沖擊電壓下CVT傳遞特性及其缺陷故障檢測研究

陳一悰，趙壯民，李軍浩

（1.國網(wǎng)陜西電力科學(xué)研究院，陜西西安 710100；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西西安 710049）

0 引言

電容式電壓互感器（Capacitor Voltage Transformer，CVT）用于電力系統(tǒng)中保護和計量單元，是電力系統(tǒng)中重要測量設(shè)備之一[1]，其安全可靠的運行對電力系統(tǒng)至關(guān)重要。

隨著CVT 使用規(guī)模的擴大和電壓等級的提高，CVT 現(xiàn)場故障頻頻發(fā)生，主要以CVT 的電容單元和電磁單元的絕緣缺陷故障為主[2-6]。由于CVT 內(nèi)部絕緣缺陷導(dǎo)致其等值網(wǎng)絡(luò)的電路參數(shù)發(fā)生變化，國內(nèi)采用的方法是對CVT 進行解體來分析原因，然后提出預(yù)防此類故障的方法。因此，本文提出一種利用CVT 電壓傳遞特性對其內(nèi)部絕緣缺陷故障進行診斷的方法。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對CVT 電壓傳遞特性獲取方法進行了研究[7-10]。重慶大學(xué)司馬文霞團隊提出通過建立CVT 寬頻導(dǎo)納子模型來表征CVT 頻率特性和非線性特性，準(zhǔn)確獲取寬頻電壓傳遞特性，其中試驗部分采用雷電沖擊電壓作為激勵源對仿真結(jié)果進行驗證；華中科技大學(xué)劉毅等學(xué)者針對掃頻法獲取CVT 電壓傳遞特性的弊端提出了基于時域回歸模型的CVT 傳遞特性獲取方法，可以有效避免掃頻電源功率不夠、頻帶受限的難題，并且采用操作沖擊電壓作為激勵源進行模型驗證；F.M.Mwaniki 和H.J.Vermeulen 等學(xué)者在文獻中提到，利用沖擊電壓信號進行參數(shù)估計，由不同調(diào)波參數(shù)的沖擊電壓波形獲取的電壓傳遞響應(yīng)特性有所差異。因此利用沖擊電壓作為激勵信號來獲取CVT電壓傳遞特性是可行的，并且沖擊電壓相較于工頻電壓可以產(chǎn)生幅值更高、陡度更大的波形，使CVT 內(nèi)部元件在高場強及高梯度電壓下才能激發(fā)的缺陷暴露比工頻電壓靈敏得多，因此可以采用沖擊電壓獲取CVT 寬頻傳遞特性對其進行絕緣缺陷故障診斷。

本文以1 臺35 kV 的電容式電壓互感器為例，首先根據(jù)3 種不同類型沖擊電壓下CVT 電壓傳遞特性的差異來確定適用于CVT 絕緣缺陷檢測的沖擊電壓波形，其次對CVT 設(shè)置3 種常見的絕緣缺陷故障，通過CVT 故障前后的電壓傳遞特性差異提取特征參數(shù)，實現(xiàn)對CVT 的絕緣缺陷故障檢測。

1 CVT工作原理及試驗平臺搭建

1.1 CVT工作原理

CVT 由電容分壓單元和電磁單元2 部分組成，電磁單元包括中間變壓器和補償電抗器。補償電抗器的作用是與電容分壓單元低壓臂電容器相匹配，在工頻下達到諧振狀態(tài)，提高CVT 系統(tǒng)的帶負(fù)載能力，使測量結(jié)果不受負(fù)荷變化的影響，提高測量的精度和穩(wěn)定性。中間變壓器則將電容分壓器分出來的中間電壓進一步降低，降低二次側(cè)電壓測量的難度，CVT 的電氣原理如圖1 所示。

圖1 中，C1為CVT 電容分壓單元高壓臂電容，C2為CVT 電容分壓單元低壓臂電容，LC為CVT 電磁單元中的補償電抗器，BL為電磁單元中的避雷器，SDT 為電磁單元中的降壓變壓器，ZD為速飽和型阻尼裝置，1a 和1n 為CVT 二次側(cè)1 號繞組引出端子，2a 和2n 為CVT 二次側(cè)2 號繞組引出端子，da和dn 為CVT 二次側(cè)剩余繞組引出端子。

