小瓷套通过引线柱引出，引线柱对地绝缘，引线柱外套有一个连接有弹簧装置的金属套，金属套与引线柱紧密接触，运行时金引线柱外套有一个连接有弹簧装置的金属套，金属套与引线柱紧密接触，运行时金属套受内部弹簧的压力与套管内侧接地金属法兰相连，末屏可靠接地，最外部有金属套受内部弹簧的压力与套管内侧接地金属法兰相连，末屏可靠接地，最外部有金属护套盖保护并密封防潮，如图属护套盖保护并密封防潮，如图7-c7-c所示。所示。 a）外置式 b）内置式 c）常接地

44、式 图7 常见的变压器套管末屏结构20l变压器套管末屏改造主要有两种方式，一种是对末屏帽外形加以改装，将小型化传变压器套管末屏改造主要有两种方式，一种是对末屏帽外形加以改装，将小型化传感器型取样单元放置于改装后的末屏帽内（如图感器型取样单元放置于改装后的末屏帽内（如图8 8所示），另一种是对末屏头进行改造，制所示），另一种是对末屏头进行改造，制作专用的适配器（如图作专用的适配器（如图9 9所示）。所示）。 a）外观图 b）内部结构图 图8 改装后的末屏帽 21 a）结构示意图 b）外观图 图9 套管末屏专用适配器22l介损的测量关键技术是如何准确获得并求取两个工频基波电流信号的相位差，电容介损

45、的测量关键技术是如何准确获得并求取两个工频基波电流信号的相位差，电容的测量只要获取工频信号的两路电流的幅值，由于电容的测量容易获得，现主要研的测量只要获取工频信号的两路电流的幅值，由于电容的测量容易获得，现主要研究介质损耗的求取。介质损耗数字化测量可通过硬件与软件两种方式实现，采用硬究介质损耗的求取。介质损耗数字化测量可通过硬件与软件两种方式实现，采用硬件方式主要是用于分散式件方式主要是用于分散式( (便携式便携式) )检测装置，实现的主要方法是过零检测法和过零电压检测装置，实现的主要方法是过零检测法和过零电压比较法。即通过检测电流、电压信号过零点的时间差计算介损损耗角，而过零电压比较法比较法

46、。即通过检测电流、电压信号过零点的时间差计算介损损耗角，而过零电压比较法将电流、电压信号转换为同幅电压信号后，根据两信号在过零点电压差值、电压幅值来计将电流、电压信号转换为同幅电压信号后，根据两信号在过零点电压差值、电压幅值来计算相位差。目前研究的软件法基本上可以分为谐波分析法、相关函数法、高阶正弦拟合法算相位差。目前研究的软件法基本上可以分为谐波分析法、相关函数法、高阶正弦拟合法和正弦波参数法。和正弦波参数法。l1 1、过零点时差法、过零点时差法l过零点时差法是一种将相位测量变为时间测量的方法。由于经电流互感器可测得反映被试过零点时差法是一种将相位测量变为时间测量的方法。由于经电流互感器可测

47、得反映被试品电流品电流 幅值和相位的幅值和相位的 ，而有，而有TVTV可测得反映母线电压可测得反映母线电压 的的 ，这样根据，这样根据 和和 即可求出被试即可求出被试品的品的 及及 。采用过零点时差法的基本步骤：先将。采用过零点时差法的基本步骤：先将 和和 分别在过零点转为同幅值的方波分别在过零点转为同幅值的方波 和和 ，并将，并将 前移前移 成成 ，再反相成，再反相成 ；由；由 与与 相加后便可得到反映相加后便可得到反映 角的时间差角的时间差 。l这种方法具有原理简单，测量分辨率高等优点，但即使用检测一个周期内波形过零点的方这种方法具有原理简单，测量分辨率高等优点，但即使用检测一个周期内波形

48、过零点的方法来减小硬件电路的固有零点失调，过零点时差法对波形失真度和波形过零点的依赖性仍法来减小硬件电路的固有零点失调，过零点时差法对波形失真度和波形过零点的依赖性仍然很大，多零的准确性的要求较高。然很大，多零的准确性的要求较高。tanII23l2 2、过零点电压比较法、过零点电压比较法l过零点电压比较法是测量两个同幅值、同频率正弦波在过零点附近的电压差，并由电过零点电压比较法是测量两个同幅值、同频率正弦波在过零点附近的电压差，并由电压差来计算相位差和压差来计算相位差和 的方法。若反映母线线电压的方法。若反映母线线电压 及泄露电流及泄露电流 的两个同幅值、的两个同幅值、同频率正弦电压信号分别为

