1 引言
高压输变电设备的安全运行是影响电力系统安全、稳定和经济运行的重要因素，高压设备发生绝缘事故，不仅会造成设备本身损坏，而且还会造成多方面的损失。据文献[1]统计，“八五”期间，我国主要电网中由设备故障而直接影响系统安全运行的电网事故约占事故总量的26.3%。电压等级越来越高、设备容量越来越大，使得每次检修的时间较长，不仅检修费用高，而且也影响供电的可靠性。在电力市场环境下，用户对供电可靠性要求将越来越高，而由设备故障或检修所造成的停电损失有时是相当可观的。因此既要提高设备的运行可靠性，又要确保较高的供电可靠率，这就对电力设备的维护提出了更高的要求。
传统的定期检修存在试验周期长、强度大和有效性差等缺点[2]，难以满足电力系统对可靠性的要求，以状态检修[3,4]逐步代替定期检修已成为电力系统设备检修的必然趋势。实现状态检修的前提条件是实现在线监测，只有通过各种手段及时、准确地掌握运行设备的绝缘状况，才能根据设备自身特点及变化趋势等来确定检修时间和检修策略。
电容型设备是重要的输变电设备，它主要包括电流互感器（TA）、套管、耦合电容器（OY）、和电容式电压互感器（CTV）等，这些设备约占变电站设备总量的40%~50%，在变电站中具有举足轻重地位。这些设备的绝缘故障不仅影响整个变电站的安全运行，同时还危及其它设备和人身的安全，因而对其绝缘状况进行在线监测具有重要意义。
2 监测内容与研究现状
交流电压作用下电容型设备的绝缘特性如图1所示[5]。流过介质的电流I 由电容电流分量IC 和有功电流分量IR组成，通常IC >>IR。介质的损耗按不同机理可分为漏导损耗和极化损耗两种基本形式。介质损耗角正切值（tan δ）即介质损耗因数，是反映绝缘介质损耗程度的特征量。tan δ仅取决于材料的特性而与材料尺寸、形状无关，所以tan δ作为反映设备绝缘状况的参数是非常合适的。此外，流过介质的电流I及介质电容量C也是反映设备绝缘状况的重要特征参数，因此综合监测tan δ、I和C可以全面地了解设备的绝缘状况。
停电后通过电桥监测tan δ、I和C的接线简单且测量结果稳定。但在线监测的要求比停电监测的要求高，条件差异大（如表1），因而实现在线监测难度大，而且测量结果具有一定的分散性。因此，在线准确监测tan δ、I和C还有一些理论和实际的问题需要研究。近年来，国内外学术界对电容型设备在线监测方法、故障诊断和实际开发方面进行了大量的研究。
2.1 在线监测信号的提取
为监测电容型设备的绝缘状况，必须提取设备的末屏电流信号，而此电流又非常微弱，通常为mA级，所以如何有效地提取电流信号是电容型设备在线监测的关键问题。当前国内主要采用电流传感器（小TA）来测量泄漏电流，为不改变被测一次设备原有接线方式，传感器采用穿心式结构，将传感器直接套装在被测设备的接地线或末屏回路中。这种接线结构也可避免二次测量回路及计算机受过电压的直接冲击。
传感器可分为无源传感器与有源传感器。无源传感器不需要附加任何辅助电路，结构简单、维护方便，价格低廉，使用寿命长，但激磁磁势易受温度、输入电流和负荷特性变化的影响，铁心的磁化特性也受各种因素的影响，使得角差和比差不稳定，影响了测量的稳定性。有源传感器采用零磁通技术以降低铁心的激磁磁势，通过有源放大增大了二次端的输出信号，提高了被测信号的信噪比，因此角差和比差小且稳定[6]。但由于现场环境恶劣、干扰严重，采用传感器提取微弱信号仍相当困难。
目前国外的一些公司（如美国的AVO公司、德国的LDIC公司）在被测设备的地线或末屏直接串入监测电容，利用监测电容电压与TV电压之间的相位关系求取被测设备的tan δ。电容具有电压不突变的特性，通过选择合适的电容，可使输出电压保持在30~40V之间，这样可降低外界干扰的影响和减少模拟信号传输的衰减，测量结果具有较高的稳定性。之所以采用串入电容而非串入电阻，是因为串入电阻造成的误差要比串入电容所造成的误差大，而且电容故障多为击穿，而电阻故障一般为烧断，会造成末屏开路。然而采用直接耦合的方法会影响一次设备的接线结构，为防止末屏开路、测量回路过电压，必须设计合理的保护电路以保证测量回路的安全性。
2.2 介损数字化测量
