容性设备在线监测
容性负载电力设备的在线监测
辐
射
机械应力
导电材料：铜等 导磁材料：矽钢片等 结构材料：钢、层压板、垫块、支撑等
化学应力
热应力
相对于金属材料，绝缘材料尤其是有机绝缘材料，容易老化变质而使 其机电强度显著降低； 电力系统中60％以上的停电事故是由电力设备的绝缘缺陷引起的；
潜伏性故障－设计、制造过程中存在质量问题，安装运输中出现损坏；
t 环境污染 老化 正常运行中产生的应力 正常运行区 故障区 事故区 运行年限
电力设备使用寿命与应力之间的关系
具体问题要具体分析，不宜全采用状态维修
故障模 式特征 Y
后果轻微？ N 渐变？ Y 分散？ N 可测？ N
事故维修
N
Y
定期维修
Y
状态维修
电力设备维修策略的分类原则
监测系统的价值分析
采用在线监测时的投入─产出的分析 由于风险所致的损失(宜计及故障几率及故障后果) 常规检查工作的支出 完成维修任务的支出 对故障进行调查及消除的支出 对故障设备进行监测所得知识的得益 监测评估及选用的支出 监测设备的投资及运行费用 设备负荷最大利用能力的提高 基于对少量的检测而可获得大量的该类设备性能的得益 对运行人员安全性的改善 对环境保护的改善 各栏累加后,可得采用该在线监测系统前后的费用及得益 不采用时 的费用 采用时 费用
电介质的物理参数 基本介电关系
在各向同性的线性电介质中, 极化强度P与电场强度E成正 比，且方向相同，即 P = 0E ---电介质的极化率， 对于均匀电介质是常数，对于非 均匀电介质则是空间坐标的函数。定量表示电介质被电场 极化的能力，是电介质宏观极化参数之一。
电介质的物理参数 基本介电关系 基本介电关系：电位移矢量与电场强度和极化强度 之间的关系为: D = 0E+P, 适用于各类电介质。 D = 0E+P＝0E＋0E＝（1＋）0E, 令（1＋）0 ＝ 0r =， 则有D = E, 仅适用于各向同性线性电介质
电容性设备在线监测探讨
电容性设备在线监测探讨【摘要】电容性设备占电站设备台数的40～50%.它们在变电站中具有极其重要的地位，在电力系统中容性设备绝缘状态的好坏直接关系到整个变电站能否安全运行。
本文提出了在线监测的2种测量方式：（1）绝对测量法，（2）比较法测量。
并探讨了电容性设备在线监测的实现方式。
最后进行了总结展望。
【关键词】电容性设备；在线监测；介质损耗；比较法测量1.电容性设备在线检测意义在变电站中，高压电容型电气设备是指其绝缘结构可看成一组申电容的设备.包括高压电容式套管、电容式电流互感器（CT）、电容式电压互感器（CVT）及耦台电容器等，其数量约占电站设备台数的40～50%.它们在变电站中具有极其重要的地位，在电力系统中容性设备绝缘状态的好坏直接关系到整个变电站能否安全运行。
因此，对其状态的监测就具有极大的意义。
与常规的绝缘预防性试验相比，在运行条件下设备本身绝缘特性和“冷态”有一定的差别。
所以，带电测试更能反映设备绝缘的真实状况。
此外，高压电气设备绝缘带电试验与常规停电试验相比也具有较大的优越性：无需停电，测试灵活、方便；基于设备的运行状态，诊断绝缘缺陷的灵敏度高；试验周期可以依据设备绝缘状况灵活安排，便于及时发现设备的绝缘隐患，了解绝缘缺陷的变化趋势等；并且常规停电预试会使电力部门的正常运转受到影响，造成很大的经济损失及人力、物力上不必要的浪费。
因此，电力设备绝缘带电试验技术的开发和应用，近年来逐渐得到重视。
而随着绝缘带电测试技术的逐步发展和完善，部分设备已经具备以带电测试取代传统停电预防性试验的可能性，在新近出版的中国南方电网有限责任公司企业标准《电力设备预防性试验规程》中，也特别强调了带电测试的重要性，并就带电测试代替停电预防性试验作出了具体规定。
电容型设备绝缘带电（在线）检测技术的开发和应用，对提高电力设备的运行维护水平，及时发现隐患，减少设备事故起了积极的作用。
2.电容性设备在线检测方法由于电容型设备是通过电容分布强制均压的，其绝缘利用系数较高，一旦绝缘受潮往往会引起绝缘介质损耗增加，导致击穿。
针对容性设备的在线状态检测研究概述
针对容性设备的在线状态检测研究概述在电力系统中，电容型设备在整个系统的40% ～50%左右，容性设备的性能直接关系到电网的正常运行。