圖1 CVT電氣原理圖Fig.1 CVT electrical schematic

1.2 試驗平臺

試驗平臺等效電路如圖2 所示，該模型中包含了沖擊電壓發(fā)生器和被試電容式電壓互感器的等效電路[11-14]。互感器的額定參數(shù)見表1。

圖2 沖擊試驗平臺等效電路Fig.2 Equivalent circuit used in test platform

表1 35 kV電容式電壓互感器的額定參數(shù)Table 1 Basic parameters of 35 kV capacitor voltage transformer

圖2 中，左側(cè)虛線框構(gòu)成沖擊電壓發(fā)生電路，C0為主電容，開關(guān)K 為沖擊電壓發(fā)生器的球隙，Rf為波頭電阻，Rt為波尾電阻；中間虛線框為電容式電壓互感器的等效電路，其中RT1和LT1為降壓變壓器一次側(cè)的漏阻和漏感，RT2和LT2為降壓變壓器二次側(cè)等效至一次側(cè)的漏阻和漏感，Rm和Lm為降壓變壓器的勵磁電阻和勵磁電感；右側(cè)虛線框中CH，CL分別為電容分壓器高、低壓臂等效電容。

本文選擇3 種不同類型的沖擊試驗電壓波形進行沖擊試驗[15]，分別為雷電沖擊波形（Lightning Impulse，LI）、操作沖擊波形（Switching Impulse，SI）、振蕩雷電沖擊波形（Oscillating Lightning Impulse，OLI），研究不同頻帶的激勵源對CVT 電壓傳遞特性的影響。

2 無故障時CVT的傳遞特性研究

2.1 雷電沖擊電壓下CVT傳遞特性

在雷電沖擊電壓作用下，CVT 內(nèi)部中間變壓器的雜散參數(shù)不可忽略[16-19]，雷電流將通過中間變壓器的高低壓繞組之間的雜散電容傳輸信號，在CVT二次側(cè)感應(yīng)出振蕩電壓波形，典型的時域波形如圖3 所示。

圖3 雷電沖擊試驗時域波形Fig.3 Time domain waveform of lightning impulse test

由圖3 可知，電容式電壓互感器一次側(cè)感應(yīng)電壓為雷電沖擊電壓，該波形的波前時間為4.8 μs，半峰時間為83.2 μs，波形滿足IEC60060-3 關(guān)于雷電沖擊電壓峰值時間在0.8～20 μs 之間、半峰值時間在40～100 μs 之間的要求。利用傅里葉分析將時域波形轉(zhuǎn)換為頻域波形，將一、二次側(cè)的各頻率點電壓幅值按照式（1）計算變比，獲取CVT 電壓傳遞函數(shù)H(jω)的圖像如圖4 所示。

圖4 CVT電壓傳遞特性（雷電沖擊試驗）Fig.4 CVT voltage transfer characteristics（lightning impulse test）

式中：U1(jω)為一次側(cè)電壓；U2(jω)為二次側(cè)電壓；|H(jω) |為CVT 一二次側(cè)電壓之間的變比；θ(jω)為CVT 一二次側(cè)電壓之間的相位差。

由圖4 可知，電容式電壓互感器在無絕緣故障情況下的電壓傳遞函數(shù)在7.5 kHz 處有一最大峰值點，除此之外在0.3 kHz，4.1 kHz 和10 kHz 處分別有明顯的諧振峰[20-22]。

2.2 操作沖擊電壓下CVT電壓傳遞特性

電容式電壓互感器在操作沖擊試驗中，由于操作沖擊電壓波前時間相對較長，沖擊電流可以使中間變壓器勵磁達到飽和狀態(tài)[23-25]，因此操作沖擊電壓波形在經(jīng)過試品后，由CVT 二次側(cè)感應(yīng)出的電壓波形出現(xiàn)了振蕩，典型的時域波形如圖5 所示。

圖5 操作沖擊試驗時域波形Fig.5 Time domain waveform of switching impulse test

由圖5 可知，電容式電壓互感器一次側(cè)感應(yīng)電壓為操作沖擊電壓，該波形的波前時間為43 μs，半峰時間為2 624.8 μs，波形滿足IEC60060-3 關(guān)于操作沖擊電壓峰值時間在20～400 μs 之間、半峰值時間在1 000～4 000 μs 之間的要求。