介损数字化测量属于高电压、微电流、小角度的精密测量范畴，对测量方法的要求很高，必须能够有效地降低测量误差。测量可通过硬件与软件方式实现。硬件处理的方法主要有过零法，即通过监测电流、电压信号过零点处的时间差来计算介损，该方法的测量精度易受谐波和零漂等因素的影响。因此对过零点的测量准确性要求很高。文献[7]提出的双向过零法可以减小由零漂造成的误差，但未提及对谐波的处理。文献[8]提出将电流、电压信号转换为同幅电压信号后，根据二信号在过零点处的电压差值和电压幅值来计算相位差。该方法可以降低对过零点监测准确性的要求，但由于需要对信号进行预处理，从而增加了硬件处理环节，带来了设计较复杂、累计误差较大等问题。
软件方法则采用了对波形分析的思路，硬件只完成采样功能，可以采用多种方法处理干扰和谐波的影响，较为灵活，是目前主要采用的测量方法。文献[9]采用最小二乘法拟合信号，使实际信号与拟合信号的误差平方和为最小，可以计算出信号的参数，从而得到介损值，该方法对频率波动不敏感，但受谐波和零漂的影响较大。为有效减小谐波、干扰对测量的影响，可以采用小波变换[10]或双滤波器[11]滤波提取基波信号，再计算其自相关函数与互相关函数从而得到介损，小波变换具有时频局部性和良好的噪声处理特性，用双滤波器来处理测量信号可使单滤波器的阶数大为减小。但这2种方法增加了一级处理环节，计算量大、计算时间长。相比而言，将谐波分析[1,2]的思想用于设备绝缘介损角的数字化测量，可使其监测结果不受电源高次谐波和零漂的影响，采用快速傅立叶变换（FFT）计算速度快、计算量小，但当系统频率波动时会使得采样频率与信号频率不一致，因而出现频谱泄漏效应和栅栏效应，尤其会影响相位测量，因此必须对算法进行改进，减少频谱泄漏。
2.3 绝缘状况在线诊断
在线数据的稳定性、重复性差，因而必须对在线数据进行预处理，剔除不良数据与虚假数据，才能保证诊断的准确性。文献[13]提出了一种改进的53H算法，即先产生一个曲线的平滑估计，然后将量测量与此估计值进行比较以识别异常点。该方法能够有效外推，提高数据的稳定性。在线诊断绝缘状况，仅以当前的测量值与现有规程的规定值作比较是不合适的，因为目前尚无确切的在线规程。文献[14]指出应当从当前测量值的纵比（主要指历史数据比较）、横比（主要指相间同类设备）来判断。因为绝缘特性的变化是一个非常缓慢的过程，和历史数据比较可以从趋势上发现问题，这可排除一次测量可能出现随机误差较大的影响，设备同时故障的可能性很小，因而通过横比也可在一定程度上发现问题。考虑到在线数据具有动态特性，文献[15]根据系统正常状态下的数据建立相应的自回归滑动模型（ARMA），将测量数据与模型计算数据的残差作为判断故障的依据，但仅以历史数据作为依据，难以考虑诸多干扰因素对介质损耗的影响，因而其具有一定的局限性。目前，相对测量法受到人们较多的关注，该方法是一种以同相设备互为基准的基于多台设备tan δ的差值及变化趋势进行综合分析诊断的方法，它可避免绝对测量TV的角差问题，此外设备之间的运行工况、受外界的影响等情况较接近，进行相互比较可以在一定程度上抵消这些因素的影响，提高数据的稳定性，便于评判。但当同相中有2台以上设备发生故障或彼此绝缘特性有一定差异时，诊断规则[16]不再适合，应进行相对测量结果的定性分析和绝对测量结果的定量分析，以提高诊断的准确性。
除传统的将tan δ、I和C作为诊断信息外，文献[17]提出了分析三相末屏电流和的幅值与相位变化进行诊断的方法，建立了较为详细的诊断规则，并讨论了如何制定阈值、克服温湿度的影响、处理设备同时故障等问题，实际应用表明全电流反映介损和电容变化较灵敏。
2.4 在线监测有效性
TV角差、环境因素、相间干扰和系统频率变化是造成测量结果不稳定的主要原因。变电站中常用0.5级的TV，其角差范围在±20′之间，约为±5.8×10-3rad，足以淹没介损值。对此，除采用相对测量法[16]将其抵消外，文献[17]提出了采用专用的高压标准电容器作为基准，其电流信号相对比较稳定，但这种方法有可能影响一次系统结构。文献[18]提出采用电容量比较大的设备作为基准电流相位，原理同高压标准电容器，但毋需附加设备。可是温度、湿度等外界环境会对绝缘特性产生一定的影响，使得测量数据发生波动。文献[19]采用数理统计的方法，将电容型设备绝缘监测参数归算到统一的温度、湿度标准下，提高了可比性，但由于绝缘介质在不同的绝缘状况下，其介质特性随温湿度变化的差异很大，因而该方法有一定的片面性。
