CN106093593A - 电容式电力设备介质损耗在线检测方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容式电力设备介质损耗在线检测方法和***，在线测量电容式电力设备的接地线上的电流，以及电容式电力设备母线电压互感器上的电压。通过傅里叶分析获得电压和电流的各次谐波分量的系数。根据电压和电流的各次谐波分量的系数计算出电压和电流的各次谐波分量的幅值。根据电压和电流的各次谐波分量的幅值，计算电容式电力设备的等效电容和等效电阻。根据电容式电力设备的等效电容和等效电阻计算得到介质损耗角正切并输出。不需要改变原有电压测量和电流测量的设备和手段，不需要准确同步也可准确计算得到电容式设备的介质损耗，避免电压和电流同步测量的困难，在电压电流信号测量不同步情况下也可确保介质损耗的测量准确度。

Description

电容式电力设备介质损耗在线检测方法和***

技术领域

本发明涉及电力设备测试领域，特别是涉及一种电容式电力设备介质损耗在线检测方法和***。

背景技术

电容式电力设备是表现为电容的电力设备，如套管、电流互感器、电容式电压互感器CVT等，其在电力***中具有广泛的应用，数量约占变电站设备总台数的40％～50％。统计资料表明，导致电容式电力设备故障的主要原因是绝缘性能劣化，而绝缘劣化的一个主要表现是介质损耗上升。介质损耗tanδ是反映绝缘介质损耗大小的特征参量，它仅取决于绝缘材料的介电特性，与介质的尺寸无关。经验表明，对于电容式电力设备，测量其整体绝缘介质损耗因数可以较灵敏地发现设备中发展性的局部缺陷及设备绝缘整体受潮和劣化变质等缺陷，因而测量tanδ对于判断电容型设备的绝缘状况十分重要。

在传统的现有技术中，为了避免离线检测需要停电和不能连续监测的问题，目前通常采用介质损耗在线检测(在线监测或带电检测)的方法，即在电力设备正常运行的条件下，测量介质损耗tanδ和电容量C，但已有的方法需要同步测量，存在准确同步的困难，也很容易带来测量误差。

因此如何在不改变原有电压电流在线检测设备和方法的前提下，从非同步测量(存在一定时间差异)的电压电流信号中，准确的获取电容式电力设备介质损耗信息，对于判断电容型设备的绝缘状况具有重大的意义。

发明内容

基于此，有必要针对电压电流信号测量不同步情况下，现有介质损耗测量方法测量结果不准确的问题，提供一种电容式电力设备介质损耗在线检测方法和***。

一种电容式电力设备介质损耗在线检测方法，包括以下步骤：

在线测量电容式电力设备的接地线上的电流，以及所述电容式电力设备母线电压互感器上的电压；

通过傅里叶分析获得所述电压和所述电流的各次谐波分量的系数；

根据所述电压和所述电流的各次谐波分量的系数计算出所述电压和所述电流的各次谐波分量的幅值；

根据所述电压和所述电流的各次谐波分量的幅值，计算电容式电力设备的等效电容和等效电阻；

根据所述电容式电力设备的等效电容和等效电阻计算得到介质损耗角正切并输出。

一种电容式电力设备介质损耗在线检测***，包括：

电流电压检测模块，在线测量电容式电力设备的接地线上的电流，以及所述电容式电力设备母线电压互感器上的电压；

分析模块，通过傅里叶分析获得所述电压和所述电流的各次谐波分量的系数；

谐波分量幅值计算模块，根据所述电压和所述电流的各次谐波分量的系数计算出所述电压和所述电流的各次谐波分量的幅值；

等效电容和等效电阻计算模块，根据所述电压和所述电流的各次谐波分量的幅值，计算电容式电力设备的等效电容和等效电阻；

介质损耗角正切计算模块，根据所述电容式电力设备的等效电容和等效电阻计算得到介质损耗角正切并输出。

上述电容式电力设备介质损耗在线检测方法和***，基于电力***电压存在谐波分量，通过电容式电力设备电压和电流的基波和谐波的同时测量，根据各次谐波分量的幅值计算得到电容式电力设备的等效电容和等效电阻，不需要改变原有电压测量和电流测量的设备和手段，实施简单，安全可靠，不需要准确同步也可准确计算得到电容式设备的介质损耗，避免电压和电流同步测量的困难，在电压电流信号测量不同步情况下也可确保介质损耗的测量准确度。