操作沖擊電壓下獲取的CVT 電壓傳遞特性如圖6 所示。

圖6 CVT電壓傳遞特性（操作沖擊試驗）Fig.6 CVT voltage transfer characteristics（switching impulse test）

由圖6 可知，電容式電壓互感器在無絕緣故障情況下的電壓傳遞函數(shù)有多處明顯的諧振峰，在4.15 kHz 處有一最大峰值點，除此之外在0.3 kHz，7.75 kHz 和10.2 kHz 處分別有明顯的諧振峰。

2.3 振蕩操作沖擊電壓下CVT電壓傳遞特性

振蕩波是IEC60060-3 推薦的現(xiàn)場試驗波形，具有產(chǎn)生效率高、易于調(diào)波、適合現(xiàn)場使用等優(yōu)點。在主電容充電電壓相同的情況下，可提高輸出電壓，輸出電壓迅速上升到峰值，然后伴隨著頻率在1～15 kHz 之間的阻尼振蕩下降至零，典型的時域波形如圖7 所示。

圖7 振蕩型操作沖擊試驗時域波形Fig.7 Time domain waveform of oscillating switching impulse test

由圖7 可知，一次側(cè)電壓輸入信號可以感應(yīng)出標(biāo)準(zhǔn)的振蕩操作沖擊電壓，振蕩頻率為12 kHz，取出頻域中的各頻率點數(shù)據(jù)，獲得其電壓傳遞特性如圖8 所示。由圖8 可知，CVT 電壓傳遞特性曲線主要諧振峰頻率為0.34 kHz，4.16 kHz，7.72 kHz 和10.33 kHz。

圖8 CVT電壓傳遞特性（振蕩操作沖擊試驗）Fig.8 CVT voltage transfer characteristics（oscillating switching impulse test）

由不同類型沖擊電壓波形獲取的CVT 電壓傳遞函數(shù)的諧振點頻率分布見表2，其中將3 個明顯的諧振點按照頻率由低到高分別命名為諧振點1、諧振點2 和諧振點3，下同。

表2 CVT電壓傳遞函數(shù)諧振點頻率分布Table 2 Frequency distribution of resonance point of CVT voltage transfer function kHz

由表2 可知，在無故障狀態(tài)下CVT 電壓傳遞函數(shù)的主要諧振點頻率基本一致，證明不同類型沖擊電壓波形對獲取CVT 電壓傳遞函數(shù)影響不大。對比3 種沖擊電壓波形特點，振蕩波易于調(diào)波且產(chǎn)生效率較高，適用于現(xiàn)場，因此本文對CVT 絕緣缺陷進行故障檢測采用的沖擊電壓波形為振蕩型操作沖擊電壓波形。

3 CVT絕緣缺陷故障診斷研究

3.1 絕緣缺陷故障類型

根據(jù)電容式電壓互感器的結(jié)構(gòu)特征，常見的絕緣缺陷故障有以下3 種。

1）缺陷1。電磁單元中間變壓器高壓繞組尾端的調(diào)節(jié)繞組對地短路，當(dāng)變壓器繞組發(fā)生對地短路時，短路通道會出現(xiàn)弧道電阻，本文采用1 Ω電阻模擬此弧道電阻，如圖9 所示。

圖9 中間變壓器高壓繞組對地短路試驗線路示意圖Fig.9 Diagram of ground short-circuit test circuit of intermediate transformer high-voltage winding

2）缺陷2。中間變壓器高壓繞組首端匝間短路故障，采用導(dǎo)線將變壓器高壓繞組不同匝之間進行短接，試驗線路如圖10 所示。

圖10 中間變壓器高壓繞組匝間短路試驗線路示意圖Fig.10 Diagram of inter-turn short-circuit test circuit of the intermediate transformer high-voltage winding

3）缺陷3。補償電抗器以及附加調(diào)相繞組在運行過程中由于受熱不均勻?qū)е略验g短路，即將補償電抗器繞組的不同匝之間進行短接，如圖11 所示。

圖11 補償電抗器匝間短路試驗線路示意圖Fig.11 Diagram of inter-turn short-circuit test circuit of compensation reactor