49、同频率正弦电压信号分别为: :l ； ；l幅值相同，即幅值相同，即 时，两信号的差值电压可以表示为：时，两信号的差值电压可以表示为：l当处于过零点处当处于过零点处 ， ，即：，即： l经上述式子，求得两信号的相位差后即可算出介质损耗因数经上述式子，求得两信号的相位差后即可算出介质损耗因数 ，如果，如果2 2个正弦波的幅值不等个正弦波的幅值不等，但，但 的条件能够研究满足是，依然可以计算得出的条件能够研究满足是，依然可以计算得出2 2个正弦波的相位差，然而在实际个正弦波的相位差，然而在实际测量中，测量中， 的条件是很难满足的，这种方法只要检测电压过零附近时的电压差，而不严格的条件是很难满足的，这

50、种方法只要检测电压过零附近时的电压差，而不严格要求测量过零点。在过零点附近即使测量点有一定偏差，其差值电压也不会有明显的变化要求测量过零点。在过零点附近即使测量点有一定偏差，其差值电压也不会有明显的变化。tan0t0ttanxUxI24l3 3、正弦波参数法、正弦波参数法l正弦波参数法是假设被测得电压、电流信号都是理想的工频正弦信号，并通过模数正弦波参数法是假设被测得电压、电流信号都是理想的工频正弦信号，并通过模数转换，将电流、电压信号离散化后应用一定的算法求得相应的正弦波参数，在根据转换，将电流、电压信号离散化后应用一定的算法求得相应的正弦波参数，在根据参数计算出参数计算出 超前超前 的相位

51、差的相位差 ，进而算得介质损耗，进而算得介质损耗 的一种方法。设流经绝缘的电的一种方法。设流经绝缘的电流流 及绝缘两端电压及绝缘两端电压 的基波分量分别为：的基波分量分别为：l式中式中 ， ， ， ； 、 分别为电流、电压信号的幅值分别为电流、电压信号的幅值； 、 分别为电流、电压的初相角。由此可得介质损耗因数为分别为电流、电压的初相角。由此可得介质损耗因数为l假设以采样率从某一时刻开始假设以采样率从某一时刻开始 和和 采样，分别得到采样，分别得到 对采样值对采样值 和和 ，其中，其中 为不为不同的采样时刻，采用最小二乘法来求取同的采样时刻，采用最小二乘法来求取 、 、 、 ，即拟合信号与实际

52、信号的总体误差，即拟合信号与实际信号的总体误差平方和达到最小。令误差平方和为：平方和达到最小。令误差平方和为：l为使为使 、 最小，则应有下面式中成立最小，则应有下面式中成立l ， ， ， l由此可建立线性方程组，求解得到由此可建立线性方程组，求解得到 、 、 、 ，进而求出，进而求出 。l正弦波参数法应用了三角函数正交性，但是正交性仅在正弦波参数法应用了三角函数正交性，但是正交性仅在 和工频电压频率和工频电压频率 整数倍时才成整数倍时才成立，因此在电网频率波动的时候下应用这种算法，需要相应的硬件同步采样卡。立，因此在电网频率波动的时候下应用这种算法，需要相应的硬件同步采样卡。 ti tuta

53、n25l4 4、高阶正弦拟合法、高阶正弦拟合法l高阶正弦拟合法是非同步采样条件下测量高阶正弦拟合法是非同步采样条件下测量 的算法，考虑到实测数据可能包含直流和谐波分量，的算法，考虑到实测数据可能包含直流和谐波分量，所以它以直流分量幅值，基波频率，基波和谐波分量的幅值和初相角为优比对象，用高阶正弦模所以它以直流分量幅值，基波频率，基波和谐波分量的幅值和初相角为优比对象，用高阶正弦模型来拟合型来拟合 ， 的采样数据。的采样数据。l设被测量信号有直流、基波和谐波分量组成，且谐波被限制在设被测量信号有直流、基波和谐波分量组成，且谐波被限制在 次内，则信号可表示次内，则信号可表示为为l式中：式中： 为直

54、流分量；为直流分量； 为基波频率；为基波频率； ， 分别为分别为 次谐波的幅值和初相角。当一采样周期次谐波的幅值和初相角。当一采样周期 对信号采用后得到对信号采用后得到 点离散序列点离散序列 ， 0,1,2.0,1,2.， ，则拟合的目标函数为，则拟合的目标函数为l数据拟合可以在某一拟合优度下进行，一般用数据点差值的范数来衡量。正弦拟合法数据拟合可以在某一拟合优度下进行，一般用数据点差值的范数来衡量。正弦拟合法能够适应电网频率波动的变化，较好的解决了数据采样频率和电网频率白天不的问题能够适应电网频率波动的变化，较好的解决了数据采样频率和电网频率白天不的问题，且信号的谐波分量在较大范围内对计算准

