第4章 电容型设备在线监测与故障诊断1.ppt

1、第4章 电容性设备的在线监测,电容性设备在线监测的主要特征量 介损的基本理论知识 介损监测的电桥法 介损监测的相位差法 介损监测的数字分析法,第一节 概述,一、电容性设备的监测项目,电容性设备：高压套管、电容式电压/电流互感器、耦合电容器、电力电容器等。,110kV及以上的电容型设备的高压端对地电容约在200-5000pF范围内。 如：110kV及以上的电容套管的电容值多数在500pF左右，220kV及以上电容式电流互感器约1000pF， 500kV电容式电压互感器的电容量为5000pF，110kV和220kV耦合电容器电容量分别为6600pF和3300pF。,电容性设备的主要监测项目：C、I

2、x、tan等反映介电特性的参数。,第一节 概述,一、电容性设备的监测项目,电容性设备监测参量的意义,tan是设备绝缘的局部缺陷中介质损失引起的有功电流分量Ir和设备总电容电流Ic之比，它对发现绝缘的整体(即包括了大部分体积)劣化如绝缘均匀受潮较为灵敏，而对局部缺陷(即体积只占介质中较小部分的缺陷和集中缺陷)则不易用测tan的方法发现，设备绝缘的体积越大，越不易发现。 测量绝缘的电容Cx或流过绝缘的电流Ix除了能给出有关可引起极化过程改变的介质结构变化的信息(例如：均匀受潮或严重缺油)外，还能发现严重的局部缺陷 (绝缘部分击穿)。但发现缺陷的灵敏程度也和绝缘损坏部分与完好部分体积之比有关。,带电

3、检测的监测结构形式 带电检测系统常将采样用的各类传感器安装于所监测的设备上，将 A/ D转换、微型计算机及其外围电路等集中于相应的便携式仪器中，用于对所采集的参量进行分析，以判断设备的状态。采用这种方式投资少，配置方便、灵活。但不能连续监测，不能集成所有的设备和项目，无法实现远程监测和集中管理。,电容性设备监测结构形式,集中式在线监测的结构形式 模拟信号传输 电缆用量少 计算机采集、处理,电容性设备监测结构形式,分布式在线监测的结构形式 采用数字传输技术，信号不易失真； 计算就地完成，减少数据的传输量和主控模块的工作量，同时可实施就地监测； 采用现场总线，传输电缆少，且系统的开放性和扩展性好；

4、 成本较高。,电容性设备监测结构形式,分布式在线监测的结构形式,电容性设备监测结构形式,直接耦合式 可将试品电流转化为较高的电压 (如几十伏)输出，用模拟量传输，信噪比高，但要改变试品的接地方式。 电容接入式 电阻接入式 阻容接入式 磁性耦合方式 采用单匝穿芯传感器，分有源和无源两种类型，都不改变试品原来的接地方式，且与试品之间有磁的隔离。 普通电流传感器 零磁通传感器,传感器接入方式,信号传输形式 直接耦合方式 磁耦合方式 网络总线标准 RS485总线 Can总线 TCP/IP 其它,信号传输,三、电介质的损耗,1. 电介质的能量损耗 在直流下，电介质损耗用体积电导和表面电导表达 在交变电场

5、(工频)下， 对位移极化，极化跟得上电场变化，无能量损耗 对偶极子极化等，极化跟不上电场变化，有能量损耗 在交变电场中，电介质能量损耗包括： 电导损耗 通过电介质的贯穿性泄漏电流所引起的能量损耗 极化损耗 在交流电压下，由周期性极化所引起的能量损耗,第一节 概述,一、电容性设备的监测项目,电容性设备介损监测的理论知识,a) 并联等值电路 b)矢量图,并联等值电路,串联等值电路,对同类试品绝缘的优劣可用tg来代替P对绝缘进行判断tg取决于材料的特性，与材料尺寸无关。,第二节 介损的监测,常规测量方法 电桥法 瓦特表法 谐振回路法 凹形谐振腔法 测量线法 相位差法 数字分析法,第二节介损的监测,一

