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BM变压器套管介质损耗和电容在线监测系统
油浸式电力变压器高压侧套管介质损耗值在线监测解决方案
Weidmann Diagnostic Solutions Inc
魏德曼诊断技术有限公司
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BM变压器套管介质损耗和电容值在线监测技术
概述
变压器的高压侧套管易受高介电及热应力影响，高压侧套管故障是引起被迫停运及变压器故障的主要因素之一。一些研究表明套管故障占到变压器故障的40％。还有数据显示52％的套管故障是很严重的，会引起即发火灾导致间接危害。
变压器套管最常见的两种故障是湿气浸入和内部局部放电引起的。最近套管制造商已经发布了关于套管绝缘油内的腐蚀性硫作用引起局部放电及套管故障的公告。湿气可以通过腐蚀的垫圈材料，裂缝以及松动的端子进入套管。湿气会引起介损的增大因此导致功率因数增大。套管绝缘情况继续恶化，会引起容性层故障而且在外观上可以看到有局部放电的痕迹。
探测套管绝缘恶化的方法是我们所熟知的传统的离线测试，常温下进行的10kV离线测试需要较长的测试间隔而且测试结果不尽如人意。套管的在线监测可以提供所有天气，负载以及电压条件下的测试数据，而且具有和离线测量同样的灵敏度。
因此，采用功率因数和电容的在线监测是非常有效且可靠的诊断工具。一种灵敏的在线获得这些参数的方法是和电流法。该在线监测方法的基础是比较三相套管系统的绝缘特性。通过定向的增大测试抽头的电流，即可确定套管的状态。如果是同样规格的套管且系统电压平稳，和电流即为零。当然实际安装中是不可能的。
监测技术：
如图1所示，图中给出了典型的电容式套管内的电容分布。故套管带电后，泄漏电流较电压相角提前90º（如图2所示）。因此，如绝缘性能下降，泄漏电流中则出现与电压相位相同的阻性分量。
因此，容性设备电容量及介损(tan 的任何改变也导致泄漏电流的变化（容性、阻性分量的改变）。BM型容性设备在线监测系统通过安装在套管测试抽头的末屏传感器连续检测一组三相套管的泄漏电流，随后通过对泄漏电流的矢量分析表征电容量及介损的变化，并通过与系统初始值的比较而得到泄漏电流的在线趋势显示。系统初始值可通过套管的出厂测试或现场的离线测试获得。
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对泄漏电流的一种处理技术为矢量电流叠加法。其原理是一组泄漏电流中的任何一个分量的改变均对该组电流的矢量和产生影响（如图3所示）。由于单支套管泄漏电流的阻性分量与绝缘介损相关，该阻性分量的改变也对泄漏电流的矢量和产生微小影响，故该技术可检测到介损的微小变化，从而使得单个泄漏电流的微小变化也可通过电流矢量和得以检测。通过电流和矢量的相位变化可以进而推导一组套管中的一支绝缘发生了改变。
图 3 – 三相交流系统中一组三支套管的泄漏电流及其矢量和
(a) 某一给定的初始状况
(b) A相套管电容及介损发生改变后的变化；
套管及传感器的安全保护
套管上的测试抽头通常都是接地的。如果套管抽头保持在开路状态，相对地电压就加在抽头上引起套管故障。此外，还需保护仪器不受浪涌如闪电及瞬变袭击。BM套管电容及介损在线监测装置传感器满足以下防护要求。
1. 开路保护：套管绝缘监测仪的输入阻抗相对较低，使抽头的电压保持在一个安全的范围。如果套管
的抽头处在开路状态，高电压有可能通过电容器C1加在抽头上，C2相当于容性分压器。因此，如
果抽头开路，加在抽头上一点的电压将升至相电压的一半，对操作人员和套管本身都是很危险的。
这种情况下，因为套管内部的电压产生火花，C2处于过电压状态，污染套管油，最终导致C1的绝
缘击穿。套管传感器必须保证抽头上电压是处于安全电压范围内的，即使是传感器和仪器断开或信
号电缆被切断。因此BM监测仪的传感器采用了在内部加装电压装置，当抽头对地的电压超过
20V时，电压装置对敌短路，保护套管和抽头不受过电压的危害。
2. 切换及雷电浪涌保护：正常运行中，套管可能会有因为变电站正常切换或接近套管的雷电引起的短
时的浪涌。这样的浪涌产生的电压可能是运行电压的几倍，并且持续时间从几微秒到几十/几百微秒。
在一个开路套管抽头上，一半的浪涌会加在抽头上，引起C2的绝缘故障。传感器的浪涌保护必须
保持抽头上的浪涌电压在一个安全的范围（几百伏）。
