电容型设备在线监测介损值的误差分析
日期：2008-9-23 0:37:52 来源：中国自动化网
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采用电桥平衡方法在线监测电容型设备的介质损耗因数和电容量［1］具有测量数据准确度高、直接反映设备状况等优点。这种方法自1992年在石家庄供电公司应用以来，已在电流互感器和耦合电容器测量上得到了普及并取得了较好的应用效果。
停电离线式测试方法最大的干扰是现场的电场干扰，而在线监测由于信噪比高，电场干扰基本上不影响测量，误差主要产生于实际操作中和测试方法中干扰因素的影响。在文［1］中已经对方法中作为电容分压的互感器主绝缘和末屏介损以及被试品末屏对地电容对测试的影响进行了分析，现就测量中其他因素的影响进行分析，以提高对测试数据判断的准确性。
消除误差的基本方法有：尽量使变量误差转为固定误差；可通过计算出误差值予以校正。
1 电流互感器测量误差因素分析
1．1 接入电桥标准电容CN上电压U2变化引起的误差分析
据本方法测量介损的公式为
tgδ测＝tgδ＋tgδM－ωCNR4＋tgδi（1）
以电容分压的形式提供接入标准电容器的电压是本测试方法的一个特点。由测试原理图可知，当提供电桥标准电容器的电压的分压电容采用无损耗电容器，其电压U2值的大小对测试结果是没有影 响的，将电压U2的数值调整到100/V只是为方便计算试品的电容量。为了测试方便和避免因挂接高压电容器时可能造成的危险，一般在同相电流互感器的末屏处外接低电压可调电容器来抽取U2。以互感器主绝缘电容作为高压分压电容C1。因为担当分压作用的电流互感器主绝缘和末屏对地都有介质损耗，低压可调电容C2′也非无损电容器，当电容C2′并联到互感器末屏处时，U2与U之间因此影响出现角差，影响测量的准确度，其中末屏的介质损耗影响较大。测试原理如图1所示。
如图2所示，C2为互感器末屏对地电容CM与外接可调电容的等效电容。RM为互感器末屏及可调电容器对地等效绝缘电阻。
假设互感器末屏对地绝缘非常好，接近无损耗时，I与U2间的角度应为90°，U2与U同相，当存在RM时，U2与U之间出现了角差δM，并且tgδM
因此，当调整tgδi来补偿ωCNR4时，如根据进口的220 kV电流互感器计算调整的tgδi，测量这些互感器的准确度较高。在测量国产220 kV互感器时，如果互感器与进口互感器末屏介损相差不大，或者误差在工程允许的范围之内，对测量结果影响也不会很大。但在测量末屏介损较大的互感器，如国产110 kV互感器时，因其末屏对地介质损耗一般都在1％以上，就不能忽略其影响，由于这种影响，测量数值甚至会超出规程的规定值。
1．2 解决方法
由以上分析可得到下列解决方法：
a．根据不同的被试品，重新计算和调整tgδi计算和调整后，使，对于220k V与110 kV互感器，tgδi重新计算和调整后分档，达到提高测量准确度和一机多用的目的。
b．在满足测量时电桥平衡要求的前提下，降低U2电压值。因降低U2电压值，实际上就是增加了电容C2的电容值，这个结果使得tgδM减小，达到满足工程准确度的要求。
因为互感器末屏介损的存在，接入电桥标准电容的U2的电压值随C2电容量的变化而变化，U2与U之间角差也随之变化。所以，当电桥调整好之后，所选定的U2电压值在测量中就不宜随意变化太大，否则会引起测量值的误差。在今后的测量中，如果采用降低U2的方法，满足测量要求所选定的电压值也以此为准，不宜变化太大。
因此，测量方法要求的选择固定的电压值实际上就是相对固定，使互感器末屏介损引起的误差成为固定误差，便于消除。因为互感器末屏的电容量CM较大，所以计算电容量时，测量引线对地的杂散电容一般可以忽略不计，这就决定了测量时接入电桥标准臂和测量臂的引线可以互换，对引线长短的要求也不高。
2 耦合电容器测量误差因素分析
耦合电容器因下部接有继电保护或载波通讯接口，如果在测量时将末端与地之间断开，将耦合电容器末端接入电桥，就需要将保护退出或通讯中断。在将尾端接入电桥的过程中也存在人身和设备危险。因此，耦合电容器的在线监测一般采用由精密电流互感器串入末端回路取得测量信号的方法。
2．1 精密电流互感器角差引起的误差
精密电流互感器的角差不可能做到零，因为试品本身的介损值较小，所以对精密电流互感器角差的要求也较高，至少不能使精密电流互感器的角差值“淹没”试品介损的测量值，一般要求其角差不大于4′。由此带来的测量误差是固定误差，一般是可以通过调整tgδi的方法解决。一台测量仪器要面对众多的测量接口，要求精密电流互感器的角差范围越小越好，如果精密电流互感器各个角差相差很大，势必造成仪器调整困难，增大测量误差。