附图说明

图1为一实施例中电容式电力设备介质损耗在线检测方法的流程图；

图2为电容式电力设备的等效电路图；

图3为电容式电力设备中电压和电流的相量图；

图4为电容式电力设备中电压和电流的时域波形图；

图5为一实施例中电容式电力设备介质损耗在线检测***的结构图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/和”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

一种电容式电力设备介质损耗在线检测方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S110：在线测量电容式电力设备的接地线上的电流，以及电容式电力设备母线电压互感器上的电压。

电容式电力设备是表现为电容的电力设备，如套管、电流互感器、电容式电压互感器CVT等，其在电力***中具有广泛的应用，数量约占变电站设备总台数的40％～50％。在线测量电容式电力设备的接地线上的电流通常是在电容式电力设备的接地线上采用电流互感器进行测量，在线测量电容式电力设备母线电压互感器上的电压通常是在变电站的母线电压互感器上进行测量。

步骤S120：通过傅里叶分析获得电压和电流的各次谐波分量的系数。

通过步骤S110获得了电容式电力设备的接地线上的电流和电容式电力设备母线电压互感器上的电压后，通过傅里叶级数计算获得电压和电流的各次谐波分量的系数。

具体地，在一个实施例中，步骤S120包括步骤122和步骤124。

步骤122：通过傅里叶分析获得电压的各次谐波分量的系数。具体为：

$a_n=\frac{2}{N}\[U\left(0\right)+\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}U\left(k\right)cos\left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)\]$

$b_n=\frac{2}{N}\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}U\left(k\right)sin\left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)$

步骤124：通过傅里叶分析获得电流的各次谐波分量的系数。具体为：

${a_n}^{\′}=\frac{2}{N}\[I\left(0\right)+\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}I\left(k\right)cos\left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)\]$

${b_n}^{\′}=\frac{2}{N}\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}I\left(k\right)sin\left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)$

其中，N为时域周期信号一周期采样点数，I(k)和U(k)为电流或电压第k次的采样值，n为奇数，a_n、b_n分别为电压的n次谐波的余弦系数和正弦系数，a_n'、b_n'分别为电流的n次谐波的余弦系数和正弦系数。

步骤S130：根据电压和电流的各次谐波分量的系数计算出电压和电流的各次谐波分量的幅值。

根据傅里叶算法原理，在获取了电压和电流的各次谐波分量的系数后，可以根据相应公式计算出电压和电流的各次谐波分量的幅值。

具体地，在一个实施例中，步骤S130包括步骤132和步骤134。

步骤132：根据电压的各次谐波分量的系数计算出电压的各次谐波分量的幅值，具体为：

$U_n=\sqrt{a_n^2+b_n^2}$

步骤134：根据电流的各次谐波分量的系数计算出电流的各次谐波分量的幅值，具体为：

$I_n=\sqrt{{a_n}^{\′2}+{b_n}^{\′2}}$

其中，U_n为电压的各次谐波分量的幅值，I_n为电流的各次谐波分量的幅值。

步骤S140：根据电压和电流的各次谐波分量的幅值，计算电容式电力设备的等效电容和等效电阻。

如图2所示，为电容式电力设备的等效电路图，其中，C为电容式电力设备对外表现出的等效电容，R为等效电阻，为施加在电容式电力设备上的端电压，为流过电容式电力设备的总电流，为流过电容的容性电流，为流过电阻的阻性电流。

根据图2所示的电容式设备的等效电路，基波和各次谐波的幅值应满足：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\left|{\stackrel{\·}{U}}_1\right|}{\left|{\stackrel{\·}{I}}_1\right|}=\sqrt{R^2+{\left(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{1}C}\right)}^2}\\ \frac{\left|{\stackrel{\·}{U}}_3\right|}{\left|{\stackrel{\·}{I}}_3\right|}=\sqrt{R^2+{\left(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{3}C}\right)}^2}\\ \frac{\left|{\stackrel{\·}{U}}_5\right|}{\left|{\stackrel{\·}{I}}_5\right|}=\sqrt{R^2+{\left(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{5}C}\right)}^2}\\ \mathrm{....}\end{array}\right.$

具体为：

$\frac{\left|U_n\right|}{\left|I_n\right|}=\sqrt{R^2+{\left(\frac{1}{w_{n}C}\right)}^2}$

