基于電流互感器的非開斷式操作電壓測(cè)試技術(shù)研究

何文林，魏澤民，楊 智，陳 珉

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

基于電流互感器的非開斷式操作電壓測(cè)試技術(shù)研究

何文林1，魏澤民2，楊 智1，陳 珉1

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

以CTH型倒置式電流互感器為對(duì)象，建立了流過電流互感器末屏接地端子的電流與一次電壓之間的傳遞關(guān)系計(jì)算模型，分析了介質(zhì)損耗值、電容量對(duì)傳遞系數(shù)的影響，給出了絕緣正常電流互感器傳遞系數(shù)極限偏差，并試驗(yàn)驗(yàn)證了不同幅值操作沖擊電壓作用下傳遞系數(shù)的最大偏差。

電流互感器；傳遞關(guān)系；非開斷；過電壓

0 引言

由變壓器、斷路器和線路等一次設(shè)備組成的電力網(wǎng)中，通過斷路器的分合閘操作完成運(yùn)行方式的改變，實(shí)現(xiàn)電能的重新分配。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生突變時(shí)，一次設(shè)備的電感元件、電容元件之間電磁能量發(fā)生快速轉(zhuǎn)換，形成一個(gè)強(qiáng)阻尼、震蕩性的過渡過程，將在電氣設(shè)備上產(chǎn)生暫態(tài)性質(zhì)的操作沖擊電壓。常見的操作沖擊電壓有分合閘空載線路過電壓、分合閘空載變壓器過電壓、弧光接地過電壓以及解列過電壓等。

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[1]，操作沖擊電壓指波頭時(shí)間大于或等于20 μs的沖擊電壓，標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓的波頭時(shí)間為（250±20%）μs、半峰值時(shí)間為（2 500±60%）μs。對(duì)于252 kV以上電壓等級(jí)的電氣一次設(shè)備（如電流互感器），操作沖擊電壓的峰值是決定其絕緣水平的關(guān)鍵參數(shù)之一。

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，操作沖擊電壓下易誘發(fā)電流互感器絕緣缺陷、絕緣故障[2]。電力部門通常采用仿真計(jì)算[3]或結(jié)合交接試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)測(cè)[4]來(lái)獲取操作沖擊電壓水平。仿真計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行工況的覆蓋面較廣，可以模擬各種不同運(yùn)行方式、各種不同操作方式，獲取沖擊電壓水平；不足之處是，計(jì)算獲得的操作沖擊電壓水平會(huì)隨著模型參數(shù)的改變而改變，而真實(shí)、準(zhǔn)確的模型參數(shù)往往很難獲得，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的可信度值得懷疑。結(jié)合交接試驗(yàn)進(jìn)行操作沖擊電壓水平實(shí)測(cè)，通常需在停電情況下斷開套管、電流互感器末屏，接入電壓取樣裝置，帶電測(cè)量操作沖擊電壓水平后，再次停電拆除電壓取樣裝置，然后恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。交接試驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)操作沖擊電壓水平，存在以下3方面問題：

（1）交接試驗(yàn)時(shí)運(yùn)行方式極其有限，不能完全覆蓋系統(tǒng)投入運(yùn)行后各種可能的運(yùn)行方式和操作方式，實(shí)測(cè)操作沖擊電壓水平不一定非常典型。

（2）電壓取樣裝置的頻率響應(yīng)特性，直接影響由套管或電流互感器和電壓取樣裝置組成的分壓器的頻率響應(yīng)特性，導(dǎo)致操作沖擊電壓水平測(cè)試結(jié)果的不唯一性。

（3）出于設(shè)備安全考慮，斷開套管、電流互感器末屏，接入電壓取樣裝置的測(cè)試方式，不能用于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)操作沖擊電壓的在線監(jiān)測(cè)。

基于電流互感器末屏接地電流與一次電壓值的傳遞關(guān)系，以下分析了互感器不同絕緣狀態(tài)下傳遞關(guān)系的變化規(guī)律，建立了基于CTH電流互感器的非開斷式操作電壓測(cè)試方法，可實(shí)現(xiàn)操作沖擊電壓的在線監(jiān)測(cè)。

1 測(cè)試原理

電流互感器是電力系統(tǒng)中常用的電氣一次設(shè)備，主要作用是將高電壓、大電流轉(zhuǎn)換成低電壓、小電流，為電能計(jì)量和繼電保護(hù)提供信號(hào)源。按電流互感器結(jié)構(gòu)形式分類，主要有正立式電流互感器和倒置式電流互感器2類，隨著電壓等級(jí)的不斷提高，倒置式電流互感器得到廣泛應(yīng)用[5]，其中CTH-550型電流互感器是一種典型的油浸倒置式電流互感器。

