0 引言

输变电设备物联网是通过多种新型传感技术、单片机技术、物联网通信技术及嵌入式技术的综合应用，实现对变电设备在运行中的实时智能监测与分析，为智能变电站的建设奠定了基础^[1]。

在电力系统中，40%以上数量的电气设备是高压容性设备。变电站中常见的电流互感器、套管、耦合电容器、电容式电压互感器（CVT）等均属于容性电气设备^[2]。目前，电力系统呈现出大容量化、高电压化和结构复杂化等特点，对电力系统的安全可靠性要求也越来越高^[3]。鉴于上述原因，乌兰察布电业局重点开展了容性设备在线监测系统应用研究，利用高灵敏度传感器和物联网系统，由在线监测取代离线试验，做到实时、准确、有效地监测容性设备运行数据。

1 容性设备在线监测系统在内蒙古地区的发展现状

2012年，随着内蒙古电网检修模式的转变，内蒙古电力集团有限责任公司（以下简称公司）在偏远地区220 kV站区和存在安全隐患的主要电气设备上开展容性设备在线监测系统试点性应用。

按照公司的统一部署和安排，全网10家供电单位于2014年3月前全部完成在线监测装置的安装，4月逐步接入公司生产管理信息系统主站，实现数据上传和调取等功能。截至2014年5月，接入在线监测装置共计396套。

2 基于物联网技术的容性设备在线监测系统设计 2.1 设计目标和原则

容性设备在线监测系统的设计目标是建立统一平台，规范各类数据的接入方式，提供设备状态的准确信息，并与其他相关系统兼容，可随时调用在线监测数据，实现即时管理。设计原则为：

（1）从集约、统一、经济的角度简化和优化系统设计。

（2）按照“统一设计、分阶段建设”的原则，兼顾各供电单位已有的在线监测系统，建设统一平台，集中展示设备信息和运行参数。

（3）在现有技术基础上开发更为成熟的高级应用程序及功能。

（4）保证在线监测系统与生产管理信息系统无缝融合及信息的一致性。

2.2 主要设计思路

基于物联网的容性设备在线监测系统通常由信息处理中心、传输网络及若干个现场传感器网络单元构成，其结构框图如图 1所示^[4-5]。

2.2.1 现场测量单元

现场测量单元为安装在变电站的小型化、集约化的一类监测装置，用以监测现场运行的各类设备，其种类及数量可根据监测要求确定。主要对容性设备的电容量及末屏电流等参数进行监测，最终通过传输网络将监测数据以数字形式传送至上级信息处理中心。

2.2.2 信息处理中心

信息处理中心相当于站区控制汇总平台，用于集中处理现场测量单元收集的各类信息，每个信息中心设备可搭载多个测量单元，可将测量单元获取的状态、测量数据等信息进行汇总、保存，并等待上层监测终端进行访问。

2.2.3 监测终端

监测终端安装在局内生产技术管理部门或专业班组，可通过网络与其他计算机终端进行数据交换，形成物联网，实时了解监测数据。此外，通过数据管理软件，对监测到的数据进行实时分析判断，自动筛选出数据异常的电气设备，及时发出状态预警信号，并提供处理意见，以便管理人员及时做出检修判断和决定。

2.3 理论基础及关键技术 2.3.1 介质损耗曲线与绝缘缺陷的关系

测量介质损耗是判断电气设备绝缘状况的有效方法，通过介质损耗可以发现电力设备绝缘受潮、劣化变质、小体积被试设备贯通和未贯通的局部缺陷。通过实验室大量试验论证，得出介质损耗因数与外施电压的关系如图 2所示。

（1）变压器绝缘良好时，外施电压与介质损耗因数的关系近似为水平直线，介质损耗因数不会因施加电压的上升和下降而发生变化。只有当施加电压达到某一极限值时，介质损耗因数会增大，如曲线1所示。

（2）如果绝缘介质工艺较差或绝缘介质中残留气泡时，随着外施电压增加介质损耗因数会明显增大，同时，在低电压下绝缘介质可能发生局部放电故障，因此曲线会较早地向上弯曲，且会随着外施电压的上升和下降发生轻微变化。如曲线2所示。

（3）当绝缘老化时，绝缘介质在低电压下的介质损耗因数也有可能比绝缘良好时要小，曲线在较低电压下即向上弯曲，如曲线3所示。

（4）曲线4为绝缘层吸潮后，介质损耗因数随电压的上升迅速增大，且电压上升和下降时测得的介质损耗因数不再重合。

（5）当绝缘存在离子性缺陷时，曲线随着电压升高而向下弯曲，即介质损耗因数随电压升高反而变小，如曲线5所示。

2.3.2 相对比较法测量原理

容性设备传统测试方法通常采用低压侧电压作为基准电压来测量设备的介质损耗因数，容性设备在线监测系统采用相对比较法计算容性设备介质损耗因数。相对比较法测量则是选择同相运行的多台设备，取其电流信号作为基准信息进行比对，通过计算各设备介损值间的差值，并根据这些差值的变化趋势来综合判断设备的绝缘状况，进一步分析设备中存在的缺陷。理论分析、仿真及现场应用，均表明此方法优于传统方法。