介绍了电力系统中常见的几种高压容型设备的故障类型及其原因。
对容性设备的介电特性参数及在线监测的参数作了简单介绍。
分析了当前容性设备介质损耗因数在线监测的各种方法及其原理。
关键字：在线监测；容性设备；介质损耗；谐波分析引言容性电气设备除电力电容器之外，还有电容式高压套管、电容式绝缘电流互感器、电容式电压互感器、耦合电容器等。
在电力系统中应用广泛，主要起功率补偿、整流滤波和过电压保护等作用，电容器性能的好坏直接关系到电网的正常运行。
由于高压电气设备损坏事故中大部分是绝缘损坏引起的，因此时有效地发现绝缘存在缺陷对于保障电网安全具有重要意义。
为了确保电力系统电气设备的安全运行，根据过去长期的运行经验及试验研究，逐步确立了一些预防性试验项目，这些预防性试验项目已经发挥过不少积极作用，但是规程要求定期对电气设备停电进行绝缘预防性试验和检修，具有一定的盲目性，造成人力、物力的大量消费，而且还不能及时发现电气设备的绝缘潜伏性故障。
在线监测能利用运行电压对高压设备绝缘状况进行试验，可以大大提高试验的真实性与灵敏度，弥补仅靠定期离线检测的不足之处。
随着电子测试技术的进步以及管理水平的提高，对于电力设备的健康状况的判断和维护，已经从预防性检修逐步向状态检修和预知检修的方向发展。
在众多的电气设备中，对于容性设备绝缘状况的监测主要基于对其电容量、介质损耗因数和绝缘电阻的监测。
文献[2-4]对目前容性设备在线监测方法作了介绍。
1. 主要容性电气设备常见故障及原因容性电气设备主要包括电力电容器、电容式高压套管、电容式绝缘电流互感器、电容式电压互感器、耦合电容器等。
这些设备的特点是高压端对地有较大的等值电容，大约几百皮法到几千皮法。
1.1 电力电容器故障类型及原因电力电容器故障类型主要有渗油、漏油、桶皮鼓肚，异常响声，严重时则发生爆炸起火事故[1]。
090721容性设备在线监测技术说明
容性设备绝缘在线监测系统技术规范批准: 审核: 校核: 编写：目录1.0工程慨况 (1)1.1初步设计依据 (1)1.2工程主要设计内容 (1)1.3适用和参照的规程 (1)2.0 取样电路的设计 (2)2.1 末屏接地的安全设计 (2)2.2 有源传感器设计原则 (3)2 .3 监测点统计 (3)2.4 PT参考取样设计 (3)3.0 信号处理系统设计 (3)3.1信号处理板的设计 (3)3.2系统结构的设计 (4)4.0 控制柜的布置 (5)5.0主控制屏的设计 (5)5.1 现场MIS调度系统设计 (5)5.2数据发布系统设计 (6)5.3测量 (6)5.4设备的电磁兼容 (6)6.0接地 (7)7.0电缆及电缆敷设 (7)8.0土建 (7)1.0 工程慨况对×××变电站在线运行的容性设备进行在线监测项目的安装和调试工作，监测对象共3个点，包括3个容性设备监测点。
1.1 初步设计依据1．2008年10月与×××公司讨论的在线监测可研报告。
2．2008年12月由×××公司工程专员到变电站进行实地勘察后出具的现场考察报告。
1.2 工程主要设计内容1.根据可研结果对预期采用的在线监测系统进行深入设计，其中电气部分包括：· 电流传感器和信号处理集控柜在现场安装的布置位置· 后台机放置位置，及接线布置· 现场PT参考信号的取样与输送方式· 末屏接地线的接线方式和抗干扰处理· 现场运行硬件设备的温度和湿度控制· 现场运行硬件设备的可靠设计· 现场光缆总线网络的组织结构与调度模式· 数据的收集处理和发布设计2.工程投资概算3.相关的土建部分1.3 适用和参照的规程提供的设备和配套件要符合以下标准但不局限于以下标准：GB/T 14598.9-1998 辐射电磁场干扰GB/T 14598.10-1996 快速瞬变干扰GB/T 14598.13-1998 脉冲群干扰GB/T 14598.14-1998 抗静电干扰GB 12801-1991 生产过程安全卫生要求总则DL 5053-1996 火力发电厂劳动安全和工业卫生设计规程DL 5000-2000 火力发电厂设计技术规程国电公司电力安全工作规程DL/T 596-1996 电力设备预防性试验规程Q/CSG 10007-2004 电力设备预防性试验规程GB50150-1991 电气装置安装工程电气设备交接试验标准GB/T 311-2002 高压输变电设备的绝缘配合2.0 取样电路的设计针对不同监测点的电流配套相应的电流传感器，保证在整个测量范围内保持高的线性度和稳定性。