3.2 不同絕緣缺陷下的CVT傳遞特性對比

根據(jù)第2 章的試驗流程以及數(shù)據(jù)分析方法，將不同絕緣缺陷故障條件下由振蕩型操作沖擊試驗獲取的CVT 電壓傳遞函數(shù)試驗結(jié)果匯總，如圖12 所示。

圖12 CVT電壓傳遞函數(shù)匯總圖Fig.12 Summary graph of CVT voltage transfer function

由圖12 可以看出，在不同絕緣缺陷條件下，由振蕩操作沖擊電壓試驗獲取的電壓傳遞函數(shù)在低頻段差異明顯，因此，當(dāng)CVT 內(nèi)部存在絕緣缺陷故障時，可以根據(jù)沖擊試驗獲取CVT 電壓傳遞函數(shù)進行故障診斷；缺陷1 與缺陷2 屬于同一種故障類型（中間變壓器高壓繞組對地短路、匝間短路），所以這2 種缺陷狀態(tài)下獲取的電壓傳遞函數(shù)在0.3 kHz附近有諧振點，但諧振點對應(yīng)的頻率變化不一致，其余諧振點頻率未發(fā)生偏移；缺陷3 屬于補償電抗器故障，由其電壓傳遞函數(shù)可知，在0.3 kHz 附近的諧振點消失，可以認(rèn)為CVT 補償電抗器故障對電壓傳遞函數(shù)的低頻段影響較大。將不同缺陷下電壓傳遞函數(shù)諧振點頻率匯總見表3。

表3 電壓傳遞函數(shù)諧振點頻率分布（不同缺陷故障）Table 3 Frequency distribution of resonance point of voltage transfer function（faults with different defects）kHz

結(jié)合表2、表3 可知，不同缺陷故障條件下的電壓傳遞函數(shù)主要諧振點對應(yīng)的頻率發(fā)生了變化，缺陷1 是中間變壓器繞組對地短路故障，諧振點1 的頻率較正常狀態(tài)下的頻率向右偏移25 Hz；缺陷2是中間變壓器繞組匝間短路故障，諧振點1 的頻率較正常狀態(tài)下的頻率向左偏移300 Hz；缺陷3 是補償電抗器匝間短路故障，諧振點1 消失。

根據(jù)電壓傳遞函數(shù)的理論計算方法可知，電壓傳遞函數(shù)波形中有3 個諧振點，即CVT 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有3 組電感、電容回路，也包括雜散電容的影響，通過試驗結(jié)果可知，CVT 內(nèi)部的3 種缺陷主要影響了電壓傳遞函數(shù)的低頻段，中高頻段未受影響，其中對CVT 傳遞特性影響最嚴(yán)重的故障是補償電抗器的匝間短路。

由于電容式電壓互感器等值電路組成的電感電容電阻網(wǎng)絡(luò)中，存在明顯的諧振點，在電容式電壓互感器發(fā)生故障時，網(wǎng)絡(luò)中等值元件參數(shù)會發(fā)生變化，諧振點也會隨之變化，這對應(yīng)用傳遞函數(shù)法進行CVT 絕緣缺陷故障診斷提供了支撐，本文的研究結(jié)果表明在利用電壓傳遞函數(shù)進行CVT 絕緣缺陷檢測時具有較高的靈敏性。

4 結(jié)論

本文以1 臺35 kV 的電容式電壓互感器為試驗對象，通過試驗結(jié)果分析，得出了以下結(jié)論：

1）由3 種不同類型沖擊電壓試驗獲取的CVT寬頻電壓傳遞函數(shù)在無故障狀態(tài)下基本一致，因此3 種沖擊電壓波形都可以作為利用沖擊試驗進行故障診斷的參考沖擊電壓波形，但振蕩型操作沖擊電壓波形具有易于調(diào)波，效率高，適用于現(xiàn)場試驗等優(yōu)點，是獲取CVT 電壓傳遞函數(shù)的最佳沖擊波形。

2）對CVT 內(nèi)部設(shè)置幾種典型的絕緣缺陷，由振蕩操作沖擊電壓獲取的電壓傳遞函數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，CVT 故障前后的諧振頻率點以及整體的傳函變化情況是不一致的，可以利用振蕩操作沖擊試驗獲取CVT 電壓傳遞函數(shù)對CVT 進行故障診斷，為現(xiàn)場開展CVT 沖擊響應(yīng)分析提供理論指導(dǎo)。