6、、电桥法,第二节介损的监测,二、相位差法过零电压比较法,1、基本原理,第二节介损的监测,二、相位差法过零电压比较法,1、基本原理,频率f引起的误差 设计数脉冲频率为4MHz/s，一个工频周期的脉冲数nT为80000个，tan1。 当f50Hz时，相差的脉冲数 若f变化为49.9Hz，则 当实际f降低0.1Hz或0.2时，测得的计数脉冲将增加40个，使tan的值偏大40(2/nT)=0.32%,实测值为1.32，而不是1，相对误差达32。,第二节介损的监测,二、相位差法过零电压比较法,2、误差分析,第二节介损的监测,二、相位差法过零电压比较法,2、误差分析,运行电压取自PT副边，而PT的原副边存

7、在角差，并且会在一定范围内波动。PT引起的固有相差是个系统误差，可在监测系统的数据处理时加以扣除。 谐波的影响。tan是由基波来计算的，若存在谐波，特别是电力系统中常有三次谐波，它将使相差发生偏差，而谐波本身又常随负载而变化，这还将影响tan的重复性。一般在监测系统中采用低通滤波器，滤去高次谐波。,第二节介损的监测,二、相位差法过零电压比较法,2、误差分析,两路信号在处理过程中存在时延带来的误差。低通滤波器、过零整形电路均会带来时延差，若电流、电压通道的电路参数不一致，则整形时延将不同，造成测量误差。为此应选用性能优良的高速器件以降低这类误差。 其它因素，例如环境温度的变化，若它所引起的两路电

8、子器件性能的变化不一致的话，将造成测量误差。故在选择所用的电子器件时，应使两路器件的各项特性尽可能一致。,第二节介损的监测,二、相位差法过零电压比较法,3、特点,优点: 计算简单 缺点: 是由于上述众多的误差因素，故对各单元电子器件的要求较高，否则会影响监测数据的重复性，甚至出现由于重复性差而无法正确诊断的情况。,第二节介损的监测,三、数字（谐波）分析法,1、基本原理,第二节介损的监测,三、数字（谐波）分析法,1、基本原理,首先由传感器获得流过设备的电流信号(已转换为电压信号)和设备运行电压信号，利用波形采集装置将此时域波形同步转换为数字化离散信号，然后利用计算机将两个离散数字波形信号经离散傅

9、里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)，得到两个信号的基波，进一步求出两基波的相位差，从而得到设备的tan。,第二节介损的监测,三、数字（谐波）分析法,1、基本原理,满足狄里赫利条件(即给定的周期性函数在有限的区间内，只有有限个第一类间断点和有限个极大值和极小值)的电力系统电压ux、电流ix，可按傅里叶级数分解为直流分量和各次谐波分量之和：,（1） （2）,U0电压的直流分量， I0电流的直流分量， Ukm电压的各次谐波幅值， Ikm电流的各次谐波幅值， k电压的各次谐波相角， k电流的各次谐波相角， k= 1，2，3，4,第二节介损的监测,三、数字（谐波）分析法,1、基本原理,式（1）

10、、式（2）可表示为：,（3） （4）,将式（3）两边同乘以coskt，取一周期内定积分，可得：,（5）,第二节介损的监测,三、数字（谐波）分析法,1、基本原理,三角函数在一个周期内定积分的正交特性：,第二节介损的监测,三、数字（谐波）分析法,1、基本原理,化简式（5）有：,所以：,由式（3）两边同乘以sinkt，并取一周期内定积分可得：,（6）,（7）,基波，令k=1，并且以式（6）除以式（7），则可得电压基波相角1：,（8）,第二节介损的监测,三、数字（谐波）分析法,1、基本原理,按相同方法，可由式（4）推得电流基波相角1： 对容性试品，电流相角超前于电压90o， 所以，介质损失角正切：,（

11、10）,（9）,第二节介损的监测,三、数字（谐波）分析法,2、特点,对硬件电路依赖小，如直流分量、电路零漂等对监测结果无影响，从而提高了测量的稳定性和测量精度。 要求对被测电压和电流同步采样，否则11是变化的，影响监测结果的重复性。 谐波分析法的主要特点是基于傅里叶变换，进行分析，可运用FFT运算求出电压、电流各次谐波的相角，取基波的相角差用于计算tan，可使结果不受高次谐波的影响。 傅里叶变换要求一周波采样2n个点，考虑到系统频率的变化，应对该电路进行锁相倍频跟踪，确保频率变化时仍采2n个点。,第二节介损的监测,三、数字（谐波）分析法,2、特点,谐波分析法充分应用了数字测量方法，而数字处理技