其中，U_n为电压的各次谐波分量的幅值，I_n为电流的各次谐波分量的幅值，w_n为n次谐波的角频率，n为奇数，R为等效电阻，C为等效电容。

当n取不同值时，联立这些方程中的任意两个(如基波和三次谐波的方程)，即可求得电容式电力设备的等效电阻R和等效电容C的值。

步骤S150：根据电容式电力设备的等效电容和等效电阻计算得到介质损耗角正切并输出。

如图3所示，为电容式电力设备中电压和电流的相量图。如图4所示，为电容式电力设备中电压和电流的时域波形图。其中，C为电容式电力设备对外表现出的等效电容，R为等效电阻，为施加在电容式电力设备上的端电压，为流过电容式电力设备的总电流，为流过电容的容性电流，为流过电阻的阻性电流，为功率因数角，δ为介质损耗角。

根据基尔霍夫定律，各相量之间应满足：

$\stackrel{\·}{I}={\stackrel{\·}{I}}_R+{\stackrel{\·}{I}}_C=\frac{\stackrel{\·}{U}}{R}+\stackrel{\·}{U}\·j\mathrm{\ω}C$

功率因数角和介质损耗角δ二者之间应满足介质损耗角正切tanδ的计算方法为：

$tan\mathrm{\δ}=\frac{\left|{\stackrel{\·}{I}}_R\right|}{\left|{\stackrel{\·}{I}}_C\right|}=\frac{1}{\mathrm{\ω}RC}$

具体为：

$tan\mathrm{\δ}=\frac{1}{w_{n}RC}$

其中，δ为介质损耗角，w_n为n次谐波的角频率，n为奇数，R为等效电阻，C为等效电容。

至此，即完成了电容式电力设备正常运行条件下的介质损耗的在线检测。输出得到介质损耗角正切，具体可以是输出至显示器进行显示，也可以是输出至存储器进行存储。

上述电容式电力设备介质损耗在线检测方法，基于电力***电压存在谐波分量，通过电容式电力设备电压和电流的基波和谐波的同时测量，根据各次谐波分量的幅值计算得到电容式电力设备的等效电容和等效电阻，不需要改变原有电压测量和电流测量的设备和手段，实施简单，安全可靠，不需要准确同步也可准确计算得到电容式设备的介质损耗，避免电压和电流同步测量的困难，在电压电流信号测量不同步情况下也可确保介质损耗的测量准确度。

本发明还提供了一种电容式电力设备介质损耗在线检测***，如图5所示，包括电流电压检测模块110、分析模块120、谐波分量幅值计算模块130、等效电容和等效电阻计算模块140和介质损耗角正切计算模块150。

电流电压检测模块110用于在线测量电容式电力设备的接地线上的电流，以及电容式电力设备母线电压互感器上的电压。

分析模块120用于通过傅里叶分析获得电压和电流的各次谐波分量的系数。在其中一个实施例中，分析模块120包括电压谐波分量计算单元和电流谐波分量计算单元。

具体地，电压谐波分量计算单元通过傅里叶分析获得电压各次谐波分量的系数，具体为：

$a_n=\frac{2}{N}\[U\left(0\right)+\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}U\left(k\right)cos\left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)\]$

$b_n=\frac{2}{N}\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}U\left(k\right)sin\left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)$

电流谐波分量计算单元通过傅里叶分析获得电流的各次谐波分量的系数，具体为：

${a_n}^{\′}=\frac{2}{N}\[I\left(0\right)+\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}I\left(k\right)cos\left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)\]$

${b_n}^{\′}=\frac{2}{N}\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}I\left(k\right)sin\left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)$

其中，N为时域周期信号一周期采样点数，I(k)和U(k)为电流或电压第k次的采样值，n为奇数，a_n、b_n分别为电压的n次谐波的余弦系数和正弦系数，a_n'、b_n'分别为电流的n次谐波的余弦系数和正弦系数。

谐波分量幅值计算模块130用于根据电压和电流的各次谐波分量的系数计算出电压和电流的各次谐波分量的幅值。具体地，在其中一个实施例中，谐波分量幅值计算模块130包括电压谐波分量幅值计算单元和谐波分量幅值计算单元。