电容型设备的在线监测
常用介电特性参数：介质损耗角正切，电容值和电流值
常用介电特性参数：介质损耗角正切，电容值和电流值
发现绝缘整体劣化 较为灵敏
给出极化过程介 质结构变化信息
根据介质损耗角正切随电压而变化的曲线可判断绝缘是否受潮， 含有气泡及老化的程度
1表示绝缘良好 2表示绝缘中存在气隙 3表示受潮绝缘
绝缘受潮, 油或浸渍物脏污或劣化变质, 绝缘中有气隙发生放电 等。这些都会使流过绝缘的电流中有功电流分量增大, 从而导致 tan 值增大
C X C0U 0 / 0
二、相位差法 1、硬件实现：系统先通过采样电路捕捉电流和电压信号，进入 相位鉴别单元，求出电流电压相位差，进而得出损耗角正切 2、软件实现：过零时差比较法 系统先通过采样电路捕捉电流和电压信号的过零点，然后通过 一系列的逻辑转换电路形成一定宽度的方波信号，方波的宽度 反映了电流和电压信号的相位差。
（1）电压电流两路信号采集的同时性
（2）保证在一个周期内均匀采集到整数个点数，以防止出现 频谱泄漏，而导致采样误差
5.3 测量三相不平衡电流
可通过监测三相的三个同类型设备的电流之和来发现某相设 备的绝缘缺陷 认为三相设备绝缘同时劣化的概率小，因此某相设备绝缘劣 化，流经三相的电流将不平衡，则三相电流之和将相应会改 变。
监测其变化就可以发 现故障
一、三相不平衡的原因 1、因三相设备绝缘的等效导纳的差别和电源电压不对称而引 起的
I y YA U A YB U B YC U C I u U 0 (YA YB YC )
2、感应电流 各相设备对母线、相邻电器及配电装置其他元件间导纳差异 所引起的
用软件剔除，可引入校正系数
容性设备在线监测课件
根据不同场景的需求，定制化的 解决方案，满足各种复杂场景的 监测需求。
05
容性设备在线监测的挑 战与解决方案
数据处理与干扰消除
总结词
在容性设备在线监测中，数据处理和干扰消除是关键的挑战。
详细描述
由于监测系统通常会接收到大量数据，因此需要有效地处理这些数据，以提取有 用的信息。此外，由于电力系统的运行环境复杂多变，各种干扰可能会对监测系 统造成影响，因此需要进行干扰消除以获得准确的结果。
02
预测性维护
通过在线监测技术对容性设备的运行状态进行实时监控，能够实现预测
性维护，提前发现设备故障隐患，减少设备损坏和维修成本。
03
优化运行管理
在线监测技术将帮助电力企业实现对容性设备的优化运行管理，通过对
数据的分析和挖掘，制定更加科学合理的运行方案，提高设备运行效率
和安全性。
THANKS
感谢观看
背景：随着电力系统规模的不断扩大和运行复杂性的增加， 容性设备的故障对电力系统稳定性和可靠性的影响日益突出 。因此，开展容性设备在线监测对于保障电力系统安全运行 具有重要意义。
监测的重要性
实时监测容性设备的运行状态， 及时发现并处理故障，有助于降 低设备故障率，提高设备使用寿
命。
在线监测能够为电力系统的稳定 运行提供重要数据支持，为运维
在线监测技术的应用领域将进一步 扩大，不仅局限于电力行业，还将 拓展到石油、化工、钢铁等领域， 实现多元化应用。源自人工智能与大数据的应用前景
深度学习
人工智能将应用于在线监测数据的处理中，通过深度学习 算法对大量数据进行学习，提取出更准确的特征和规律， 提高监测准确度。
数据挖掘
大数据技术将应用于在线监测数据的挖掘中，通过对大量 数据的分析和挖掘，提取出有价值的信息，为决策提供支 持。
容性设备在线监测
容性设备在线监测系统一系统发展背景电力系统中，高压容性设备是指某些绝缘结构可视为一组串联电容的设备，数量在变电站中占较大比重，且具有重要的地位，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，因而对其绝缘状态进行监测具有重点的意义。
容性设备的绝缘劣化、缺陷的发展大多数都有一定的发展期。
在这期间，绝缘会发出绝缘状态变化的各种物理化学信息，借助实时的在线监测系统，就能及早发现这种缺陷，及时发出警报，从而为管理人员决策提供有力的依据。