CTH-550型電流互感器結(jié)構(gòu)如圖1所示?；ジ衅黝^部頂端裝有不銹鋼膨脹器，頭部?jī)?chǔ)油柜采用鑄鋁件，其內(nèi)裝有二次器身，用于傳輸一次電流的一次導(dǎo)桿從二次器身的鐵芯中穿過。主絕緣全部包在二次器身上，主絕緣分成頭部絕緣和直線段絕緣2部分，由若干個(gè)電容屏組成?；ジ衅魍饨^緣采用高強(qiáng)瓷，二次端子板采用整體澆筑式結(jié)構(gòu)，二次端子板上有末屏引出端子，正常運(yùn)行時(shí)末屏引出端子處于接地狀態(tài)。

倒置式電流互感器的絕緣由主電容屏和末屏組成[6]，采用同軸結(jié)構(gòu)，具有不畸變被測(cè)波形和分壓比穩(wěn)定的特點(diǎn)[7]，沖擊電壓頻率響應(yīng)特性良好，范圍可達(dá)2 MHz?；贑TH電流互感器的非開斷式操作電壓測(cè)試原理如圖2所示。

電流互感器一次側(cè)承受電壓為U時(shí)，流過末屏接地端子的電流i為：

式中：ic為電流i的容性分量，ic=ωcu；iR為電流i的阻性分量，iR=ictanδ，tanδ為互感器的介質(zhì)損耗值。由式（1）可得到電流i的有效值I：

圖1 CTH-550型電流互感器結(jié)構(gòu)示意

圖2 非開斷式操作電壓測(cè)試原理

由式（3）可知，流過電流互感器末屏接地端子的電流值與一次電壓值之間存在函數(shù)關(guān)系，對(duì)某一特定頻率的電壓來(lái)說，傳遞系數(shù)僅與電流互感器的電容量C和介質(zhì)損耗值tanδ有關(guān)。

定義傳遞系數(shù)K如下：

2 絕緣性能對(duì)傳遞系數(shù)的影響分析

電容量和介質(zhì)損耗值是影響互感器絕緣性能的主要參數(shù)，相同型號(hào)的電流互感器，設(shè)計(jì)時(shí)擁有相同的電容量和介質(zhì)損耗值控制目標(biāo)。由于制造工藝的差異，各臺(tái)互感器出廠時(shí)電容量和介質(zhì)損耗值不完全相同，因此每臺(tái)互感器原始的傳遞系數(shù)存在細(xì)微差異?；ジ衅髟嫉膫鬟f系數(shù)可以通過出廠電壓沖擊試驗(yàn)準(zhǔn)確獲得。

電流互感器投入系統(tǒng)運(yùn)行后，在電、熱等因素的綜合作用下，絕緣性能可能發(fā)生劣化，測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)在電容量和/或介質(zhì)損耗值的改變[8]，通常是電容量往大、小兩個(gè)方向的雙向變化和介質(zhì)損耗值往大方向的變化。

2.1 電容量變化對(duì)傳遞系數(shù)的影響

設(shè)某臺(tái)介質(zhì)損耗值為tanδ的電流互感器，其電容量由初始狀態(tài)的C1改變?yōu)樽罱K狀態(tài)的C2，相應(yīng)的傳遞系數(shù)也由Kc1變化為Kc2。

定義電容量變化引起傳遞系數(shù)改變的相對(duì)偏差為Kc：

將式（4）和（5）代入式（6）可得：

由此可見，傳遞系數(shù)與電容量變化率呈線性關(guān)系。

2.2 介質(zhì)損耗值變化對(duì)傳遞系數(shù)的影響

設(shè)某臺(tái)電容量為C的電流互感器，其介質(zhì)損耗值由初始狀態(tài)的tanδ1改變?yōu)樽罱K狀態(tài)的tanδ2，相應(yīng)的傳遞系數(shù)也由 Ktanδ1變化為 Ktanδ2。