具体地，电压谐波分量幅值计算单元根据电压的各次谐波分量的系数计算出电压的各次谐波分量的幅值，具体为：

$U_n=\sqrt{a_n^2+b_n^2}$

电流谐波分量幅值计算单元根据电流的各次谐波分量的系数计算出电流的各次谐波分量的幅值，具体为：

$I_n=\sqrt{{a_n}^{\′2}+{b_n}^{\′2}}$

其中，U_n为电压的各次谐波分量的幅值，I_n为电流的各次谐波分量的幅值。

等效电容和等效电阻计算模块140用于根据电压和电流的各次谐波分量的幅值，计算电容式电力设备的等效电容和等效电阻。在其中一个实施例中，具体为：

$\frac{\left|U_n\right|}{\left|I_n\right|}=\sqrt{R^2+{\left(\frac{1}{w_{n}C}\right)}^2}$

其中，U_n为电压的各次谐波分量的幅值，I_n为电流的各次谐波分量的幅值，w_n为n次谐波的角频率，n为奇数，R为等效电阻，C为等效电容。

当n取不同值时，联立这些方程中的任意两个(如基波和三次谐波的方程)，即可求得电容式电力设备的等效电阻R和等效电容C的值。

介质损耗角正切计算模块150用于根据电容式电力设备的等效电容和等效电阻计算得到介质损耗角正切。在其中一个实施例中，具体为：

$tan\mathrm{\δ}=\frac{1}{w_{n}RC}$

其中，δ为介质损耗角，w_n为n次谐波的角频率，n为奇数，R为等效电阻，C为等效电容。

上述电容式电力设备介质损耗在线检测***，基于电力***电压存在谐波分量，通过电容式电力设备电压和电流的基波和谐波的同时测量，根据各次谐波分量的幅值计算得到电容式电力设备的等效电容和等效电阻，不需要改变原有电压测量和电流测量的设备和手段，实施简单，安全可靠，不需要准确同步也可准确计算得到电容式设备的介质损耗，避免电压和电流同步测量的困难，在电压电流信号测量不同步情况下也可确保介质损耗的测量准确度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电容式电力设备介质损耗在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

在线测量电容式电力设备的接地线上的电流，以及所述电容式电力设备母线电压互感器上的电压；

通过傅里叶分析获得所述电压和所述电流的各次谐波分量的系数；

根据所述电压和所述电流的各次谐波分量的系数计算出所述电压和所述电流的各次谐波分量的幅值；

根据所述电压和所述电流的各次谐波分量的幅值，计算电容式电力设备的等效电容和等效电阻；

根据所述电容式电力设备的等效电容和等效电阻计算得到介质损耗角正切并输出。

2.根据权利要求1所述的电容式电力设备介质损耗在线检测方法，其特征在于，所述通过傅里叶分析获得所述电压和所述电流的各次谐波分量的系数，包括：

通过傅里叶分析获得所述电压的各次谐波分量的系数，具体为：

$a_n=\frac{2}{N}\[U\left(0\right)+\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}U\left(k\right)cos\left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)\]$

$b_n=\frac{2}{N}\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}U\left(k\right)sin\left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)$

通过傅里叶分析获得所述电流的各次谐波分量的系数，具体为：

${a_n}^{\′}=\frac{2}{N}\[I\left(0\right)+\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}I\left(k\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)\]$

${b_n}^{\′}=\frac{2}{N}\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}I\left(k\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)$

其中，N为时域周期信号一周期采样点数，I(k)和U(k)为电流或电压第k次的采样值，n为奇数，a_n、b_n分别为电压的n次谐波的余弦系数和正弦系数，a_n'、b_n'分别为电流的n次谐波的余弦系数和正弦系数。

3.根据权利要求2所述的电容式电力设备介质损耗在线检测方法，其特征在于，所述根据所述电压和所述电流的各次谐波分量的系数计算出所述电压和所述电流的各次谐波分量的幅值，包括：

根据所述电压的各次谐波分量的系数计算出所述电压的各次谐波分量的幅值，具体为：

$U_n=\sqrt{a_n^2+b_n^2}$

根据所述电流的各次谐波分量的系数计算出所述电流的各次谐波分量的幅值，具体为：

$I_n=\sqrt{{a_n}^{\′2}+{b_n}^{\′2}}$

其中，U_n为电压的各次谐波分量的幅值，I_n为电流的各次谐波分量的幅值。

4.根据权利要求1所述的电容式电力设备介质损耗在线检测方法，其特征在于，所述根据所述电压和所述电流的各次谐波分量的幅值，计算电容式电力设备的等效电容和等效电阻包括：

