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容性设备相对介损及电容量
第#章相对介质损耗因数和电容量比值检测技术
【本章内容提要】本章主要介绍了电容型电流互感器、电容式电压互感器、耦合电容器和电容型套管等电容型设备相对介质损耗因数及电容量比值带电检测的基本原理，介绍了相对介损和电容量带电检测仪器的现场操作方法、相关注意事项和标准检测流程，以及如何应用相对介质损耗因数和电容量比值的带电测试结果分析电容型设备的运行状况。
第一节相对介质损耗因数及电容量检测技术概述
一、发展历程
相对介质损耗因数和电容量测量是以设备绝缘介质损耗因数和电容量测量方法演变而来，由于介质损耗因数测量和电容量检测能够较好的发现电气设备绝缘大部分受潮、整体绝缘缺陷等缺陷而受到广泛的运用。
但是由于介质损耗因数和电容获得需要电气设备停电后，给电气设备施加一定电压后测量，因为是停电项目受到停电周期的限制，而带电测试相对介质损耗和电容量比值方法是在设备正常运行条件下开展的，摆脱了停电周期的限制。
相对介质损耗因属和电容量比值带电检测的方法有绝对法测量和相对法测量，绝对法测量的电压信号取该电气设备上母线PT二次端子的电压信号，电流信号为被试设备末屏接地线或者末端接地线上的电流信号，经过计算得到上述两个电气设备参数，但是绝对法测量受PT角差及二次负荷的影响，导致不停电的绝对法测量结果不准确，受到很大的限制。
相对介质损耗因数及电容量比值带电检测克服了绝对法测量的缺点，指选择一台与被试设备并联的其它电容型设备作为参考设备，通过测量在其设备末屏接地线或者末端接地线上的电流信号，通过两电气设备电流信号的幅值比和相角差来获取相对介质损耗因数及电容量。
二、技术特点
电容型设备介质损耗因数和电容量比值的带电检测可以分为绝对测量法和相对测量法两种。
绝对测量法的主要优点是能够直接带电测量电容型设备的介质损耗因数和电容量的绝对值，与传统停电测量的原理和判断标准都较为类似，但由于需要从电压互感器的二次获取电压参考信号，该方法存在以下缺点：
（1）测量误差较大，主要由于以下几个方面造成：
PT固有角差的影响。
根据国家标准对电压互感器的角误差的容许值的规定，对于目前
绝大多数0.5级电压互感器来说，使用其二次侧电压作为介损测量的基准信号，本身就可能
造成±20'的测量角差，即相当于±0.006的介损测量绝对误差，而正常电容型设备的介质损耗通常较小，仅在0.002-0.006之间，显然这会严重影响检测结果的真实性。
PT二次负荷的影响。
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
负荷不变，则角误差基本固定不变。
由于介损测量时基准信号的获取只能与继电保护和仪表共用一个线圈，且该线圈的二次负荷主要由继电保护决定，故随着变电站运行方式的不同，所投入使用的继电保护会作出相应变化，故PT的二次负荷通常是不固定的，这必然会导致
其角误差改变，从而影响介损测试结果的稳定性。
（2）需要频繁操作PT二次端子，增加了误碰保护端子引起故障的几率。
相对值测量法能够克服绝对值测量法易受环境因素影响、误差大的缺点，因为外部环境
（如温度等）、运行情况（如负载容量等）变化所导致的测量结果波动，会同时作用在参考
设备和被试设备上，它们之间的相对测量值通常会保持稳定，故更容易反映出设备绝缘的真
实状况；同时，由于该方式不需采用PT（CVT二次侧电压作为基准信号，故不受到PT角
差变化的影响，且操作安全，避免了由于误碰PT二次端子引起的故障。
三、应用情况
相对介质损耗因数及电容量比值带电检测技术可广泛应用于电容型设备（如：