2．2 耦合电容器下部的结合滤波器引起的误差
结合滤波器，如JL型结合滤波器的实际接线、等效电路和相量如图3所示。
据实际测量，结合滤波器一次线圈的直流电阻为0．087Ω（实际测量值），与耦合电容器的串联等效电阻相比可忽略不计，安装有测量接口的结合滤波器的对地电压，根据实地测量U2为10～25 V，与系统对地电压220000/之比约为6 350／1。由于相量图上U2的幅值很小，即φ非常小，所以用系统电压表示耦合电容两端电压U1，测量误差非常小。
2．3 耦合电容器下部的电压抽取装置引起的误差
电压抽取装置以ZYk 2型为例，其实际接线（输出额定电压100 V）、等效电路和相量见图4。
电压抽取装置的原理同电容式电压互感器，抽取的电压UL约为100 V。同理，由于电压抽取装置的存在，UL引起了测量误差φ，但由于UL的幅值与系统对地电压相比非常小，引起的测量误差可通过计算和调整来消除，在工程上可以忽略。
3 电容式电压互感器测量误差
电容式电压互感器同电压抽取装置的原理是相同的，但由于电容式电压互感器在电磁单元中增加了谐振电抗器、阻尼器、过电压保护装置等，使得引起测量误差的因素增多。且由于C2抽取的电压（相当于UL）线路型一般约为13 kV，母线型约为20kV，使得引起的测量误差不容忽略并且较难克服。实际上电容式电压互感器的在线测量介质损耗因数tgδ使用以电桥平衡原理直接测试试品介损的方法，尚未得到解决，即使经调试得出的数据也不是真实的测量数据。但可以使用钳形电流表或在分压电容的低压端串联电流表测量其电容电流，以此来监视其电容量的变化。
由于分压电容的低压电容量较大，因此主要承受电压的高压电容器的电容量变化所引起的整体电容电流变化不太显著，而电流表测量的正是由高压和低压2个电容器串联后的整体电流，因此检出缺陷的效果不十分理想。
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停电离线式测试方法最大的干扰是现场的电场干扰，而在线监测由于信噪比高，电场干扰基本上不影响测量，误差主要产生于实际操作中和测试方法中干扰因素的影响。在文［1］中已经对方法中作为电容分压的互感器主绝缘和末屏介损以及被试品末屏对地电容对测试的影响进行了分析，现就测量中其他因素的影响进行分析，以提高对测试数据判断的准确性。
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消除误差的基本方法有：尽量使变量误差转为固定误差；可通过计算出误差值予以校正。
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1．1 接入电桥标准电容CN上电压U2变化引起的误差分析
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据本方法测量介损的公式为
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tgδ测＝tgδ＋tgδM－ωCNR4＋tgδi（1）
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以电容分压的形式提供接入标准电容器的电压是本测试方法的一个特点。由测试原理图可知，当提供电桥标准电容器的电压的分压电容采用无损耗电容器，其电压U2值的大小对测试结果是没有影 响的，将电压U2的数值调整到100/V只是为方便计算试品的电容量。为了测试方便和避免因挂接高压电容器时可能造成的危险，一般在同相电流互感器的末屏处外接低电压可调电容器来抽取U2。以互感器主绝缘电容作为高压分压电容C1。因为担当分压作用的电流互感器主绝缘和末屏对地都有介质损耗，低压可调电容C2′也非无损电容器，当电容C2′并联到互感器末屏处时，U2与U之间因此影响出现角差，影响测量的准确度，其中末屏的介质损耗影响较大。测试原理如图1所示。
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如图2所示，C2为互感器末屏对地电容CM与外接可调电容的等效电容。RM为互感器末屏及可调电容器对地等效绝缘电阻。
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假设互感器末屏对地绝缘非常好，接近无损耗时，I与U2间的角度应为90°，U2与U同相，当存在RM时，U2与U之间出现了角差δM，并且tgδM