55、确性影响较小。，且信号的谐波分量在较大范围内对计算准确性影响较小。iuM26l5 5、相关函数法、相关函数法l 经采样，滤波后得到的泄露电流信号经采样，滤波后得到的泄露电流信号 ，绝缘两端的电压信号，绝缘两端的电压信号 ，当两波形无延时时，其自相关函数和相互关函数为，当两波形无延时时，其自相关函数和相互关函数为l式中：式中： 为整周期；为整周期； 为电流信号的自相关系数；为电流信号的自相关系数； 为电压信号的自相关系数；为电压信号的自相关系数； 为为电流和电压信号的相相关系数。在实际算法中，设电流和电压信号的相相关系数。在实际算法中，设 为为 为内的采样点数，则相为内的采样点数，则相关算法的离

56、散时间表达式如下：关算法的离散时间表达式如下：l由此得出介质损耗角为由此得出介质损耗角为l通过上述公式可以看出，相关函数法算法简单，对采样硬件要求较低，看随机干扰通过上述公式可以看出，相关函数法算法简单，对采样硬件要求较低，看随机干扰能。能。NT27l6 6、谐波分析法、谐波分析法l谐波分析法是目前最主要的软件测量方法之一，其原理是通过传感器等装置分别测量运行谐波分析法是目前最主要的软件测量方法之一，其原理是通过传感器等装置分别测量运行电压和流进试品的电流，在将获得的模拟信号转化为数字信号，然后采用数字频谱分析的电压和流进试品的电流，在将获得的模拟信号转化为数字信号，然后采用数字频谱分析的方法

57、求出两个信号的基波，进而通过对基波相位的比较求出介质损耗因数。实际上满足狄方法求出两个信号的基波，进而通过对基波相位的比较求出介质损耗因数。实际上满足狄利克雷条件的电网电压和流过设备绝缘的电流进行傅里叶级数分解，其表达式为：利克雷条件的电网电压和流过设备绝缘的电流进行傅里叶级数分解，其表达式为：l式中：式中： ， 为电网频率；为电网频率； 、 分别为电压、电流的直流分量；分别为电压、电流的直流分量； 、 分别为电压、电流的分别为电压、电流的各次谐波幅值；各次谐波幅值； ， 分别为电压、电流的各次谐波初相角。分别为电压、电流的各次谐波初相角。l由此可知，求解电容设备介质损耗因数的关键就在于去除系

58、统谐波干扰的影响，准确地求得由此可知，求解电容设备介质损耗因数的关键就在于去除系统谐波干扰的影响，准确地求得 ， 的初相角。考虑到实际获得的的初相角。考虑到实际获得的 、 是经过离散、量化后的有限长度的离散周期序列，假是经过离散、量化后的有限长度的离散周期序列，假设分别用设分别用 、 表示，以表示，以 为例，经离散傅里叶变换后可得为例，经离散傅里叶变换后可得 f tu ti tu ti nx28l由此可知由此可知l式中：式中： 、 分别为分别为 的实部和虚部的实部和虚部l可以看出，序列可以看出，序列 的初相角的初相角 为为l同理可以得出同理可以得出 的初相角，进而求其介质损耗因数。的初相角，进

59、而求其介质损耗因数。l综合上述各种算法的特点，对于硬件实现的过零点时差法和过零点电压比较法，测综合上述各种算法的特点，对于硬件实现的过零点时差法和过零点电压比较法，测量精度易受到谐波干扰、零漂等因素的影响，对信号进行预处理以满足测量条件，量精度易受到谐波干扰、零漂等因素的影响，对信号进行预处理以满足测量条件，会增加硬件处理环节而带来设计、累计误差等问题；高阶正弦拟合法由于其自身固会增加硬件处理环节而带来设计、累计误差等问题；高阶正弦拟合法由于其自身固有的特点，导致计算量过大不适合于在线监测系统，相关分析法可满足计算精度，有的特点，导致计算量过大不适合于在线监测系统，相关分析法可满足计算精度，又

60、可以简化硬件的设计，计算量也适中，但需经滤波消噪环节进行信号处理；正弦又可以简化硬件的设计，计算量也适中，但需经滤波消噪环节进行信号处理；正弦波参数法要求整周期采样，并且无法克服电网谐波和噪声带来的影响；谐波分析法波参数法要求整周期采样，并且无法克服电网谐波和噪声带来的影响；谐波分析法也要求整周期采样，但可以避免因电网高次谐波对信号的影响而造成的误差也要求整周期采样，但可以避免因电网高次谐波对信号的影响而造成的误差, ,由于由于该算法的这种特点，使其能够满足实际系统的要求。该算法的这种特点，使其能够满足实际系统的要求。 nxuk ti29l【教学目标教学目标】通过本任务的学习应掌握电容型设备相