电容型电
流互感器、电容式电压互感器、电容型套管、耦合电容器等）绝缘情况的带电检测，有效性较高。
目前，相对介质损耗因数及电容量比值带电检测方法在河北省电力公司、福建省电力
公司等地已作为常规项目定期开展，并通过该方法及时发现了多例缺陷设备，积累了由于绝
缘受潮、绝缘老化、局部放电等缺陷导致相对介质损耗因数及电容量比值异常的缺陷案例，通过案例分析，验证了测量方法的准确性和有效性。
伴随目前多家测试仪器厂家研发仪器日
趋成熟，以及测试人员理论和技能水平的逐步提高，相对介质损耗因数及电容量比值带电检
测技术具备了进一步扩大推广应用的必要条件。
第二节相对介质损耗因数及电容量比值检测技术基本原理
一、介质损耗因数及电容量的基本知识
电介质在电压作用下，由于电导和极化将发生能量损耗，统称为介质损耗，对于良好的
绝缘而言，介质损耗是非常微小的，然而当绝缘出现缺陷时，介质损耗会明显增大，通常会
使绝缘介质温度升高，绝缘性能劣化，甚至导致绝缘击穿，失去绝缘作用。
在交流电压作用下，电容型设备绝缘的等值电路如图4-1所示。
流过介质的电流I由电容电流分量且和电阻电流分量欄两部分组成，电阻电流分量Ir就是因介质损耗而产生的，
电阻电流分量Ir使流过介质的电流偏离电容性电流的角度称为介质损耗角，其正切值
好地反映电气设备的绝缘状况。
此外通过介质电容量C特征参数也能反映设备的绝缘状况,
通过测量这两个特征量以掌握设备的绝缘状况。
图4-1电容型设备绝缘等值电路
压互感器、耦合电容器、电容型套管等，其数量约占变电站电气设备的
均是通过电容分布强制均压的，其绝缘利用系数较高。
电容型设备由于结构上的相似性，实
际运行时可能发生的故障类型也有很多共同点，其中有：
（1）绝缘缺陷（严重时可能爆炸），包括设计不周全，局部放电过早发生；
（2）绝缘受潮，包括顶部等密封不严或开裂，受潮后绝缘性能下降；
（3）外绝缘放电，爬距不够或者脏污情况下，可能出现沿面放电；
（4）金属异物放电，制造或者维修时残留的导电遗物所引起。
对于上述的几种缺陷类型，绝缘受潮缺陷约占电容型设备缺陷的85%左右，一旦绝缘受
潮往往会引起绝缘介质损耗增加，导致击穿。
对于电容型绝缘的设备，通过对其介电特性的
检测，可以发现尚处于早期阶段的绝缘缺陷，tan是设备绝缘的局部缺陷中，由介质损耗
引起的有功电流分量和设备总电容电流之比，它对发现设备绝缘的整体劣化较为灵敏，如包
括设备大部分体积的绝缘受潮，而对局部缺陷则不易发现。
测量绝缘的电容C，除了能给
出有关可能引起极化过程改变的介质结构的信息（如均匀受潮或者严重缺油）夕卜，还能发现
严重的局部缺陷（如绝缘击穿），但灵敏程度也同绝缘损坏部分与完好部分体积之比有关。
、相对介质损耗因数及电容量比值检测技术的基本原理
（一）相对介质损耗因数及电容量比值检测技术的基本原理
电容型设备介质损耗因数和电容量带电检测按照参考相位获取方式不同可以分为绝对
测量法和相对测量法两种，相对介质损耗因数及电容量比值是通过相对测量法得到的。
1•绝对测量法
绝对测量法是指通过串接在被试设备Cx末屏（或低压端）接地线上，以及安装在该母线
tan刑电容
全相同）作为参考信号的绝对值测量法向量示意图，此时仅需准确获得设备运行电压
末屏（或低压端）接地电流IX的基波信号幅值及其相位夹角a,即可求得介质损耗量C,如式1-1和1-2所示。
tanS=tan（90$）（4-1）
Cx=lcosS/wU（4-2）
绝对值测量法尽管能够得到被测电容型设备的介质损耗和电容量，但现场应用易受PT
（CVT）自身角差误差、外部电磁场干扰及环境温湿度变化的影响。
2•相对测量法