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因此，当调整tgδi来补偿ωCNR4时，如根据进口的220 kV电流互感器计算调整的tgδi，测量这些互感器的准确度较高。在测量国产220 kV互感器时，如果互感器与进口互感器末屏介损相差不大，或者误差在工程允许的范围之内，对测量结果影响也不会很大。但在测量末屏介损较大的互感器，如国产110 kV互感器时，因其末屏对地介质损耗一般都在1％以上，就不能忽略其影响，由于这种影响，测量数值甚至会超出规程的规定值。
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1．2 解决方法
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由以上分析可得到下列解决方法：
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a．根据不同的被试品，重新计算和调整tgδi计算和调整后，使，对于220k V与110 kV互感器，tgδi重新计算和调整后分档，达到提高测量准确度和一机多用的目的。
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b．在满足测量时电桥平衡要求的前提下，降低U2电压值。因降低U2电压值，实际上就是增加了电容C2的电容值，这个结果使得tgδM减小，达到满足工程准确度的要求。
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因为互感器末屏介损的存在，接入电桥标准电容的U2的电压值随C2电容量的变化而变化，U2与U之间角差也随之变化。所以，当电桥调整好之后，所选定的U2电压值在测量中就不宜随意变化太大，否则会引起测量值的误差。在今后的测量中，如果采用降低U2的方法，满足测量要求所选定的电压值也以此为准，不宜变化太大。
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因此，测量方法要求的选择固定的电压值实际上就是相对固定，使互感器末屏介损引起的误差成为固定误差，便于消除。因为互感器末屏的电容量CM较大，所以计算电容量时，测量引线对地的杂散电容一般可以忽略不计，这就决定了测量时接入电桥标准臂和测量臂的引线可以互换，对引线长短的要求也不高。
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2 耦合电容器测量误差因素分析
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2．2 耦合电容器下部的结合滤波器引起的误差
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据实际测量，结合滤波器一次线圈的直流电阻为0．087Ω（实际测量值），与耦合电容器的串联等效电阻相比可忽略不计，安装有测量接口的结合滤波器的对地电压，根据实地测量U2为10～25 V，与系统对地电压220000/之比约为6 350／1。由于相量图上U2的幅值很小，即φ非常小，所以用系统电压表示耦合电容两端电压U1，测量误差非常小。
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2．3 耦合电容器下部的电压抽取装置引起的误差
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电压抽取装置以ZYk 2型为例，其实际接线（输出额定电压100 V）、等效电路和相量见图4。
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电压抽取装置的原理同电容式电压互感器，抽取的电压UL约为100 V。同理，由于电压抽取装置的存在，UL引起了测量误差φ，但由于UL的幅值与系统对地电压相比非常小，引起的测量误差可通过计算和调整来消除，在工程上可以忽略。
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3 电容式电压互感器测量误差
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