变电站是我国输变电网络中的核心节点，承担了电网中电压变换和功率传输的重要作用，而其中的电力变压器是执行这一重任的最主要设备。据统计，套管缺陷占全部变压器缺陷的比例达 18.9%，位居所有变压器缺陷第二位，提高变压器套管绝缘性能监测水平对保障整个电网安全可靠运行至关重要。
1 变压器套管运维现状
根据南方电网Q/CSG1206007-2017《电力设备检修试验规程》要求，对220kV及以上电压等级变压器套管每3年进行一次停电试验，对110kV及以下变压器套管每6年进行一次停电试验。
通过停电开展绝缘电阻、介质损耗及电容量测量，可以发现套管中存在的绝缘缺陷。经统计，主变套管主要的缺陷包括：1）密封不严或老化导致套管进水受潮，2）油中悬浮颗粒物导致套管介电常数增加，3）密封不严、瓷套裂纹或破损导致绝缘油泄漏，4）放电、过热或外部冲击导致绝缘老化，5）瓷套表面脏污导致表面闪络，6）末屏接地不良等导致放电。
现有的停电预防性试验方法存在两个主要的问题：1）试验电压远低于设备运行电压，无法模拟出设备在真实运行电压下的绝缘状况，2）每3年或每6年进行一次停电试验无法在两次试验间隔期间对设备绝缘状况进行监控。因此，有必要针对变压器套管安装在线监测装置，在设备额定工况状态下持续不间断的对其进行监测。
2 变压器套管介质损耗及电容量在线监测装置
2.1 监测原理
变压器套管通常采用电容屏均压方式的绝缘结构，对于这种结构，通过测量其介质损耗及电容量参数，可较为灵敏地发现电容型高压套管的绝缘缺陷，现行的预防性试验也把该参数作为主要测量对象。对变压器套管实施在线监测，可在设备的运行过程中实时监测这两个参数，不但可及时发现运行设备的绝缘缺陷，还可达到延长甚至替代常规预防性试验的目的。
图2-1 变压器套管介质损耗测量原理图
在对变压器套管进行在线监测时，首先需要在套管末屏抽头上安装配套设计的末屏信号引出装置，并就近加装防开路保护装置，以便可靠地获取套管末屏的接地电流信号。然后通过铠装双绞屏蔽电缆，把末屏信号引入在线监测单元，通过穿芯式电流传感器，准确获取套管末屏接地电流信号的幅度及相位信息，并进行相应的处理，求得其与同母线PT二次电压信号的相位差值和幅度比值，从而获得该套管的电容量及介损值。
图2-2 变压器套管在线监测系统结构图
2.2 装置结构
变压器套管介损及电容量监测装置通过就地安装套管在线监测单元，实现变压器套管绝缘缺陷的监测。被测套管末屏信号通过专用的套管末屏适配器引出，末屏适配器具备良好的接触可靠性、密封性及兼容性，并具有防开路保护装置；监测单元采用高精度有源零磁通传感器从被测设备末屏接地线上获取被测信号，就地对被测的信号进行全数字化处理，精确获得被测信号的工频基波相位信息，然后上传至在线监测主机，由监测主机计算出该电容型设备的介质损耗和电容量。
信号取样及测量是变压器套管绝缘在线监测系统的关键技术，它将直接影响到使用的安全性和监测的有效性。主流监测装置采用自动补偿式电流传感器，除了选用起始导磁率较高、损耗较小的坡莫合金作铁心外，还采用了独特的深度负反馈补偿技术，能够对铁心的激磁磁势进行全自动补偿，保持铁心工作在接近理想的零磁通状态。长期使用经验表明，这种穿芯结构（穿芯孔径为Φ25mm）的电流传感器在检测100μA～1000mA的工频电流信号时，相位变换误差均不大于±0.01°，并且不受环境温度及电磁干扰的影响，从根本上解决了对变压器套管末屏电流信号的精确取样问题。
要实现变压器套管介质损耗参数的在线监测，最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。早期设备所采用的均是建立在模拟信号处理基础上的“过零比较”技术，通过计数器方式获得两个信号的时间差，然后再根据信号周期转换成相位差。该方法对硬件电路的稳定性要求较高，电路自身的漂移、谐波干扰的影响均是难以克服的问题。现在的主流监测装置则采用全数字化的DFT法来求取信号相差，该方法的最大优点是不需使用复杂的模拟处理电路，长期工作的稳定性可得到保证，且能有效抑制谐波干扰的影响。
变压器套管的介损测量通常需要选用母线电压作为相位测量的基准。传统的处理方式是把母线PT的二次侧电压信号直接提供给检测系统，其主要缺点是现场布线复杂，基准电压信号在长距离的传送过程中易受电磁场干扰的影响，有可能导致介损测量结果失真，且取样的安全性也难以保证。借助于先进的现场总线控制技术和高精度的相位测量技术，现在的主流监测装置采用了一种新颖的相位比较测量方式（见下图），较好地解决了基准电压信号的取样问题，可准确求取两个被测电流信号基波分量的相位差。
图2-3相位比较测量方式示意图
具体测量原理如上图所示：母线PT的二次电压信号Un经过电阻R变换为电流信号In，由安装在PT二次取样屏附近的基准电压监测单元（LC1）进行检测，变压器套管的末屏电流信号Ix则由套管监测单元（LC2）检测。在在线监测主机（IED）的控制下，两个本地测量单元LC1及LC2的信号采集系统同时启动，对传感器输出的模拟电压信号同步进行采样及FFT变换处理，得到输入信号Un及Ux相对于220Vac工作电源Us的基波相位Ph(n-s)和Ph(x-s)。在线监测主机（IED）只需通过现场通讯总线读取LC1、LC2对应的相位测量结果，即可计算出变压器套管末屏电流信号Ix相对于母线电压Un的相位差Ph，从而获得其介质损耗和电容量等绝缘参数。
3 变压器套管介质损耗及电容量测试数据分析
采用在线监测装置实时监测变压器套管介质损耗及电容量数据，有效解决了停电预防性试验测试电压低于运行电压及停电试验周期间隔内缺乏监控这两个问题。但两者测试原理不同，在线监测的测试数据是否准确、可比较仍需进一步分析。以下截取了3个时间点的停电预试数据及在线监测装置稳定运行后1天时间内的数据：
表3-2电容量测试表
从以上数据可以总结出：
1）在线监测装置测得的套管电容值非常稳定，波动不超过1%，且与停电预试测得的数值基本一致，使用在线监测装置测量套管电容值具有高稳定性和可靠性；
2）在线监测装置测得的套管介质损耗值有一定波动，且三相变化趋势相同，怀疑是受温湿度等条件影响使测试数据存在变化；
3）在线监测装置测得的套管介质损耗值与停电预试数据有较明显偏差，可能是由两者不同的测试原理造成。因在线监测装置采用间接比较法测出介质损耗角，在测量角度过程中可能存在误差积累传递等问题；
4）在线监测装置的测试原理及仪器实物都已具有相当的成熟度，也积累了大量的使用经验，可以作为一次设备不间断监测的有效手段，对于设备老化劣化或者突发性缺陷都有一定的监控能力。
4 总结
变压器套管介质损耗及电容量在线监测装置技术成熟，通过测试能有效反映出变压器套管绝缘状态，是现有停电试验的一种扩展和补充。在线监测装置大量使用电子元器件，在户外变电场等复杂恶劣环境下的可靠性直接关系到测量结果是否准确。因此，提高测量仪器的可靠性仍是将来在线监测的重点发展方向。