相对测量法是指选择一台与被试设备Cx并联的其它电容型设备作为参考设备Cn,通
过串接在其设备末屏（或低压端）接地线上的信号取样单元，分别测量参考电流信号In和被测
电流信号Ix，两路电流信号经滤波、放大、采样等数字处理，利用谐波分析法分别提取其基波分量，计算出其相位差和幅度比，从而获得被试设备和参考设备的相对介损差值和电容量比值。
其原理如图4-3（a）所示。
（a）测试原理图；（b）向量示意图
图4-3（b）是利用另一只电容型设备末屏（或低压端）接地电流作为参考信号的相对值测
量法的向量示意图，此时仅需准确获得参考电流In和被测电流lx的基波信号幅值及其相位夹角a即可求得相对介损差值厶tan8和电容量Cx/Cn的值，如式4-3和4-4所示。
（4-3）
△tan8=tan8tan81~tan（-82）=tana
Cx/Cn=lx/ln（4-4）
相对介质损耗因数是指在同相相同电压作用下，两个电容型设备电流基波矢量角度差的
正切值（即△tan8。
相对电容量比值是指在同相相同电压作用下，两个电容型设备电流基
波的幅值比（即Cx/Cn）。
（二）信号取样方式及其装置
现场进行电容型设备相对介质损耗因数和电容量比值测试需要获得电容型设备的末屏
（电容型电流互感器、电容型套管）或者低压端（耦合电容器、电容式电压互感器）的接地电流，但由于电容型设备的末屏（或低压端）大都在其本体上的二次端子盒内或设备内部直接接地，难以直接获取其接地电流，因此需要预先对其末屏（或低压端）接地进行改造，将其引至容易操作的位置，并通过取样单元将其引入到测试主机。
1、信号取样单元
信号取样单元的作用是将设备的接地电流引入到测试主机，测试准确度及使用安全性是
其技术关键，必须避免对人员、设备和仪器造成安全伤害。
目前所使用的电容型设备带电测试取样装置主要可以分为两种，即接线盒型和传感器型（其中传感器型还可以分为有源传感器和无源传感器）。
（1）接线盒型电流取样单元
接线盒型取样单元串接在设备的接地引下线中，主要功能是提供一个电流测试信号的引
出端子并防止末屏（或低压端）开路，但没有信号测量功能，测试时需通过测试电缆将电流
引入带电测试仪内部的高精度穿心电流传感器进行测量，如图4-4所示。
该型取样单元主要
由外壳、防开路保护器、放电管、短接连片及操作刀闸等部件构成，其中短连接片和刀闸并接后串接在接地引下线回路中，平常运行时短连接片和刀闸均闭合，构成双重保护防止开路，
测量时先打开连接片并将测试线接到该接线柱，拉开小刀闸即可开始测量。
防开路保护器可
有效避免因末屏（或低压端）引下线开断或测量引线损坏或误操作所导致的末屏（或低压端）
开路，保证信号取样的安全性。
图4-4接线盒型取样单元
（a）内部结构示意图；（b）原理图；（c）外观图
接线盒型取样单元应满足以下要求：
1）取样单元应采用金属外壳，具备优良的防锈、防潮、防腐性能，且便于安装固定在
被测设备下方的支柱或支架上使用；
2）取样单元内部含有信号输入端、测量端及短接压板等，并应采用多重防开路保护措
施，有效防止测试过程中因接地不良和测试线脱落等原因导致的末屏（或低压端）电压升高，保证测试人员的安全，且完全不影响被测设备的正常运行。
防开路保护器通常有2个大功率二极管反向并联而成，设备的末屏（或低压端）对地电压大于
1W寸，防开路保护器即可发生作用，把末屏（或低压端）接地电压限位在1V之内，
且可长期通过5A以上的工频电流，同时可承受10kA的冲击电流。
3）对于套管类设备的信号取样，应根据被监测设备的末屏（或低压端）接地结构，设计和加工与之相匹配的专用末屏（或低压端）引出装置，并保证其长期运行时的电气连接及密封性能。
