帶電檢測電容型電流互感器/套管末屏接地?cái)嚅_故障可行性研究

童 歆，羅 浪，夏 天，周 凱，朱世明

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院高壓電氣設(shè)備現(xiàn)場試驗(yàn)技術(shù)國網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430077;2.國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430077)

0 引言

電流互感器是電力系統(tǒng)中用于電流測量、計(jì)量和保護(hù)等方面的重要設(shè)備。它利用一定的比例關(guān)系將大電流變換為小電流，將高、低電壓進(jìn)行隔離，并配備適當(dāng)?shù)碾娏鞅碛?jì)，起到測量高電壓交流電路內(nèi)大電流的作用。容性電流互感器一般采用油絕緣方式，其內(nèi)部為油紙復(fù)合絕緣。電容型套管是重要的變電站設(shè)備，廣泛應(yīng)用于變壓器和互感器等高壓電力設(shè)備中，也作為穿墻套管獨(dú)立使用[1-3]。

電容型電流互感器和套管利用電容分壓原理調(diào)整電場，使導(dǎo)電管的徑向和軸向電場分布更均勻，其末屏通過小套管引出，便于測量介質(zhì)損耗因數(shù)和電容量,以判斷互感器的絕緣狀況，但在運(yùn)行中為了保證設(shè)備和人身安全，末屏必須可靠接地[4,5]。

近幾年電網(wǎng)發(fā)生多起因電容型電流互感器和套管末屏接地?cái)嚅_故障引發(fā)的電網(wǎng)安全事故，因此設(shè)備帶電運(yùn)行狀態(tài)下，及時(shí)發(fā)現(xiàn)末屏接地?cái)嚅_故障，并安排停電檢修，能夠有效地避免電網(wǎng)安全事故[6-9]。

以下介紹了多種帶電檢測電容型電流互感器和套管末屏接地?cái)嚅_故障的方法，并通過對比試驗(yàn)，驗(yàn)證帶電檢測該類缺陷故障的可行性。

1 末屏結(jié)構(gòu)和理論分析

油浸式電容型電流互感器和套管的主絕緣結(jié)構(gòu)采用絕緣紙和鋁箔電極交替纏繞在導(dǎo)電管上，組成一串同心圓柱型串聯(lián)電容器，使電場均勻分布在徑向和軸向上，電容屏數(shù)目越多，絕緣中電場分布越均勻。主絕緣經(jīng)真空干燥而除去內(nèi)部空氣與水分，并用變壓器油充分浸漬處理后成為電氣性能極高的油紙組合絕緣體，從而使絕緣耐受電壓水平得到極大提高。其中靠近高壓導(dǎo)電部分的第一個(gè)屏為首屏，它與一次導(dǎo)電部分相連，最外一層屏稱為末屏，通過套管引出接地。利用末屏可以測量其電容屏的電容量和介損，從而判斷電容屏的絕緣狀況[10-12]。

運(yùn)行中的電容型電流互感器和套管等效電路如圖1(a)所示，其中R1、C1分別為互感器一次繞組對末屏的電阻和電容（主電容），R2、C2分別為末屏對地的電阻和電容[13]。根據(jù)圖1(a)，末屏對地電位為：

圖1 電容型電流互感器/套管等效電路Fig.1 Equivalent circuit of capacitive CT/bushing

式(1)中，R1—互感器一次繞組對末屏的電阻；

C1—互感器一次繞組對末屏的電容；

R2—末屏對地的電阻；

C2—末屏對地的電容。

當(dāng)末屏可靠接地時(shí)，R2≈0，末屏對地電位 U2≈0。

當(dāng)末屏接地不良或懸空時(shí)，R2趨于無窮大，且R1遠(yuǎn)大于 1/ωC1，電路模型可簡化為圖1(b)，末屏對地電位為：

一般地，電容式CT/套管的主電容C1為數(shù)百皮法，當(dāng)末屏接地不良或懸空時(shí)，末屏對地電位可高達(dá)千伏級以上，甚至數(shù)十千伏，該電位足以造成末屏對地放電，燒毀附近的絕緣物，引發(fā)嚴(yán)重事故。