3. 安全保护：该附加保护确保在其他保护措施失效的情况下，套管测试抽头对地短路。开路保护包括
四个电压元件用于保持电压有效值在18到20V之间。附加的电流平衡回路确保每一回路无论
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其各自的限压装置，都是同样的运行方式。因此正常运行时，两个限压元件即可。浪涌保护可经受
50次谐波冲击。回路也是按照双倍要求设计。安全保护将会在其他保护措施失效的情况下，使套管
测试抽头对地短路。
图 4.安全保护电路示意图
4.满足安全试验标准
耐压保护：根据GB4109—83国家高压套管应用标准，套管抽头绝缘在1min工频耐受电压情况下试验抽头能够经受的住2kV的对地电压。BM套管的对地电压完全满足这一要求。此外还满足
IEC-60255内的要求：
浪涌保护： (IEC 60255-22-5):
相－中性点：1 kV
相—中性点和中性点－地：2 kV
暂态保护(IEC 60255-22-1) and (IEEE C37.90.1):
第一周期峰值：2.5 kV
频率: 1.1 MHz
时间和重复率: 2 秒, 每妙400个脉冲
衰减到50％:5个周期
电压脉冲(IEC 60255-5):
波形: 1,2 / 50 ms
振幅和能量: 5kV
脉冲数:在5秒的时间间隔内，3正脉冲、3负脉冲
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绝缘电压 (IEC 60255-5):
工频下绝缘电压：2 kV 50Hz 1 min.对地
抗电磁场能力 (IEC 61000-4-3/IEC60255-22-3):
频率: 26 to 2000 MHz
场强: 10 V/m
产生的电磁场能力 (IEC60255-22-6):
频率：0.15 to 80 MHz
场强：10 V/m
静电放电保护(IEC 60255-22-2) and (IEEEC37.90.3):
气晕模式: 8 kV,每个极性内十个放电
接触模式: 6 kV, 每个极性内十个放电
快速瞬态放电保护(IEC60255-22-4) 和(IEEEC37.90.1):
电源，输入和输出：4 kV - 2,5kV
串联端口: 2 kV - 5,0kV
气候测试: (IEC 60068-2-14):
温度范围: -40 to +85ºC
总测试时间: 120 小时
振动响应: (IEC 60255-21-1):
应用模式: 3 轴(X, Y,Z), 正弦
振幅: 0,075mm 从10 到58 Hz
强度: 1G从58 到150 Hz
持续时间: 8 min/轴
振动阻力: (IEC 60255-21-1):
应用模式: 3 轴(X, Y ,Z), 正弦
频率：10 to 150 Hz
强度：2G
持续时间：160 min/轴
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容性设备介质损耗在线监测系统
容性设备的电容量及介质损耗角正切对于诸如套管、CT及其他
容性设备绝缘劣化的早期监测十分重要。BM系列容性设备监测
系统可在线监测容性设备运行过程中此类参数的变化情况，可作
为关键电力设备的状态监测手段以发现潜伏性故障，避免突发性
事故。
主要特征
系统易于安装、操作简便；
工作温度：-40~+85ºC；
输入电压：38~265Vdc/Vac;
模块化设计，可监测通道数为3、6、9；
系统保护功能可预防套管测试抽头断开，并提供报警；
系统备有2个温度输入通道，可输入并记录环境温度、油温等参量并对容性设备监测数据作出相应修正。 系统软件可监测并显示电容量(C1)、介质损耗角正切及其相应的趋势曲线，以及相电压、线电压、泄漏电流及温度的相应数据。
系统备有8个报警输出接点，其中1个常闭接点用于设备监测报警，其他7个输出（5个常开、2个常闭）可编程并用于各类监测参量的报警输出。
系统另备有2个模拟量输出，用于输出电容量及介损值。其设置范围为：0-1mA、0-5mA、0-10mA、0-20mA 或4-20mA。
内置存储器可保留电容量及介损值的历史数据。
可选择RS485或RS232接口，亦有多种通讯规约可选，如Modbus RTU、DNP3.0等；
可采用光纤通讯，实现电气隔离；
系统软件备有口令加密及管理权限设置等功能。
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BM 系统结构
