高压电力设备在线监测技术-第3章-电容型设备在线监测与诊断

第三章电容型设备在线监测与诊断On-linemonitoringandfaultdiagnosisforcapacitiveequipment1本章内容•概述•测量三相不平衡电流Ik•介质损耗角正切的监测•介质损耗角正切的异频检测•电力电容器的在线监测与故障诊断2§3.1概述3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，统称为电容型设备。750kV电容式电压互感器5支撑绝缘均压环中心导体悬浮电位屏蔽接地屏蔽法兰瓷套750kV断路器充SF6引线套管结构图6电力电容器电容式套管高压电流互感器（CT）高压电压互感器（PT）电容式电压互感器（CVT）数量约占变电站设备总台数的40%～50%。电容型设备在变电站中具有重要地位，它们的绝缘状态是否良好直接关系到整个变电站能否安全运行，因而对其绝缘状况进行监测具有重大意义。变电站中的主要电容性设备7结构单元电容器剖面图铝箔绝缘薄膜电力电容器结构8•CVT：电磁单元变压器二次失压；电容分压嚣电容量变化；电磁单元受潮等•电磁式电压互感器：铁磁谐振故障•电容型CT：一次导电回路过热故障、受潮故障及电容芯子内局部放电故障•SF6气体绝缘CT：电容屏缺陷、蔽罩缺陷、撑件缺陷、异物电容型设备故障统计9•耦合电容器：电容芯子受潮、密封不良、结构设计不合理、夹板在制造和加工时有缺陷、现用的电容器油所含芳香烃成价偏少、元件开焊、设备引线有放电现象等•并联电容器：渗漏油、电容器外壳膨胀、电容器温升过高、电容器瓷瓶表面闪络放电、声音异常、电容器爆破等•集合式电容器：电容器制造质量不良、电容器绝缘老化、不平衡电压保护动作10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：电导引起的损耗介质极化引起的损耗电介质的能量损耗简称介质损耗，它是影响绝缘劣化和热击穿的一个重要因素。11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。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，因此需要引入新的物理量加以描述。电介质的损耗回路电流I=Ir+IC（由于介质有能量损耗，所以电流不是纯电容电流）电流Ir和IC之间的关系为：Ir=ICtg=UCtg介质损耗P=UIR=U2Ctg单元体积的介质损耗p=P/sd=0rE2tgI=Ir+IC~UUICIrI电流相量图绝缘介质工作图13引入tan的原因使用介质损耗P表示绝缘介质的品质好坏是不方便的，因为P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。所以改用介质损耗角正切tg来判断介质的品质。tg与类似，是仅取决于材料的特性与材料尺寸无关的物理量。Ir=ICtg=UCtg因为tg为电流阻性分量和容性分量之比，而电流阻性分量引起介质中能量的损耗，所以tg值能反映介质损耗的大小。介质损耗P=UIR=U2Ctg讨论介质损耗角正切tg的意义绝缘结构设计时，必须注意到绝缘材料的tg。如果tg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。在绝缘预防性试验中，tg是基本测试项目，当绝缘受潮或劣化时，tg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tg-U的关系曲线加以判断（随电压增高，tg应不变，若变化，则存在放电现象）。可见tg既是绝缘劣化的原因，也是绝缘劣化的特征。介质损耗角正切tg所能反映的缺陷绝缘受潮。绝缘脏污。绝缘中存在气隙放电。UUCtgUC代表较多气隙开始放电时所对应的外加电压。tg=f(U)从tg增长的陡度可反映绝缘劣化的程度。另外，当外施电压超过起始放电电压时，将发生局部放电，损耗急剧增加。介质损耗角正切tg的不足tg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。如果绝缘内的缺陷不是分布性的而是集中性的，则tg反映不灵敏。CrIItgIC几乎是不变的。tg取决于缺陷对Ir的影响。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。XXXCtgCtgCCUtgCUtgCUtgtgCUtgCUtgCUP110021120021120022这样如果缺陷部分（C1）越小，则C1/CX越小，所以在测量整体绝缘tg时越难以发现缺陷部分（tg1）的影响。发电机电力电缆变压器绕组tg反映不灵敏的设备反映灵敏的设备套管PTCT§3.2测量三相不平衡电流Ik19在电力系统中，三相分体设备，通常都是相同型号且同批生产的。各类性能应当基本一致。因此可以利用设备的这一特点，通过检测各相设备间特征参量的差异，来监测设备内部缺陷的发展情况。20C0CRI0IUYUYYUIII)(00CjRCjCjRCjYCCCCjY1100000绝缘特征参量分析如取x=1/C，k=C/C0，则2222220)1()1()1(1kxkRxkxkRjxRYxkjY当运行电压恒定的情况下，电流的变化既反映了导纳的变化。222000011RxkkkRxYYYYYII缺陷部分的损耗为RxCRtg//1所以220011tgkkktgYYII由此产生整个试品的介质损耗增量（初始为0）22211)1(tgkkktgkxkRxRtg缺陷导致的整个试品的电容量增量为2220011tgkkktgYYCCj当绝缘内部出现缺陷后，这三个参量（，，）是可被测量的。但哪一个对缺陷反应更灵敏？