2 模擬試驗(yàn)

當(dāng)末屏接地?cái)嚅_時(shí)，會引起末屏對地發(fā)生放電，伴隨有聲、光、電等放電現(xiàn)象，此時(shí)高壓設(shè)備一般處于運(yùn)行狀態(tài)，只能通過帶電檢測設(shè)備進(jìn)行檢測。常用的帶電檢測設(shè)備有紫外成像儀、超聲波測試儀、寬頻局部放電測試儀、超高頻局部放電測試儀等。本實(shí)驗(yàn)通過在高壓試驗(yàn)大廳利用110 kV電流互感器模擬末屏接地?cái)嚅_的故障，利用多種帶電檢測設(shè)備同時(shí)檢測，分析比較各檢測結(jié)果。

在高壓試驗(yàn)大廳選用110 kV電流互感器作為試品，其末屏在端子箱內(nèi)，將末屏端子不接地，利用工頻升壓裝置對其一次端子施加高壓，用于模擬末屏接地?cái)嚅_的故障，試驗(yàn)回路示意圖如圖2所示。

圖2 末屏接地?cái)嚅_故障試驗(yàn)回路示意圖Fig.2 Schematic diagram of test loop for bushing tap ground fault

試驗(yàn)中選用的調(diào)壓器輸出電壓為0∽400 V，容量為15 kVA，變壓器額定電壓為0.4/60 kV，容量為15 kVA。升壓過程中，利用紫外成像儀、超聲檢測儀、寬頻局部放電檢測儀、超高頻局部放電檢測儀和AIS放電點(diǎn)檢測定位儀同時(shí)檢測放電信號，并記錄檢測結(jié)果。一般110 kV變電站內(nèi)巡檢路線距離一次高壓設(shè)備不小于3 m，因此試驗(yàn)過程中，在距離被試品3 m處進(jìn)行檢測。寬頻局部放電測試儀的測量傳感器須加壓前將其接入試驗(yàn)回路，測量試品外殼與地線間的高頻電流信號，通過分析高頻電流信號判斷高壓設(shè)備絕緣狀況。各檢測儀器設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 各帶電檢測設(shè)備參數(shù)Tab.1 Parameters of test devices

當(dāng)試驗(yàn)電壓升高至29.6 kV時(shí)，電流互感器內(nèi)部有明顯的放電聲響，紫外儀檢測成像如圖3所示，端子箱外部無放電現(xiàn)象。此時(shí)放電點(diǎn)應(yīng)在電流互感器油箱內(nèi)部，由于末屏處于懸浮電位，對油箱外殼或二次繞組放電。

圖3 紫外成像儀檢測結(jié)果Fig.3 Test results of UV imager

試驗(yàn)前利用超聲波測試儀測量高壓試驗(yàn)大廳背景噪聲，約為15 dB，當(dāng)被試品末屏處發(fā)生放電時(shí)，超聲波測試儀測量結(jié)果幾乎不變，約為15 dB。由于放電點(diǎn)在油箱內(nèi)部，油箱能夠屏蔽一定的超聲信號，而且超聲信號在空氣介質(zhì)中衰減較快，不易檢測。因此，超聲波測試儀不能檢測末屏接地?cái)嚅_故障。

超高頻局部放電測試儀檢測結(jié)果如圖4所示。根據(jù)專家系統(tǒng)進(jìn)行分析，檢測信號為典型懸浮電位放電信號。

寬頻局部放電測試儀在現(xiàn)場檢測寬頻電流信號一般不大于50 mV，當(dāng)電流峰值大于1 V時(shí)，需加強(qiáng)觀測，縮短檢測周期。試驗(yàn)時(shí)，其檢測結(jié)果如圖5所示。檢測信號幅值較大，明顯超過其測量范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于注意值1 V，說明被試品已存在明顯的放電點(diǎn)。