BM型容性设备在线检测系统按照模块化设计，整套系统由三个基本部分组成（见图4）。
z安装于测试抽头或套管末屏的传感器提供了与套管的电气连接，并确保一定的机械强度及良好的密封性能。
此外，末屏传感器另设计有过电流及过电压保护以确保测试回路的可靠运行。
z检测模块BM-MM可接收来自一组三相三支套管的泄漏电流，检测电流并对数值进行相应处理。随后通过RS485通讯接口将处理后得到的数据传输给界面部件BM-HMI。
z界面部件BM-HMI可自1、2、3个检测模块(BM-MM)接收数据，将数据转化为各支套管的电容值及介损值，并显示在面板上。
BM系统的各组成部件；
(a) 末屏传感器；(b) 检测模块BM-MM；(c) 界面模块BM-HMI；
下图显示了对一台三相一体式变压器的三组套管进行检测的示意图，其中也给出了BM系统中各个部分的连接方式。图6则显示了如何对单相变压器进行检测的基本接线。
采用BM系统对一台三相变压器的三组套管进行监测的系统布置图
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采用BM系统对单相变压器套管进行监测的系统布置图
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技术参数
界面模块 BM-HMI 输入电压
38 ~ 265 Vac/Vdc 50/60Hz 功率：
<8 W 工作温度：
-40~+85 ºC 防护等级：
IP 20 固定方式：
面板固定 线规-可移除接头：
22~12 AWG, 0.3~2.5mm² 温度检测
输入：
Pt100Ù @ 0°C 带自校准功能 检测范围 ：
-55~+200°C 20ºC 时最大误差 全量程0,2%
温漂 ： 20ppm/°C
接线： 1或2个传感器（3线）
输出接点： 干式接点
类型及功能（标准）： 5个常开(可编程)+ 3个常闭 (2个可编程+1个自诊断)
最大开关功率： 70 W (dc) / 220 VA (ac)
最大开关电压： 250Vdc / 250 Vac
最大电流： 5A
模拟输出： 2个
变量： 可编程
输出范围： 可编程 0-1, 0-5, 0-10, 0-20, 4-20mA
最大误差： 0.5%
最大负荷： 0-1mA 10kÙ, 0-5mA 2kÙ, 0-10mA 1kÙ, 0-20mA 500Ù, 4-20mA 500Ù
串口通讯：
1个RS485 (BM-MM) +1 RS485/232 (用于监控系统) 通讯规约： Modbus RTU 及 DNP 3.0 level 1
存储器： FIFO (First In First Out )
记录间隔： 1~720小时
数据容量： 712, 420或297寄存器（对于接入1、2、3个BM-MM 模块）
检测模块 BM-MM
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输入电压38 to 265 Vac/Vdc 50/60Hz
功率： 5 W
工作温度：-40~+85ºC
防护等级：IP 20
固定方式： 35mm
DIN滑轨
线规：22~12 AWG, 0.3~2.5mm²
AC电流检测输入：3个套管泄漏电流输入通道(0...100mA)
可监测参数范围：
电容量：0...6500pF
介损：0...9,999%
输出接点：1个常闭接点，用于检测报警；
末屏传感器
由于各类套管测试抽头类型不同，末屏传感器的机械结构也不尽相同。除备有与各类套管匹配的传感器外，也可根据套管测试抽头的实际结构、尺寸定制传感器。此外，末屏传感器内也配有专用的过电压、过电流保护用以避免危险的过电压或浪涌进入检测模块。
最大电压：
125ºC时空载输出：2x250mA (冗余保护)
工作温度：-55~+125ºC
防护等级：IP65 (NEMA 4)
线规：22~14 AWG, 0.3~1.5mm²
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系统接线图
下面给出了对一台三相变压器三组套管进行检测的接线示意图。
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系统部件外形尺寸
界面部件 BM-HMI
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