CN110850178A - 绝缘套管在线频域介电谱检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝缘套管在线频域介电谱检测方法，涉及高压绝缘套管检测技术领域，包括以下步骤：S1、获取高压套管处的电压和电流信号；S2、计算出高压套管处的谐波电压和谐波电流；S3、通过幅值和相位关系计算出套管主绝缘在一定频带范围内的复电容；S4、计算出复介电常数的频谱；S5、完成频域介电谱的在线监测。本发明利用稳态谐波所包含的基频及高频成分来计算获取套管主绝缘系统的复电容和复介电常数，无需对设备离线测试，也无需主动注入宽频电压信号，可实现套管频域介电谱的被动式的在线监测，克服了工频介损对绝缘性能变化不够敏感的问题，也克服了传统频域介电谱测试难以实现在线监测的问题。

Description

绝缘套管在线频域介电谱检测方法

技术领域

本发明涉及高压绝缘套管检测技术领域，特别涉及一种绝缘套管在线频域介电谱检测方法。

背景技术

油浸式高压绝缘套管是大型电力变压器重要的附属安全装置，在变压器的运行过程中起着将变压器内部高压以及低压的引线从变压器引出的作用，高压绝缘套管不仅实现了变压器与外部电气网络的连接，还实现了变压器引线与变压器外壳的绝缘作用。在套管长期运行过程中的电、热、机械等应力及设备异常运行或环境因素等特殊工况下，油纸绝缘可能发生受潮等绝缘性能下降的现象，会严重影响设备的安全稳定运行。据统计，套管故障在变压器附件缺陷引发故障中，仅次于分接开关，占变压器电气故障的35％～45％。

目前生产实际中，主要通过在线监测套管工频条件下的介质损耗因数和电容量以判断套管受潮状态。但工频介损携带信息量较少，对水分敏感度较差，在现场检测过程中还会受到复杂的电磁环境、温度以及套管绝缘老化等因素的干扰，一旦出现由于水分导致介损值发生明显变化，往往套管已经出现严重问题。从变压器套管绝缘的在线监测的灵敏性和准确性角度来讲，急需一种能够有效反应套管绝缘状况的在线监测方法。

近年来，基于介电响应原理的频域介电谱法，因其无损测试、所含信息丰富、抗干扰能力强等优点，而被逐渐广泛应用到现场油纸绝缘电力设备的状态评估中。国内外学者对频域介电谱应用于油浸式电力设备状态检测的方法技术开展了大量研究，发现频域介电响应曲线的参数对温度、水分、老化程度等因素具有较好的灵敏度，能够有效反应油纸绝缘状态的变化，但目前的研究仅限于实验室测试和现场设备离线测试，难以实现电力设备长期运行中绝缘状态的在线监测。在频域介电谱的测试中通常需要对施加频率可调的交流电压，但对于在线运行的电力设备而言，往往难以实现，这也是频域介电谱法尚未应用于电力设备在线监测的最主要原因。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案实现：

一种绝缘套管在线频域介电谱检测方法，包括以下步骤：

S1、获取高压套管处的电压和电流信号；

S2、计算出高压套管处的谐波电压和谐波电流；

S3、通过幅值和相位关系计算出套管主绝缘在一定频带范围内的复电容；

S4、计算出复介电常数的频谱；

S5、完成频域介电谱的在线监测。

优选地，步骤S2所述计算出高压套管处的谐波电压和谐波电流，采用以下公式计算：

其中U₀和I₀分别表示基波电压和电流的幅值，u_x(t)和i_x(t)分别表示x次谐波电压和电流的稳态信号，A_x和B_x分别表示谐波电压、电流与基波电压、电流信号间的比例系数，ω_x表示谐波信号的角频率。

优选地，步骤S3所述通过幅值和相位关系计算出套管主绝缘在一定频带范围内的复电容，采用以下公式计算：

C^*(ω_x)＝i_x(t)/u_x(t),(x＝0,1,2,…n)

其中，角频率为ω_x时的套管油纸绝缘系统的复电容C^*(ω_x)。

优选地，步骤S4所述计算出复介电常数的频谱，采用以下公式计算：

ε^*(ω_x)＝C^*(ω_x)/jω_xC₀,(x＝0,1,2,…n)

其中，C₀表示套管绝缘的真空电容，根据套管参数计算得到。

本发明具有如下特点和效益：利用稳态谐波所包含的基频及高频成分来计算获取套管主绝缘系统的复电容和复介电常数，无需对设备离线测试，也无需主动注入宽频电压信号，可实现套管频域介电谱的被动式的在线监测，克服了工频介损对绝缘性能变化不够敏感的问题，也克服了传统频域介电谱测试难以实现在线监测的问题。

附图说明

图1是本发明提供的检测连线示意图。

具体实施方式

为使本申请实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的图1，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

一种绝缘套管在线频域介电谱检测方法，包括以下步骤：1、获取高压套管处的电压和电流信号；2、计算出高压套管处的谐波电压和谐波电流；3、通过幅值和相位关系计算出套管主绝缘在一定频带范围内的复电容；4、计算出复介电常数的频谱；5、完成频域介电谱的在线监测。为了能够更清楚地说明如何获取高压套管处的电压和电流信号以及需要什么装置进行采样，如图1所示，本发明提供了相应的检测连线示意图。图中，待测高压绝缘套管1上的套管末屏2通过导线与大地连接，该导线穿设过一个罗氏线圈3，螺栓线圈的输出端与数据采集及转换模块(A/D)5的一个输入端连接。此外，数据采集及转换模块(A/D)5的另外一个输入端通过导线与电压互感器4的外表面连接。数据采集及转换模块(A/D)5的输出端与后台分析系统6连接。后台分析系统6中设置有分析软件，该后台分析系统6以及软件均为现有的技术，可以直接购买套用。