圖4 超高頻局部放電測試儀檢測結(jié)果Fig.4 Test results of UHF partial discharge tester

圖5 寬頻局部放電測試儀檢測結(jié)果Fig.5 Test results of broadband PD tester

AIS放電點(diǎn)檢測定位儀檢測結(jié)果如圖6所示。該設(shè)備通過天線接收放電點(diǎn)輻射到空間中的電磁波信號，記錄每個(gè)天線測量的時(shí)域波形和頻域波形。由于每個(gè)天線的空間位置不同，接收到放電信號的時(shí)刻也不同。根據(jù)接收信號的時(shí)間差和天線空間排列位置，可以計(jì)算放電點(diǎn)的方位，并明確指明放電點(diǎn)和天線陣列的向?qū)Ψ轿?，如圖6所示。

圖6 AIS放電點(diǎn)檢測定位儀檢測結(jié)果Fig.6 Test results of AIS partial discharge position indicator

3 試驗(yàn)分析

當(dāng)正常運(yùn)行的電流互感器或套管末屏接地?cái)嚅_時(shí)，會發(fā)生末屏對地放電的現(xiàn)象，但末屏接地處如有蓋帽，會屏蔽放點(diǎn)產(chǎn)生的光子，因此，利用紫外成像儀不能檢測郵箱或蓋帽內(nèi)的放電故障。

超聲波測試儀受超聲信號在空氣中傳播的影響，只能近距離地檢測超聲信號，在現(xiàn)場檢測中幾乎不能檢測出末屏接地?cái)嚅_故障。

超高頻局部放電測試儀在實(shí)驗(yàn)室中能夠檢測末屏接地?cái)嚅_時(shí)產(chǎn)生的放電信號，通過專家系統(tǒng)準(zhǔn)確判斷其放電類型。但超高頻局部放電測試儀采用的高頻傳感器為定向天線，只能接收某一個(gè)方向的放電信號。在現(xiàn)場檢測時(shí)，高壓設(shè)備多，環(huán)境復(fù)雜，不易采集到有效放電信號。該測試儀天線檢測頻段為0∽3 GHz，能夠檢測低頻電暈放電信號和手機(jī)通訊信號等，會引入較多的干擾信號。因此，在現(xiàn)場檢測時(shí)，利用超高頻局部放電測試儀很難檢測末屏接地?cái)嚅_故障。

寬頻局部放電測試儀通過檢測接地線中高頻電流，分析高頻電流的波形和PRPD譜圖判斷設(shè)備的絕緣狀況。由于現(xiàn)場檢測時(shí)，高壓設(shè)備一般處于運(yùn)行狀態(tài)，很難將測量傳感器接入測量回路。若采用該檢測方法，須在停電檢修時(shí)對高壓設(shè)備末屏接地線進(jìn)行改造，將寬頻電流傳感器接入試驗(yàn)回路。

AIS放電點(diǎn)檢測定位儀采用4個(gè)全向天線構(gòu)成的天線陣列作為接收放電信號的傳感器，能夠接受各個(gè)方向的放電信號，進(jìn)而計(jì)算放電信號的方位。接收天線的檢測頻段為100 MHz∽700 MHz，能夠有效屏蔽低頻段的電暈放電、手機(jī)通訊和電視廣播等干擾信號。高頻信號在空間中較超聲信號衰減小，能夠檢測較遠(yuǎn)距離發(fā)出的放電信號。因此，AIS放電點(diǎn)檢測定位儀能夠較準(zhǔn)確地檢測末屏接地?cái)嚅_故障，并根據(jù)方向指示準(zhǔn)確判斷發(fā)生故障的高壓設(shè)備。

4 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和現(xiàn)場檢測分析，得出以下結(jié)論：

（1）利用紫外成像儀、超聲波測試儀和超高頻局部放電測試儀不能在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)末屏接地?cái)嚅_故障；

（2）利用寬頻局部放電測試儀能夠檢測該類故障，但須對末屏進(jìn)行接地改造；

（3）利用AIS放電點(diǎn)檢測定位儀能夠有效快速地發(fā)現(xiàn)該類故障，并定位發(fā)生放電的高壓設(shè)備。