2.3.3 关键技术 2.3.3.1 高精度的电流传感器

容性设备在线监测系统测量单元采用自动补偿式电流互感器，选用高导磁率、损耗小的铁心，利用深度负反馈补偿技术，对铁心的激磁磁势进行全自动补偿，保持铁心工作在理想的零磁通状态。长期使用经验表明，这种穿心结构（穿心孔径为30 mm）的电流互感器能够准确检测50 μA~800 mA范围内的工频电流信号，相位变换误差不大于±0.02°，并具有极好的温度特性和抗电磁干扰能力，从而解决了对容性设备末屏电流信号精确取样的技术难题。

2.3.3.2 DSP嵌入式微处理器模块

DSP嵌入式微处理器是容性设备在线监测系统的核心部件，具备强大的数据处理及端口控制功能。采用高性能多组总线结构实现并行处理，拥有独立的累加器和乘法器以及多样的寻址方式，采用离散傅里叶变换（DFT）为核心的数字信号处理方法，可准确测算2个被测信号基波分量的相位差。

3 基于物联网技术的容性设备在线监测系统应用 3.1 现场安装情况及配置建议 3.1.1 现场安装情况

乌兰察布电业局在220 kV杭宁达莱变电站安装了18套电容式电压互感器在线监测装置，在站内布设物联网，接入生产管理信息系统主站，实现了全面、统一管理。

电流传感器以抱箍的形式固定在设备支撑柱上，电容式电压互感器末屏电流信号通过专用接地电缆穿过传感器，然后接地。现场测量单元通过RS485方式汇总至智能电子设备（IED），通过IED汇总、转换、计算数据信息，再通过网络将数据发送至信息处理中心进行分析和判断。系统结构图如图 3所示，单路信息采集处理流程图如图 4所示。

3.1.2 最优配置建议

（1）因倒立式油浸电流互感器及其他非油浸式电流互感器结构与常规互感器结构不同，其二次绕组在顶部，不易取得末屏信号，因此不建议配置在线监测装置。

（2）由于站区内设备较多，为提高现场测试精度，建议现场取样单元采用穿心式结构设计，内部采用高精度的电流传感器模块，以有效抑制外部信号干扰，并灵敏检测出微弱小电流信号。

（3）采用即插式接口设计，方便操作。

（4）采用压铸铝全封闭技术，防潮且耐高低温。

（5）保留升级接口，方便日后系统升级。

3.2 容性设备在线监测故障实例分析 3.2.1 现场使用概况

乌兰察布电业局220 kV杭宁达莱变电站的容性设备在线监测系统于2014年6月投入运行。经测试，该系统在测量内容（电流、电容、介质损耗）、信号监测灵敏度和分辨率、防护等级、采样周期等方面完全满足要求，实现了对容性设备长期、稳定、实时在线监测，数据异常时发出报警信号，并绘制指标变化趋势图。

该系统至今运行正常，共发现2起绝缘缺陷，避免了重大绝缘事故的发生。

3.2.2 典型故障分析

219电容式电压互感器为TYD220/√3-0.01H型产品，于2012年12月投入运行。在容性设备监测系统投运后的半年时间内，其W相的介损监测数据较为稳定，且处于正常状态，但自2015年1月，W相一次相电压增大，介损监测数据呈明显上升趋势, 电容量发生轻微变化，图 5、图 6为2015上半年该设备介损与电压监测数据变化曲线图。

2015-06-21，介损监测数据由初始的0.04%增长至0.353%，介损变化率成百倍增长，电容变化率达到5.3%。按《输变电设备状态检修试验规程》要求，电容初值差达到2%（注意值）即为超标^[6]。现场申请停电后，采取停电试验，测得介损值为0.587%，超标（标准规定为≤0.5%），电容初值差也超出标准范围，试验数据如表 1所示^[6]。经返厂解体检查，发现该电容式电压互感器上节电容中部分存在击穿现象，由于内部结构为小电容单元串联而成，故有部分电容击穿后，会导致电容量及电压增大，更换后运行正常。

3.3 与常规停电试验方法的比较

与常规停电试验方法相比，容性在线监测系统具有以下优势^[7-8]：

（1）能够直接在运行状态进行测试，停电试验电压达不到运行电压；

（2）试验周期缩短；

（3）测试方便，省时省力；

（4）较容易发现在2次停电试验期间缺陷的发展情况，并可通过绘制曲线图为检修和运行人员提供直观的判断依据，为电力设备正常运行提供了可靠的参考和保障。

4 结语

容性设备在线监测系统在不停电条件下实现了绝缘性能测试，避免了由于停电造成的经济损失和社会影响，以及因停电造成的电量损失，有助于实时掌握变电站高压设备的绝缘状况，对提高设备运行维护水平起到了积极的推进作用，乌兰察布电业局售电量逐年攀升，设备停电机会越来越少，建议110 kV及以上电压等级的容性设备配置容性设备线监测装置。