台分析系统6通过数据采集及转换模块(A/D)5获取高压套管处的电压和电流信号后，对其进行傅里叶变换，可获得包括基波在内的各个频率下的电压和电流谐波信号。采用以下公式计算：

其中U₀和I₀分别表示基波电压和电流的幅值，u_x(t)和i_x(t)分别表示x次谐波电压和电流的稳态信号，A_x和B_x分别表示谐波电压、电流与基波电压、电流信号间的比例系数，ω_x表示谐波信号的角频率。

接着，若上述角频率为ω_x时的套管油纸绝缘系统的复电容C^*(ω_x)可按：

C^*(ω_x)＝i_x(t)/u_x(t),(x＝0,1,2,…n)

计算出复电容。

然后计算出套管油纸绝缘系统的复介电常数，并可以得出其复介电常数的频谱：

ε^*(ω_x)＝C^*(ω_x)/jω_xC₀,(x＝0,1,2,…n)

其中，C₀表示套管绝缘的真空电容，可根据套管参数计算得到。

最后，通过上述技术，就能够完成频域介电谱的在线监测。

本发明属于被动式的频域介电谱在线监测方法，利用套管上出现的谐波电压及谐波电流来计算不同频率下的套管油纸绝缘复电容及复介电常数，实现频域介电谱的在线监测。自交流电力系统诞生以来，谐波就存在于电力系统中，目前随着电力系统中的非线性设备的数量和容量的增加而日益增大，是电力系统中不可忽视的重要现象。电力系统的谐波电压含有丰富的高频成分，一般为基波频率(50Hz)整数倍的高次谐波，其幅值通常随着频率的升高而减小。测量高压套管处的稳态电压谐波u(t)和稳态电流谐波i(t)，并通过其幅值和相位关系可以计算套管主绝缘在一定频带范围内的复电容，进一步可计算得到其复介电常数的频谱，实现频域介电谱的在线监测。

其中，稳态电压谐波u(t)是指施加在套管的高压导杆和套管与变压器外壳相连接的金属法兰之间的电压谐波信号，稳态电流谐波i(t)是指由稳态电压谐波所引起的流过套管油纸绝缘系统的电流谐波信号。稳态电压谐波从电压互感器处获取，电压互感器能够较精确地测量高压引线对地之间的稳态电压信号，无需增加额外的电压测量装置。稳态电流谐波从末屏接地线处获取，采用罗氏线圈测量末屏接地线上的稳态电流谐波信号。

如图1所示，某一时刻后台分析系统6接收到来自数据采集及转换模块5的谐波电流电压监测信息如表1所示(以基波和3、5、7次谐波为例)。

表1谐波电压电流监测信息

根据表1数据，以上谐波电压电流的表达式可按照上述公式代入：

u₁(t)＝115.54×e^j314t

u₃(t)＝41.99×e^j942t

u₅(t)＝23.33×e^j1570t

u₇(t)＝18.66×e^j2198t

i₁(t)＝8.91×e^{j(314t+1.5545})

i₃(t)＝7.18×e^{j(942t+1.5590)}

i₅(t)＝6.64×e^{j(1570t+1.5600)}

i₇(t)＝7.43×e^{j(2198t+1.5604})

进一步计算出不同频率下的复电容C*(ωx)的实部和虚部，如表2所示。

表2复电容实部及虚部计算结果

根据被监测套管的主绝缘系统(电容芯子)结构尺寸参数，仿真计算得到电容芯子的真空电容值C0＝4.18231×10-11F，进一步计算复介电常数实部及虚部，如表3所示。

表3复介电常数实部及虚部计算结果

其他频率下的复介电常数实虚部均可按照以上方法进行计算，然后可获得类似表3的，宽频范围内的油纸绝缘套管的介电常数频域谱的离散数据。

本发明利用稳态谐波所包含的基频及高频成分来计算获取套管主绝缘系统的复电容和复介电常数，无需对设备离线测试，也无需主动注入宽频电压信号，可实现套管频域介电谱的被动式的在线监测，克服了工频介损对绝缘性能变化不够敏感的问题，也克服了传统频域介电谱测试难以实现在线监测的问题。

Claims (4)

1.一种绝缘套管在线频域介电谱检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取高压套管处的电压和电流信号；

S2、计算出高压套管处的谐波电压和谐波电流；

S3、通过幅值和相位关系计算出套管主绝缘在一定频带范围内的复电容；

S4、计算出复介电常数的频谱；

S5、完成频域介电谱的在线监测。

2.根据权利要求1所述的绝缘套管在线频域介电谱检测方法，其特征在于：

步骤S2所述计算出高压套管处的谐波电压和谐波电流，采用以下公式计算：

其中U₀和I₀分别表示基波电压和电流的幅值，u_x(t)和i_x(t)分别表示x次谐波电压和电流的稳态信号，A_x和B_x分别表示谐波电压、电流与基波电压、电流信号间的比例系数，ω_x表示谐波信号的角频率。

3.根据权利要求1所述的绝缘套管在线频域介电谱检测方法，其特征在于：

步骤S3所述通过幅值和相位关系计算出套管主绝缘在一定频带范围内的复电容，采用以下公式计算：

C^*(ω_x)＝i_x(t)/u_x(t),(x＝0,1,2,…n)

其中，角频率为ω_x时的套管油纸绝缘系统的复电容C^*(ω_x)。

4.根据权利要求1所述的绝缘套管在线频域介电谱检测方法，其特征在于：

步骤S4所述计算出复介电常数的频谱，采用以下公式计算：

ε^*(ω_x)＝C^*(ω_x)/jω_xC₀,(x＝0,1,2,…n)

其中，C₀表示套管绝缘的真空电容，根据套管参数计算得到。

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