12、术本身具有抗干扰效果，也就运用了软件方法来抑制干扰，克服了传统的模拟测量方法抗干扰能力差的缺点。 采用该方法可将监测系统组成中央集控式，减少设备投资。 该方法主要依靠软件分析法，使系统经济、简单，是介损监测技术的发展方向。,第二节介损的监测,三、数字（谐波）分析法,3、实例,全数字化监测系统原理框图,第二节介损的监测,四、介质损耗角正切的异频监测,采用异频电源测量是一种有效的抗干扰措施。其原理为在介质损耗角正切测量中，试验电源频率偏离干扰电源频率（主要指工频电源的干扰），通过频率识别或滤波技术，排除干扰频率影响。 异频电源频率不能偏离工频太远，否则测量结果就失去等同性；也不能离的太近，否则会增

13、加频率分辨的难度，同样会造成较大的误差。,相间干扰 谐波影响 相位漂移 PT相位漂移 CT相位漂移 系统运行电压 温、湿度影响 频谱泄漏,误差分析,相间干扰,误差分析,等效电路图如图所示。这个干扰是相对稳定的。,谐波影响,误差分析,介质损耗角是由基波来计算的，若信号中存在谐波，特别是电力系统中常有的三次谐波，将使相差发生偏差。而谐波本身又常随负载而变化，这还将影响测量值的重复性。为此在监测系统中，需要对谐波进行抑制。,相位漂移,误差分析,电压信号从电压互感器(PT或CVT)的二次侧获取。电压互感器的测量精度与其二次侧负荷的大小有关，随着变电站运行方式的不同，二次侧负荷随之变化，必然会导致角误差

14、改变，从而影响介损测量结果的稳定性。,同一母线2组不同TV二次侧电压作为参考信号测量同一试品结果,系统运行电压,误差分析,电容型设备良好绝缘的介损曲线基本上不随试验电压的升高而变化，当主绝缘严重受潮或含有离子型杂质时，介损值随试验电压的升高具有不同的变化情况。这是由于在交流电压下，离子在纸层间或油中的迁移被纤维阻拦所致。在低电压下，离子运动速度慢，迁移不大，不会碰到纸；电压升高后，离子运动速度加快，机械运动受到纸的阻拦，表现在电流上为有功分量波形畸变，致使介损值减小 。,环境温湿度影响,误差分析,分布在线监测的结构形式,1 在线监测的本地化 2 数字化和网络化 3 测量的准确性和可靠性 4 同

15、步采样 5 系统的安全性 6 系统的可维护性,分布式容性电气设备在线监测的特点,分布在线监测的结构形式,上位机：下达采样命令、接收上传的信号处理单元的采样结果数据，并在主机端进行分析计算，实现容性电气设备在线监测和诊断。由于同步采样时钟信号在网络传输当中会有一定的网络延时，造成采样的非同步，可以通过软件的方式进行修正。 信号处理单元：一种类型的模块。接收下达的采样命令，根据同步时钟信号进行信号的同步采集，将采样的结果进行FFT分析计算，并将分析结果上传。当作为同步采样时钟信号发送端时，可产生同步采样时钟。 同步采样时钟：为了提高同步采样时钟的抗干扰能力，本设计中借用RS485总线的电气特性，在发送端将时钟信号变成差分信号进行传播，在接收端再将差分信号还原成时钟信号，以此来保证波形传播的距离以及抗干扰的能力。,分布在线监测的结构形式,工作原理： 1、容性电气设备信号经过传感器后，得到三路信号并通过信号输入接口输入到电路板上，经运算放大器进行放大、滤波、驱动后送入AD转换器（MAX125）等待同步采样； 2、容性电气设备在线监测单机系统主机（PC端）向下面的某个具有时钟信号发生器的单元发布采样命令，这个单元收到命令过后启动同步采样时钟发生器，产生同步采样时钟信号； 3、信号处理单元收到同步采样