電壓測量值在電容式電壓互感器故障檢測中的應用

張 曦，周文華，吳悅怡，徐青龍

(常熟市供電公司，江蘇常熟215500)

20世紀80年代以來，隨著電子技術的進步，電氣設備在線監(jiān)測與診斷技術得到飛速發(fā)展，并由此衍生出諸如電容量和介質(zhì)損耗在線測量、綜合診斷技術和專家系統(tǒng)等在線監(jiān)測與診斷方法。由于在線診斷技術中各種信號高精度的提取和綜合處理分析上存在一定的難度，如何引進電氣設備運行狀態(tài)的特征量、全面準確地對設備內(nèi)部絕緣進行判斷已成為電氣工作者思索的問題，例如利用電壓測量值對電容式電壓互感器（CVT）進行故障檢測等。

1 CVT常見在線監(jiān)測技術分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

CVT由于有較好的阻尼鐵磁諧振性能和優(yōu)良的瞬變相應特性，已被廣泛應用于電力系統(tǒng)，并有逐步取代電磁式電壓互感器的趨勢。典型的電容式電壓互感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CVT結(jié)構(gòu)簡圖

圖中：C1，C2分別為多個電容單元串聯(lián)而成的等效電容，C1為上節(jié)主電容，C2為下節(jié)分壓電容；L為補償電抗；B為中間變壓器。

1.2 常見在線監(jiān)測方法

CVT常和高壓電容式套管、電容式電流互感器、耦合電容器等一起歸類為電容型設備，合并研究和開發(fā)在線監(jiān)測技術。影響較廣泛的有早期的三相不平衡電流法、三相不平衡電壓法以及運行時電容量C、電容電流Ic、絕緣介質(zhì)損耗值tan δ數(shù)字化在線測量等方法,近期發(fā)展成熟的紅外測溫、紫外成像等方法也為設備故障檢測提供了較好的補充。眾多監(jiān)測方法中，運行時電容量C、電容電流Ic、介質(zhì)損耗值tanδ的數(shù)字化在線測量得到比較廣泛的應用，其在線測試原理如圖2所示。

圖2 數(shù)字化測量系統(tǒng)原理

通過電容型設備接地引下線上加裝電流互感器，檢測設備的電容電流；通過分壓器或電壓互感器二次測量值，測得電源電壓，通過相關軟硬件的處理，自動算出電壓和電流之間的相角差δ及tan δ[1]。采用該方法進行設備絕緣在線監(jiān)測，常發(fā)現(xiàn)其抗干擾能力較差，其誤差根源在于引入了電壓互感器和電流互感器的綜合誤差以及非同相設備和系統(tǒng)諧波的影響。

雖然在線監(jiān)測更多的是強調(diào)監(jiān)測數(shù)據(jù)的橫向和縱向比較，但是由于受電壓互感器和電流互感器精度的影響，以及相間雜散電容或者環(huán)境因素、設備外絕緣的污穢情況等綜合影響，現(xiàn)場采集到在線監(jiān)測數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較大的離散性。因此對于tan δ較小的CVT等電容型設備，總結(jié)出成熟的在線分析和診斷方法還有待時日。文獻[2]介紹了澳大利亞研制的電容型電力設備介質(zhì)損耗在線監(jiān)測裝置，利用過零點相位比較法測量介質(zhì)損耗，測量分辨率達0.01%，且在實際中應用。

2 電壓測量值在CVT故障檢測中的應用

2.1 CVT 與其他電容型設備的差異

以電容式電流互感器為例，在一次導電桿周圍，套裝由電容型材料組成的電容芯子，依靠電容芯子內(nèi)部的多節(jié)電容串聯(lián)單元將絕緣層分割成多個同軸電容器，使得導電桿與地電位間的電場得到比較均勻的分布。當電容芯子內(nèi)部出現(xiàn)單節(jié)電容屏擊穿等絕緣缺陷時，更多的是反應在絕緣材料的介質(zhì)損耗和電容電流等特征量，而電流互感器導電桿上的電位及電流不會有明顯變化。

CVT內(nèi)部由多個電容單元元器件串聯(lián)而成，分壓電容利用分壓比，經(jīng)中間變壓器、補償電抗器以及消諧裝置，測量系統(tǒng)一次側(cè)電壓。與電容式電流互感器電容芯子不同的是，其電容單元還將影響CVT的分壓比。當CVT內(nèi)部存在單節(jié)或多節(jié)電容擊穿故障時，其故障特征不僅反應在電容電流和設備介質(zhì)損耗上[3]，還將引起分壓比k的變化，從而導致CVT測量電壓發(fā)生顯著變化。

2.2 CVT單節(jié)電容擊穿后的故障特征

CVT上下節(jié)電容分別由多節(jié)電容單元串聯(lián)而成，當其中某一電容單元發(fā)生擊穿等絕緣缺陷后，將會引起CVT分壓比k和電壓測量值的變化，并由此衍生出相應的監(jiān)測方法。

以圖1為分析基礎，令單只電容單元電容量為CN，上、下節(jié)電容分別由N1，N2節(jié)電容單元串聯(lián)組成，則上節(jié)主電容電容量為：

下節(jié)分壓電容電容量為：

從而得到電容分壓單元的分壓比為：

令中間變壓器B的變比為kB，則CVT的電壓測量值Uax為：

其中Ux為待測量電壓，當它和中間變壓器變比為恒值時，電壓測量值僅和電容分壓單元的分壓比成正比，于是分壓比的變化將直接體現(xiàn)在電壓測量值的變化上。

當上節(jié)主電容C1中某一電容單元發(fā)生擊穿短路后，其所包含的電容單元個數(shù)改變?yōu)镹1-1個，從而電容分壓器的分壓比變?yōu)椋?/p>