容性设备的绝缘在线监测技术对电力工业的发展具有重大意义，归纳起来主要有：1.能够及时反映电力系统主设备绝缘状态，从而及时发现缺陷，提高整个系统供电的可靠性。
2.减少主设备停电的盲目性，降低了供电成本，提高电力系统经济效益。
3.在线监测装置安装固定在被试设备上，避免了大量停电操作和高空拆装引线、临时布置试验场地等带来的不安全因素，增加了人身安全性。
二系统概述容性设备在线监测系统可监测35kV － 1000kV电压等级的电力变压器套管、电抗器套管、电流互感器、电压互感器、耦合电容器等高压电气设备的绝缘状况和故障诊断。
容性设备绝缘在线监测的在线监测及分析系统，系统主要包括线监测装置（由传感器和嵌入式监测主机组成）、通信总线、系统网关服务器及后台分析和诊断软件。
容性设备在线监测系统采用分层分布式结构,综合运用先进的零磁通无源传感器技术、同步采样技术、程控放大技术、数字信号处理技术等,实现了信号采集的就地数字化和智能化,并由现场总线将实时数据送入容性设备在线监测系统后台数据库中保存。
通过网络通信还可以把容性设备在线监测系统的监测数据汇集到上层的数据管理和专家诊断系统,实现对变电站内容性设备绝缘状态的在线监测和诊断。
三系统功能特点1.实时监测2.数据图表生成3.故障设备跟踪4.数据处理分析5.WEB查询6.远程维护7.故障设备跟踪报警及事故记录采用最新的超微晶材料、双层电磁屏蔽、单匝穿心结构的高精度无源传感器与电力设备一次系统完全隔离，不影响系统运行接线方式，绝对保证系统设备及运行的安全。
容性设备在线监测方法综述
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果为例进行分析。图1（a）、图1（b）分别为2002年5月30日至5月31日两天
1号变和2号变A相套管的介损在线监测数据。图1（c）、1（d)、1（e）分别 为对应时间段内母线电压值、环境温度和湿度监测数据。
图1（a）1号变A相套管介损
图1（b）2号变A相套管介损
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图1（c）母线电压监测数据
图1（d）环境温度数据
响相对减弱。可见，如果tan������序列与环境温度、湿度序列变化接近，可认为
绝缘状况良好或正常；如果tan������序列与设备温度序列变化接近，则认为绝缘 有一定的劣化。因此，可以采用灰关联度对不同监测序列之间的相近程度进 行量化，从而判断绝缘的状况。
四、灰度关联法的实例分析
19
对山东某110kV变电站容性设备进行在线监测，以两台主变套管的监测结
6.其它实际操作中的因素
如电气接线，传感器质量因素，BNC接头出现问题等。
三、信号分析方法的改进
11
1.软件法采集的信号在进行处理前需进行A/D转换，在提取信号特征值时
需利用算法进行分析，信号处理的效果涉及到采样频率、采样点数、数据分
析法三种关键要素。 波形真实度
采样频率
信噪比
后期处理时间
12
低，而当电压较低时，介损则较高；2号波动较小，也无明显与电压曲线
的关联性，验证了上面的分析。 现场实际情况： 1号变是在1986年投运的，2号变是在1997年投运的，两台主变套管的运 行时间差异大，制造工艺有区别，1号变由于运行时间长，绝缘老化、受 损的程度应大于2号变。
23
容性设备在线监测有效 性分析及算法改进
主要内容
2
一、容性设备在线监测的概述 二、信号采集影响因素的分析 三、信号分析方法的改进 四、实例分析
一、容性设备在线监测的概述
3
电流互感器
高压套管
耦合电容器
电压互感器
电力电容器
一、容性设备在线监测的概述
4
一、容性设备在线监测的概述
5
依据空间理论的数学基础，按照规范性、偶对称型、整体性 和接近性的原
则，确定参考序列和若干比较序列之间的关联系数和关联度，寻求系统中各 因素间的主要关系，找出影响目标值的重要因素。采用的是曲线几何形状分
析比较的方法，认为几何形状越接近则变化发展态势越接近，关联度就越大。
16
将灰关联分析引入容性设备绝缘状况诊断，通过介损变化曲线与外界影
(软件法) 软件法处理的基波不受高次谐波和电子线路产生的零漂的影响；克服硬 件法的模拟测量法抗干扰能力差的特点；即提高了测量精度及测量结果的稳 定性。