4）对于线路耦合电容器的信号取样，为避免对载波信号造成影响，应采用在原引下线上直接套装穿芯式零磁通电流传感器的取样方式。
5）回路导线材质宜选用多股铜导线，截面积不小于4m金并应在被测设备的末屏（或
低压端）引出端就近加装可靠的防断线保护装置。
6）取样单元应免维护，正常使用寿命不应低于10年。
（2）传感器型电流取样单元
传感器型取样单元可分为无源传感器和有源传感器两种，均采用穿心式取样方式，就近
安装在被测电容型设备的末屏（或低压端）接地引下线上，该型取样单元留有标准航空插头的插孔，平常运行时插孔有端盖密封，测量时用带有航空插头的试验引线将被测电流信号变换成电压信号，并引入测试主机进行测量。
无源电流传感器。
由于激磁磁势的存在，无源电流传感器测量误差较大，电容型设备末屏（低压端）接地电流通常为毫安级，传感器的激磁阻抗很小，而且又必须采用穿芯取样方式，角度差的微小变化，即可以引起介损值较大的变化，故无源传感器通常无法保证相位变换误差的精确度和稳定性，难以满足介损参数的测量要求。
目前该类传感器已逐渐退出应用。
有源电流传感器。
采用有源零磁通技术有效提高了小电流传感器检测精度，除了选用起始导磁率较高、损耗较小的特殊合金作铁芯外，还借助电子信号处理技术对铁芯内部的激磁磁势进行全自动的跟踪补偿，保持铁芯工作在接近理想的零磁通状态。
有源传感器能够准确检测100卩A~1000mA范围内的工频电流信号，相位变换误差不大于土0.02,并具有极好的温
度特性和抗电磁干扰能力,解决了对电容型设备末屏（或低压端）电流信号精确取样的技术难题。
目前现场应用的传感器型取样单元主要以有源型传感器为主，如图5所示。
传感器型取样单元应满足以下要求：
1）采用穿心结构，输入阻抗低，能够耐受10A工频电流的作用以及10kA雷电流的冲击。
2）具有完善的电磁屏蔽措施和先进的数字处理技术，可确保介质损耗测试结果不受谐
0.05%。
波干扰及脉冲干扰的影响，绝对检测精度应达到土
3）具有较好的防潮和耐高低温能力。
4）采用即插式标准接口设计，方便操作。
图4-5有源传感器型取样单元
（a）外观图；（b）有源电流传感器原理
（3）两种取样单元的优缺点比较
目前电网中常用的取样单元主要为接线盒型和有源电流传感器型两种，它们各自的优缺
点如下：
1）接线盒型取样单元的优点：
1结构简单，价格相对较低便宜；
2受现场电磁场干扰较小；
3停电例行试验时，可以通过操作取样单元内的刀闸来断开接地，而无需登高打开压接
螺母，操作方便且安全性高；
4只需要对仪器主机器进行定期校验即可，无需对所有取样单元进行定期校验；
5电流信号均采用仪器主机的内置的两个高精度传感器进行测量，测试误差可以相互抵
消，提高了检测的准确性。
2）接线盒型取样单元的缺点：
1整个末屏（或低压端）接地回路由于串入了刀闸等节点，存在断路风险，给安全运行
带来隐患；
2现场测试时，由于需要操作刀闸断开末屏（或低压端）接地，存在操作不当造成末屏
（或低压端）失去接地的风险。
3）有源传感器型取样单元的优点：
①穿心电流传感器套在末屏（或低压端）接地线上，整个接地回路上无断点，不会给设备运行带来风险;
②现场测试接线简单明了，操作方便。
4）有源传感器型取样单元的缺点：
1由于其内部采用了放大器等电子元器件，其可靠性及寿命稍差；
2测试系统的定期校验较为困难，需要把每一个取样单元连同试验仪器都进行校验，数
量庞大，且传感器安装在现场难以校验；
3相对于接线盒型，传感器型取样单元在接地引下回路无断开点，停电例行试验工作仍
然需要登高打开末屏（或低压端）接地压接螺母，较为不便；
4由于每台设备的接地电流都通过传感器进行测量，从而引入了更多的测量误差，降低
了测量的准确度；