此時，分壓比的變化量為：

當下節(jié)分壓電容C2中某一電容單元發(fā)生擊穿短路后，其所包含的電容單元個數(shù)改變?yōu)镹2-1個，從而電容分壓器的分壓比變?yōu)椋?/p>

此時，分壓比的變化量為：

因 N1＞N2，所以

以某廠家的110 kV和220 kV CVT內(nèi)部串聯(lián)單元數(shù)量為例，當其上節(jié)電容發(fā)生單節(jié)擊穿后引起測量電壓的變化量如表1所示。

表1 某型號CVT上節(jié)電容發(fā)生單節(jié)擊穿后電壓測量值的偏差

需要說明的是，CVT內(nèi)部采用補償電抗L在工頻情況下與上下節(jié)電容的并聯(lián)等效電容形成了串聯(lián)諧振，即：

此時中間變壓器電源內(nèi)阻抗最小，提高了CVT測量精度。表1中的計算數(shù)據(jù)并未考慮CVT內(nèi)部電容單元擊穿時諧振條件受到破壞引起的測量電壓幅值和相角的變化[4]。

2.3 CVT電壓測量值的應用方法

以江蘇省為例，目前普遍采用OPEN-2000或OPEN-3000系統(tǒng)對電網(wǎng)運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，各項數(shù)據(jù)采集周期為5 min。利用電網(wǎng)實時監(jiān)控系統(tǒng)采集的CVT測量值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理判斷，對設備內(nèi)部進行絕緣監(jiān)督，其工作邏輯如圖3所示。

圖3 CVT三相電壓測量值判斷邏輯

根據(jù)不同廠家生產(chǎn)的CVT電容單元結(jié)構(gòu)，計算出電壓偏差，作為設置報警限值的參考。報警限值的計算以三相電壓的絕對值偏差和百分比偏差以及電壓大小的角度進行設置。以三相CVT的電壓測量值為例，設UA，UB，UC為某一采樣周期的測量值，則不同相電壓偏差幅值分別為：

三相電壓測量值絕對值偏差取ΔU1，ΔU2，ΔU3三者中的最大值。三相電壓百分比偏差為：

三相電壓百分比偏差取ΔU1%，ΔU2%，ΔU3%三者中最大值。

需要注意的是，設置報警限值時，要有足夠的靈敏度，即設置的限值應比計算值小，靈敏度大于1；不會因電網(wǎng)電壓的擾動頻繁報警，即設置限值的大小應根據(jù)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定水平，不宜過低,可根據(jù)誤報警次數(shù)逐步修正。根據(jù)現(xiàn)場使用情況，建議110 kV和220 kV測量電壓偏差絕對值設置在0.5～0.8 kV為宜。

3 故障實例分析

3.1 故障實例簡述

2005年和2008年先后對某變電站110 kV正母CVT（WVB110-20H）進行預防性試驗，各項試驗數(shù)據(jù)均滿足江蘇省電力設備交接和預防性試驗規(guī)程要求，結(jié)果如表2所示。

表2 電容式壓變2次預試結(jié)果

可見，B相上節(jié)的電容量增大了約3%，初步懷疑內(nèi)部存在絕緣缺陷。經(jīng)調(diào)用110 kV正母電壓遙測值曲線（如圖4所示），發(fā)現(xiàn)2006年8月16日14:15電壓測量信號有1個突變，其后電壓曲線未再出現(xiàn)異常波動，基本可以認為此突變?yōu)镃VT內(nèi)部故障的特征信號。

圖4 110 kV正母電壓遙測值曲線

返廠修理證實該CVT上節(jié)第二串聯(lián)電容單元發(fā)生擊穿，其解體信息與現(xiàn)場理論分析基本一致。由于當時沒有相關在線監(jiān)測裝置，對該故障信號未能及時捕獲，導致設備帶缺陷運行長達2年。

3.2 在線監(jiān)測模擬監(jiān)測效果

現(xiàn)利用本文所述的電壓測量值的診斷方法，對上述故障進行模擬監(jiān)測，報警限值取三相電壓絕對值偏差，設置為0.5 kV。在電壓曲線上采集故障前后的電壓測量值，并計算相關偏差，數(shù)據(jù)如表3所示。故障前電壓絕對值偏差僅為0.39 kV，小于報警限值，判斷正常；故障后電壓偏差1.16 kV，大于報警限值，判斷越限并報警。

表3 故障出現(xiàn)前后電壓CVT三相電壓測量值 kV

4 結(jié)束語

通過對CVT在線監(jiān)測與診斷技術的分析，提出了利用電網(wǎng)實時監(jiān)控系統(tǒng)，引入CVT電壓測量值，完善現(xiàn)有在線監(jiān)測技術，其具有顯著優(yōu)勢：不需加裝設備，僅在電網(wǎng)實時監(jiān)控系統(tǒng)中植入判斷分析軟件；測量值本身不會遇到其他監(jiān)測方法很難解決的抗干擾問題。分析表明，利用CVT電壓測量值能夠有效監(jiān)測CVT內(nèi)部電容單元擊穿故障，現(xiàn)場實踐表明，該方法制定的報警限值對于CVT中間變壓器匝間絕緣擊穿等缺陷同樣有效。

[1]朱德恒，嚴 璋，談克雄，等.電氣設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]陳天翔，魯華祥，張寶會，等.電力設備tanδ在線監(jiān)測技術[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]侍海軍，汪 飛，連振東.電容式電壓互感器故障實例及分析[J].江蘇電機工程，2009(4)：14-15.

[4]李長益，張宗九，張鐵華，等.電氣試驗技能培訓教材[M].北京：中國電力出版社，1998.