测量技术的合理与否也是影响测量精度的重要因素。提高采样频率与转换精度可以降低测量误差，但当采样频率或转换精度大到一定程度时，误差减小已不显著了。为保证监测的准确性与经济性，文献[20]分析了如何选择采样频率与A/D转换位数，仿真分析了在线监测介损的最佳工作点。采样触发点不同误差也不同，文献[21]通过仿真得出了在波形接近nπ/2处开始采样进行计算可使误差最小。为减小系统频率变化对测量的影响，文献[12]强调了硬件电路中锁相频率跟踪和同步采样技术是保证测量精度的重要因素，使信号频率与采样频率同步，可减少泄漏误差。
3 应用状况与进一步研究的必要性
在线监测技术应用于实际已经有十年多了，对及时发现电气设备绝缘缺陷，保证设备安全运行起到了良好的作用。其中对电容型设备的tanδ、I和C的监测尤为重视，国内如武汉高压研究所、西安交通大学、武汉水利电力大学（现武汉大学电气工程学院）、清华大学、中国电力科学研究院等科研院所和大学，广州科立公司、武汉高德公司、马鞍山万源公司等厂商，投入了大量的力量进行研究与开发，均已生产出能实际应用的系统并投入了运行。整个监测系统的开发已从最初的分散式发展到集中式，当前随着分层分布式技术、总线技术和Web技术的广泛应用，整个系统的研发正朝着多层应用体系的方向发展。
但是已实际投运的系统运行效果并不理想，没有取得预期的经济效益和社会效益。据文献[4]统计，截至1998年底，在全国调研的57个系统中，能正常运行的只占30%，已不能正常使用或处于瘫痪状态的占36%。造成这种状况的原因是多方面的，除管理维护、质量监督、设计标准等方面的问题外，反映在监测技术上的问题主要有：
（1）介损角的测量稳定性和重复性差，是环境因素所致？是电磁干扰影响？还是信号提取问题？原因不清。
（2）穿心式电流传感器易失效，抗电磁干扰和抗环境影响的能力差。
（3）缺乏行之有效的诊断理论与方法，仅提供数据，信息丰富，而知识贫乏，不能建立各种监测信息之间的关联关系，无法解释测量结果正常的波动，很难作出准确的绝缘状态在线诊断。
从所暴露出来的问题看，过分追求实用化而忽视基础理论的研究是造成这种状况的根本原因。因此必须在基础理论方面进行大量深入的研究，摸索电容型设备绝缘特性的变化与绝缘老化、外界影响等因素的关系，总结其规律性，才能有效地带动其它方面的研究和开发，保证分析的准确性和诊断的可靠性，真正提高电容型设备监测与诊断技术的水平。
4 问题探讨
在前人研究的基础上，针对上述问题，笔者认为以下的几个方面具有进一步研究的价值：
（1）不断加强基础理论研究，通过大量试验来分析各种影响因素（如温度、湿度、谐波等）对试品介质损耗和电容值的影响，从机理上来解释试品特征参数变化的原因。
（2）大量积累运行经验，尽可能地收集在线信息，从中寻找新的适合于在线处理的故障征兆与诊断判据，为更全面、准确地进行故障诊断创造条件。
（3）在线数据量大，常规的数据处理方法已难当其任。因此应研究新方法，开发新技术。如结合智能技术，数据挖掘技术[22]可将数据中蕴藏着的许多重要因素、事实和关联等有价值的信息提取出来。
（4）一些新兴的数学工具（如人工神经网络、小波变换等），在滤波、干扰抑制等领域取得了较好的应用效果，应将其引入监测技术。
（5）应集中力量解决传感器元件自身的性能问题，提高测量的稳定性和可靠性。
5 结语
电容型设备绝缘在线监测与诊断技术近年来受到了电力行业的运营、科研部门的高度重视。对其进行深入研究并开发应用，对电力系统的安全运行具有重要的意义，具有明显的经济效益和社会效益。其巨大的市场潜力对研究与开发也具有很大的吸引力。但目前的技术水平还不够理想，不能满足电力系统的要求，仍需加强基础性的研究工作，同时还应借鉴和引入小波变换、神经网络、数据挖掘与专家系统等方法及技术在其它领域的应用成果，以提高电容型设备绝缘在线监测数据处理与故障诊断的技术水平。