5带电测试结果异常时，往往需要首先检查传感器是否存在测量问题，影响数据分析和
故障诊断的效率。
2、设备末屏（或低压端）引下方式
电容型设备相对介质损耗因数及电容量比值带电检测需要将设备末屏（或低压端）进行
引下改造，由于各类设备的结构不同，其引下方式也不同。
（1）电容型电流互感器、耦合电容器
这两类设备由于结构简单，其末屏引下线方式也较简单。
直接将末屏接地打开，用双绞
屏蔽电缆引下至接线盒型取样单元接地或穿过穿芯电流传感器接地。
（2）电容式电压互感器
对于中间变压器末端（X端）接地可以打开的情况，应选用如图4-6（a）所示的优先方
案，把X端接地打开，把电容分压器的末端（N端）和X端连接后引下，其优点是所有接地
电流均流过测试仪器，能够全面反映设备绝缘状况。
如果X端接地无法打开，可选用如图
4-6（b）所示的备选方法，可以把N端和X端连接打开后，将N端单独引下，在这种方式下，只有大部分电流流过测试仪器，另一小部分电流经中间变压器分流入地，对设备绝缘状况的
反应不如前者全面。
（b）备选方案
（a）优先方案;
图4-6电容式电压互感器低压端引下方式
（3）电容型套管
套管末屏接地一般分为外置式、内置式和常接地式，其接地引下改造首先要保证其在运
行中不会失去接地。
1）外置式。
末屏接地引出线穿过小瓷套通过引线柱（螺杆）引出，引线柱对地绝缘，
外部通过接地金属连片或接地金属软线等于接地部位底座金属相连，如图4-7（a）所示。
2）内置式。
末屏接地引出线穿过小瓷套通过引线柱引出，弓I线柱对地绝缘，弓I线柱外
加金属接地盖或接地帽，引线柱和接地盖相连，接地盖直接接地，如图4-7（b）所示。
3）常接地式。
末屏接地引出线穿过小瓷套通过引线柱引出，引线柱对地绝缘，引线柱
外套有一个连接有弹簧装置的金属套，金属套与引线柱紧密接触，运行时金属套受内部弹簧
的压力与套管内侧接地金属法兰相连，末屏可靠接地，最外部有金属护套盖保护并密封防潮，
如图4-7（c）所示。
（a）外观图；（b）内部结构图
图4-7常见的变压器电容型套管末屏结构
（a）外置式；（b）内置式；（c）常接地式
变压器电容型套管末屏改造主要有两种方式，一种是对末屏帽外形加以改装，将小型化
（a）（b）
图4-9套管末屏专用适配器
（a）结构示意图；（b）外观图
（三）相对介质损耗因数的测量原理
介损的测量关键技术是如何准确获得并求取两个工频基波电流信号的相位差，电容的测
量只要获取工频信号的两路电流的幅值，由于电容的测量容易获得，主要研究介质损耗的求
取。
介质损耗数字化测量可通过硬件与软件两种方式实现，采用硬件方式主要方法是过零检
测法和过零电压比较法，通过检测电流、电压信号过零点的时间差计算介质损耗角，而过零
电压比较法将电流、电压信号转换为同幅电压信号后，根据两信号在过零点电压差值、电压
幅值来计算相位差。
软件法基本上可以分为谐波分析法、相关函数法、高阶正弦拟合法和正
弦波参数法。
1、过零点时差法
过零点时差法是一种将相位测量变为时间测量的方法。
由于经电容型电流互感器可测得
反映被试品电流lx幅值和相位的u,而有TV可测得反映母线电压Ux的uu，这样根据Ui
和Uu，这样根据Ui和Uu即可求出被试品的Cx及tan。
采用过零点时差法的基本步骤：
先
将ui和uu分别在过零点转为同幅值的方波I和U，并将U前移90成U,再反相成U*；
由U*与I相加后便可得到反映角的时间差to
这种方法具有原理简单，测量分辨率高等优点，但即使用检测一个周期内波形过零点的方法来减小硬件电路的固有零点失调，过零点时差法对波形失真度和波形过零点的依赖性仍
然很大，多零的准确性的要求较高。
2、过零点电压比较法