定義介質(zhì)損耗值變化引起傳遞系數(shù)改變的相對(duì)偏差為 Ktanδ：

將式（8）和（9）代入式（10）可得：

因 tanδ1?1， tanδ2?1， 可式（11）可知， 介質(zhì)損耗值變化對(duì)傳遞系數(shù)的影響非常小。

2.3 極限狀態(tài)下傳遞系數(shù)的偏差

對(duì)于投入電網(wǎng)運(yùn)行的電流互感器，電力企業(yè)按照規(guī)程定時(shí)進(jìn)行絕緣狀態(tài)的例行試驗(yàn)[9]，當(dāng)介質(zhì)損耗值或電容量超出標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，互感器的絕緣狀態(tài)進(jìn)入極限狀態(tài)，通常的檢修策略是修復(fù)或更換[10]。

對(duì)500 kV電壓等級(jí)CTH型電流互感器而言，實(shí)測(cè)電容量與初始電容量的偏差不得超過±5%，實(shí)測(cè)介質(zhì)損耗值不得超過0.007。極限狀態(tài)與初始狀態(tài)相比，假設(shè)電容量往大、小兩個(gè)方向變化5%，初始介質(zhì)損耗值為tanδ。則傳遞系數(shù)的相對(duì)偏差DK分別見式（12）和（13），經(jīng)計(jì)算得到不同初始介質(zhì)損耗值時(shí)極限偏差見圖3。

由圖3可知，極限狀態(tài)與初始狀態(tài)相比，傳遞系數(shù)的相對(duì)偏差在5%以內(nèi)，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)操作過電壓測(cè)量要求。

圖3 DK與不同初始介損值的關(guān)系

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

操作沖擊電壓作用下，倒置式電流互感器傳遞特性測(cè)試回路見圖4。

圖4 操作沖擊傳遞特性接線示意

沖擊電壓發(fā)生器用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波形，通過電容分壓器對(duì)操作沖擊電壓進(jìn)行直接測(cè)量，沖擊電壓施加于倒置式電流互感器的一次導(dǎo)桿上，互感器的鋁管和末屏接線端、二次接線以及底座均接地，通過高頻電流傳感器和數(shù)字示波器檢測(cè)接地線上的電流。

對(duì)某臺(tái)型號(hào)為CTH-550的倒置式電流互感器在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了傳遞特性實(shí)測(cè)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 CTH-550型電流互感器傳遞系數(shù)測(cè)試結(jié)果

由表1可知，不同幅值操作沖擊電壓作用下，傳遞系數(shù)計(jì)算結(jié)果略有差異，與平均值相比的最大偏差在6%以內(nèi)，可滿足操作過電壓水平工程測(cè)量要求[11，12]。

4 結(jié)語(yǔ)

以CTH型倒置式電流互感器為對(duì)象，建立了傳遞關(guān)系計(jì)算模型，通過檢測(cè)末屏接地引下線電流，實(shí)現(xiàn)電流互感器一次側(cè)過電壓水平監(jiān)測(cè)。研究結(jié)論可指導(dǎo)電容型套管等類似結(jié)構(gòu)電力設(shè)備的過電壓監(jiān)測(cè)。

（1）流過電流互感器末屏接地端子的電流值與一次電壓值之間存在函數(shù)關(guān)系，對(duì)某一特定頻率的電壓來(lái)說，傳遞系數(shù)僅與電流互感器的電容量和介質(zhì)損耗值有關(guān)。

（2）傳遞系數(shù)與電容量變化率呈線性關(guān)系，介質(zhì)損耗值變化對(duì)傳遞系數(shù)的影響較小。

（3）在電容量最大偏差±5%、介質(zhì)損耗值達(dá)到0.007的極限狀態(tài)下，傳遞系數(shù)的相對(duì)偏差在5%以內(nèi)，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)操作過電壓測(cè)量要求。

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Research on Testing Technology of Non-breaking Operating Voltage Based on Current Transformer

HE Wenlin1，WEI Zemin2，YANG Zhi1， CHEN Min1

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；2.State Grid Jiaxing Power Supply Company， Jiaxing Zhejiang 314033， China）

Taking CTH type inverted current transformer as the object，this paper establishes a calculation model of transitive relation between the current flowing through the end screen terminal and the primary voltage of the current transformer； besides， it analyzes the effect of the dielectric loss value and capacitance on the transfer coefficient.Finally，it gives the limit deviation of transfer coefficient of the current transformer with normal insulation and verifies the maximum deviation of transfer coefficient under different operating impulse voltages.

current transformer； transitive relation； non-breaking； overvoltage

10.19585/j.zjdl.201709005

1007-1881（2017）09-0024-04

TM452

B

2017-05-19

何文林（1963），男，教授級(jí)高工，從事電氣一次設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)、故障診斷、處理及科學(xué)研究；輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修；電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)及帶電檢測(cè)工作。

（本文編輯：方明霞）