0CC0IItg可见当缺陷层tg’开始增大时，测量0IItg和更灵敏而当缺陷层tg’100%时，测量和更灵敏0II0CC三相电流之和的在线检测上述分析表明，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。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，则中性点有电流流过。UAUBUCYAYBYC影响因素三相电压不平衡。各相设备间对地阻抗有差异。一般电容性设备在出厂时，允许其电容量存在10%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。杂散电流干扰。UAUBUCYAYBYCYB’YC’YA’I0IdddIIIIIk00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。中性点三相不平衡电压法UAUBUCYAYBYCU0RARBRCRrRA、RB和RC可调是补偿用电阻。UAUBUCYAYBYCU0RARBRCRr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U0降到零或极小值。当某一相设备出现缺陷时，U0将显著增长，其灵敏度比三相不平衡电流法高得多。以70层电容层相串联的电容套管为例，电容量为800pF，正常情况下tg=0.3%。当某一电容层tg’增大时。各参量均有增长，但以三相不平衡电压增长最为明显。。当70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U0升高到数百微伏时，往往反映可能有明显缺陷。U0与缺陷tg的关系对比结果表明，当一层缺陷进一步恶化时，|C/C0|和|I/I0|的变化都不超过2%，而三相不平衡电压却增大若干倍。因此三相不平衡电压对缺陷的反应远比测量电流或电容灵敏。影响因素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I的15%。如果要求信噪比至少为2（SNR2）则时，才能较准确地测量，这显然是不合要求的。因此在实际测量中，需将谐波滤去，尤其是三次谐波，抑制比应为300倍(50dB)，才能保证时,既可测出。hhhIYIYIUYIISNR3133IISNRYYh39.015.032YY003.0YY影响因素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。§3.3介质损耗角正切的监测33电桥法绝对法相对法硬件法软件法监测tg过零检测法在线检测tan的电桥法在停电试验中用电桥法测量tg是一种常用的、高精度的测量方法。如果能够在运行状态下进行检测，则有效性更高。传统电桥法(a)正接法；(b)反接法西林电桥测tanδ的基本线路被测量设备被测量设备标准电容标准电容电桥工作电压一般为10kV；正接法由于调节部分处于低压臂，操作比较安全；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。无论是正接法还是反接法，电桥平衡时G中的电流IG=0，所以IDA=IAC=IX，IDB=IBC=INUDA=UDB，UAC=UBC=UX以反接法为例，IXZ3=INZ4IXZX=INZN43ZZZZNXCNCx)1(1114444433NNXXXCjZCjRZCjRCjRZRZCNCx34444111)1(RCjRCjRCjRCjXXN43ZZZZNX上式虚实部分别相等，NXNXCRCRRRCC443444RCRCtgXX通常取，f=50Hz，则有4410R446441010100CCCtg（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，消除干扰的方法有：可采用改变试验电源极性的做法：如进行正、反相两次测量。近期也有采用45或55Hz异频电源的方法，这样可避开50Hz频率的干扰。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。传统电桥法——消除现场干扰的方法在线检测tg电桥法一般采用正接法，对运行设备进行检测。CN为高压标准电容，通常存在一定的损耗tgN（已知）。当电桥平衡时，测量值为tgm，有NXNXNXmtgtgtgtgtgRCtg1)(44由于tgN1,tgX1，故NXmtgtgtgNNmXtgRCtgtgtg44cInIxIxmnU在线电桥法的困难需要耐压等级比运行电压更高的标准电容器。由于设备运行电压很高，在电桥调节过程中，R4上会出现比较高的电压。电桥难以平衡。可能出现流经设备的电流IX过大，而使R3过热的情况。为解决现场不愿意在一次侧增加标准电容的情况，可采用电压互感器配以低压标准电容的方式由于流经CN桥臂的电流很小，宜增大CN,一般为1000~3000pF。还应考虑电压互感器引入的角差tgc。cNNmXtgtgRCtgtg4早期普遍采用的带电测量tg和电容的西林电桥法沿用了传统停电预试中测量tg的高压西林电桥的测量原理。由于必须另配更高耐压的高压标准电容器，并需要对一次线路进行改造，难以在现场推广。电桥法的无法克服的缺点过零检测法基本原理以高压套管为例。由于绝缘介质并非理想介质，故此流经高压套管末屏的电流i与高压套管电压U的相位差将小于π/2。若将电压U的相位向前移π/2，会与电流i形成一小的相角差（δ），如图所示。这个相角差（δ）的正切值（tgδ）就是绝缘介质的介损。电容量。随着研究的进一步深入，电容型设备绝缘在线检测技术已发展到了一个新的水平。目前，电容型设备的tg在线检测方法基本上采取如图的原理。比较反映被试品电流的电压信号ui波形和作为标准电压的信号uv波形之间的过零点相位；Cx(a)前向通道前向通道传感器传感器信号处