过零点电压比较法是测量两个同幅值、同频率正弦波在过零点附近的电压差，并由电压
差来计算相位差和tan的方法。
若反映母线线电压Ux及泄露电流lx的两个同幅值、同频率正弦电压信号分别如式4-5和4-6所示。
UxAsint（4-5）
IxA2sint（4-6）
幅值相同，即AA2A时，两信号的差值电压可以表示式4-7o
uAsintsint2Asin.2cost2（4-7）
当处于过零点处t0,uAsin，即：
arcsinuA
根据上述公式，求得两信号的相位差后即可算出介质损耗因数tan，如果2个正弦波
的幅值不等，但t0的条件能够满足，依然可以计算得出2个正弦波的相位差，然而在实
际测量中，t0的条件是很难满足的，这种方法只要检测电压过零附近时的电压差，而不严格要求测量过零点。
在过零点附近即使测量点有一定偏差，其差值电压也不会有明星的变
化。
3、正弦波参数法
正弦波参数法是假设被测得电压、电流信号都是理想的工频正弦信号，并通过模数转换，
将电流、电压信号离散化后应用一定的算法求得相应的正弦波参数，在根据参数计算出i超
前u的相位差，进而算得介质损耗的一种方法。
设流经绝缘的电流it及绝缘两端电压ut的基波分量分别如式4-8所示。
i（t）ImsintilmcospintImsinicostD0sintD1cost
u（t）UmsintiUmcosisintUmSinicostCosintGeost
（4-8）
Do1mcosi
DiImSini
CoUmcosi
CiUmsini
式中：
lm、Um――电流、电压信号的幅值；
i、u――电流、电压的初相角。
由此可得介质损耗因数如式4-9所示。
tantan90iutan90arctanD1D2arctanGCo
（4-9）
假设以采样率fs从某一时刻开始it和ut采样，分别得到M对采样值itj和utj,其中tj为不同的采样时刻，采用最小二乘法来求取D1、D2、G、C2，即拟合信号与实际
信号的总体误差平方和达到最小。
令误差平方和如式4-10和4-11所示。
M1
X
Dosin
j0
tj
D1costjitj
2
（4-10）
Y
M1
Cosin
j0
tj
C1costjutj
2
（4-11）
为便X、丫最小，则应有卜面公式成立
XDo0，XD
10,Y
Co
0，丫C10
由此可建立线性方程组,
求解得到
D〔、
D2、C［、C2,
进而求出tan。
正弦波参数法应用了三角函数正交性，
但是正交性仅在
fs和工频电压频率f整数倍时
才成立，因此在电网频率波动的时候下应用这种算法，需要相应的硬件同步采样卡。
4、高阶正弦拟合法
高阶正弦拟合法是非同步采样条件下测量的算法，考虑到实测数据可能包含直流和谐
波分量，所以它以直流分量幅值，基波频率，基波和谐波分量的幅值和初相角为优比对象，用高阶正弦模型来拟合i,u的采样数据。
设被测量信号有直流、基波和谐波分量组成，且谐波被限制在M次内，则信号可表示
为式4-12。
（4-12）
Aksinkt
k1
式中：
A――直流分量；
――基波频率；
A,k――k次谐波的幅值和初相角。
当一采样周期Ts对信号采用后得到N点离散序列ynf（nTs），n0,1,2••…，
N1,则拟合的目标函数为式4-13
M
f（t）AoAkSin（kwtk）（4-13）
k1
数据拟合可以在某一拟合优度下进行，一般用数据点差值的范数来衡量。
正弦拟合法能
够适应电网频率波动的变化，较好的解决了数据采样频率和电网频率白天不的问题，且信号
的谐波分量在较大范围内对计算准
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