$\frac{\left|U_n\right|}{\left|I_n\right|}=\sqrt{R^2+{\left(\frac{1}{w_{n}C}\right)}^2}$

其中，U_n为电压的各次谐波分量的幅值，I_n为电流的各次谐波分量的幅值，w_n为n次谐波的角频率，n为奇数，R为等效电阻，C为等效电容。

5.根据权利要求1所述的电容式电力设备介质损耗在线检测方法，其特征在于，所述根据所述电容式电力设备的等效电容和等效电阻计算得到介质损耗角正切包括：

$\tan \mathrm{\δ}=\frac{1}{w_{n}RC}$

其中，δ为介质损耗角，w_n为n次谐波的角频率，n为奇数，R为等效电阻，C为等效电容。

6.一种电容式电力设备介质损耗在线检测***，其特征在于，包括：

电流电压检测模块，在线测量电容式电力设备的接地线上的电流，以及所述电容式电力设备母线电压互感器上的电压；

分析模块，通过傅里叶分析获得所述电压和所述电流的各次谐波分量的系数；

谐波分量幅值计算模块，根据所述电压和所述电流的各次谐波分量的系数计算出所述电压和所述电流的各次谐波分量的幅值；

等效电容和等效电阻计算模块，根据所述电压和所述电流的各次谐波分量的幅值，计算电容式电力设备的等效电容和等效电阻；

介质损耗角正切计算模块，根据所述电容式电力设备的等效电容和等效电阻计算得到介质损耗角正切并输出。

7.根据权利要求6所述的电容式电力设备介质损耗在线检测***，其特征在于，所述分析模块包括：

电压谐波分量计算单元，通过傅里叶分析获得所述电压的各次谐波分量的系数，具体为：

$a_n=\frac{2}{N}\[U\left(0\right)+\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}U\left(k\right)cos\left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)\]$

$b_n=\frac{2}{N}\underset{k=1}{\overset{N-1}{\Σ}}U\left(k\right)sin\left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)$

电流谐波分量计算单元，通过傅里叶分析获得所述电流的各次谐波分量的系数，具体为：

${a_n}^{\′}=\frac{2}{N}\[I\left(0\right)+\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}I\left(k\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)\]$

${b_n}^{\′}=\frac{2}{N}\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}I\left(k\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}kn}{N}\right)$

其中，N为时域周期信号一周期采样点数，I(k)和U(k)为电流或电压第k次的采样值，n为奇数，a_n、b_n分别为电压的n次谐波的余弦系数和正弦系数，a_n'、b_n'分别为电流的n次谐波的余弦系数和正弦系数。

8.根据权利要求7所述的电容式电力设备介质损耗在线检测***，其特征在于，所述谐波分量幅值计算模块包括：

电压谐波分量幅值计算单元，根据所述电压的各次谐波分量的系数计算出所述电压的各次谐波分量的幅值，具体为：

$U_n=\sqrt{a_n^2+b_n^2}$

电流谐波分量幅值计算单元，根据所述电流的各次谐波分量的系数计算出所述电流的各次谐波分量的幅值，具体为：

$I_n=\sqrt{{a_n}^{\′2}+{b_n}^{\′2}}$

其中，U_n为电压的各次谐波分量的幅值，I_n为电流的各次谐波分量的幅值。

9.根据权利要求6所述的电容式电力设备介质损耗在线检测***，其特征在于，所述等效电容和等效电阻计算模块根据所述电压和所述电流的各次谐波分量的幅值，计算电容式电力设备的等效电容和等效电阻，包括：

$\frac{\left|U_n\right|}{\left|I_n\right|}=\sqrt{R^2+{\left(\frac{1}{w_{n}C}\right)}^2}$

其中，U_n为电压的各次谐波分量的幅值，I_n为电流的各次谐波分量的幅值，w_n为n次谐波的角频率，n为奇数，R为等效电阻，C为等效电容。

10.根据权利要求6所述的电容式电力设备介质损耗在线检测***，其特征在于，所述介质损耗角正切计算模块根据所述电容式电力设备的等效电容和等效电阻计算得到介质损耗角正切，包括：

$\tan \mathrm{\δ}=\frac{1}{w_{n}RC}$

其中，δ为介质损耗角，w_n为n次谐波的角频率，n为奇数，R为等效电阻，C为等效电容。