二、信号采集影响因素的分析
9
二、信号采集影响因素的分析
10 3.PT二次负荷的变化
电压互感器的测量精度与其二次侧负荷的大小有关，如果PT 二次负荷不
I=Ir+IC
I;IC
U
绝缘介质等效电路图 电流相量图
一、容性设备在线监测的概述
6
视在功率 S S= P + jQ = U Ir+ jUIC P= Q tan = U2 C tan
Q
P
介质损耗
单元体积的介质损耗 P= Q tan = E2 tan
磁场等其它因素有关，且具有分散性。但tan������的测量结果与这些因素的相关 性、影响因子尚未明了。利用灰度关联分析法可以通过大量的在线监测数据
进行分析，得到tan������和这些因素的相关性。
灰色系统理论，是对系统变化发展态势的定量描述和比较的方法，利用 已知信息去揭示未知信息，即系统的“白化”问题。变化发展态势的比较，
变，则角差基本固定不变。 4. 环境因素 户外环境，运行电压较高，易受到温度、湿度、外绝缘污秽的影响，造 成表面泄露，使损耗增大，造成在线监测数据不稳定。 5.其它运行项的电场及磁场耦合干扰 变电站内的运行电气设备除了要承受工作电压的作用，还会受相邻的其 它电气设备产生的电场影响，会影响传感器的灵敏度与可靠性。
一、容性设备在线监测的概述
8
软件法主要用于集中式、分布式监测系统，采用波形分析的思路，硬件
只完成采样，通过编写多种上位机软件算法处理干扰、谐波的影响，较为灵
活。主要有：波形拟合法（基于最小二乘法）、滤波法、谐波分析法。
u i
传感器 1
uv ui
多通道 RS232 波形采 微机 结果 集装置
传感器 2
利用插值法找到任意两个同向过零点 的位置Z1和Z2，进行积分计算。
参考文献[2]:左自强,徐阳,曹晓珑,刘斌. 计算 电容型设备介质损耗因数的相关函数法的改进 [J]. 电网技术,2004,18:53-57.
15
4.灰度关联分析
tan������的测量结果除了与绝缘状态有关，还与时间、温度、湿度、电场、
响变化曲线的关联度大小及排序进行诊断，可降低对诊断知识的要求，避免
搜集完整样本的困难。 灰关联分析步骤如下： 1）确定参考序列x0和比较序列xj: （4.1）
2)计算关联系数： （4.2）
17
（4.3）
（4.4）
（4.5）
18
与参考序列变化态势越接近者，其关联度越大。
诊断思想：
当绝缘状态良好时，环境温度、湿度变化对介损结果的影响要明显一些。 而当绝缘状况下降时，设备本体温度对tan������的影像增强，而外界温湿度的影
功率三角形
一、容性设备在线监测的概述
7
Cx uv u i
(a)
u i
传感器 传感器
uv
前向通道 前向通道 (b)
信号 处理 系统
数据 分析 系统
ui
tan
硬件法 硬件法不仅需要实现硬件采样还要进行数据处理分析，受到硬件采集及 处理性能的限制，容易受到硬件元件的零漂、谐波干扰以及硬件处理环节的 累计误差。
2.谐波分析法
在对数据进行分析时，无论是谐波分析法还是滤波法，都是基于固定的
基频——50Hz进行计算的。采样点数也都是按照整数周期计算，但实际的电 网频率往往在49.8~50.2Hz范围内波动，甚至在更大范围内波动，不能确保积
分长度是整周期。
对于谐波分析法来讲，采样通常在非同步情况下进行, 即使采用了跟踪 锁相技术, 采样频率的控制也很困难, 故难以实现严格的同步采样，产生频
率泄露问题。文献[1]提出改进方向：
采用软件法计算出信号基波的真实频率， 利用真实频率确定最佳采样频率和采样点数； 再利用傅里叶分解求取tan������。
参考文献[1]：邹艳平. 电气设备介质损耗在线测量的谐波分析法研究[J]. 黑龙江电力,2008,01:13-15.
13
（1）
（2）
14
（3）
图1（e）环境湿度数据
21
表1 两台主变套管介损与各影响因素的灰关联度
结论：
1.1号变3相套管的介损与电压的关联度最大，2号3想套管的介损与湿
度的关联度最大，即2号变得绝缘状况由于1号变； 2.1号变中的B相、C相介损与电压的关联度大于 A相的关联度，绝缘老 化更严重；
22
3.图1（a）、（b）、（c）中，对于1号A相套管，当电压较高时，介损较