顧仲德

（常熟市供電公司，江蘇常熟 215500）

電容式電壓互感器（CVT）由于其絕緣可靠性高、鐵磁諧振有效阻尼、瞬變響應(yīng)特性優(yōu)異等特點(diǎn)，已經(jīng)成為電網(wǎng)設(shè)備選型的首選。伴隨著CVT的廣泛應(yīng)用，如何對(duì)運(yùn)行中的CVT進(jìn)行有效在線監(jiān)測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)故障特征信號(hào)，及早安排診斷性試驗(yàn)成為廣大電氣工作者值得思索的問題。

1 CVT結(jié)構(gòu)、原理及常見故障

1.1 結(jié)構(gòu)分析

電容式電壓互感器主要由電容分壓元件、中間變壓器、補(bǔ)償電抗器、阻尼裝置構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，C1、C2分別為多個(gè)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(bǔ)償電抗；B為中間變壓器；Z為阻尼裝置。

圖1 CVT結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 The structure of the CVT

補(bǔ)償電抗器用于補(bǔ)償中間變壓器工作電流在電容單元上的壓降，阻尼裝置則能在電網(wǎng)擾動(dòng)、分頻諧振時(shí)有效阻尼，防止鐵磁諧振。

1.2 CVT常見故障

由于電網(wǎng)中CVT在役數(shù)量急劇增加，受限于各制造廠家工藝水平差異、元器件選擇以及運(yùn)行過程中受潮、電網(wǎng)擾動(dòng)等因素，CVT故障頻發(fā)，甚至發(fā)生CVT故障引起保護(hù)誤動(dòng)的惡性電網(wǎng)事故。

常見CVT故障主要有電容單元擊穿、中間變壓器一次側(cè)首端引線對(duì)地絕緣閃絡(luò)、匝間短路、阻尼裝置無法有效阻尼鐵磁諧振等[1]。

1.3 常見在線監(jiān)測(cè)方法

在許多技術(shù)文獻(xiàn)中，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(shè)備，合并研究和開發(fā)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。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、運(yùn)行時(shí)電容量C、電容電流Ic、絕緣介質(zhì)損耗值tan δ等在線測(cè)量等方法。絕緣油色譜分析以及近期發(fā)展成熟的紅外測(cè)溫、紫外成像等方法也為設(shè)備故障檢測(cè)提供了較好的補(bǔ)充。

眾多監(jiān)測(cè)方法中，運(yùn)行時(shí)電容量C、電容電流Ic、介質(zhì)損耗值tan δ的數(shù)字化在線測(cè)量得到比較廣泛的應(yīng)用，其在線測(cè)試原理框圖如圖2[2]所示。

圖2 數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)原理框圖Fig.2 The functional block diagram of the digital measuring system

雖然在線監(jiān)測(cè)更多的是強(qiáng)調(diào)監(jiān)測(cè)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(shè)備外絕緣的污穢情況的綜合影響，現(xiàn)場(chǎng)采集到在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較大的離散性。有文獻(xiàn)介紹澳大利亞研制的電容型電力設(shè)備介質(zhì)損耗在線監(jiān)測(cè)裝置，利用過零點(diǎn)相位比較法測(cè)量介質(zhì)損耗，測(cè)量分辨率達(dá)到0.1‰[3]。

2 CVT故障后電壓測(cè)量值的變化

2.1 CVT電容單元擊穿

CVT內(nèi)部分壓元件由多個(gè)電容單元元器件串聯(lián)而成，其電容單元還將影響CVT的分壓比。當(dāng)CVT內(nèi)部存在單節(jié)或多節(jié)電容擊穿故障時(shí)，其故障特征不僅反應(yīng)在電容電流和設(shè)備介質(zhì)損耗上，還將引起分壓比K的變化，從而導(dǎo)致CVT測(cè)量電壓發(fā)生顯著變化。以圖1為分析基礎(chǔ)，令電容單元電容量為CN，主電容和分壓電容分別由N1、N2節(jié)電容單元串聯(lián)組成，則有如下關(guān)系式成立。

當(dāng)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(gè)數(shù)改變?yōu)镹1－1個(gè)，從而電容分壓器的分壓比變?yōu)椋?/p>

當(dāng)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(gè)數(shù)改變?yōu)镹2－1個(gè)，從而電容分壓器的分壓比變?yōu)椋?/p>

此時(shí)，分壓比的變化量為：

此時(shí)，分壓比的變化量為：

因N1＞N2，所以|Δk1|＜|Δk2|，從而上節(jié)電容單元單節(jié)擊穿后計(jì)算的電壓測(cè)量偏差靈敏度更高。

以某廠家的35~500 kV母線型電容式電壓互感器內(nèi)部串聯(lián)單元數(shù)量為例，當(dāng)其上節(jié)電容發(fā)生單節(jié)擊穿后引起的測(cè)量電壓的變化量如表1所示。

表1 CVT主電容發(fā)生單節(jié)擊穿后電壓測(cè)量值的偏差Tab.1 Error of the measuring voltage value after a unit of the main capacitor breaks down in the CVT

需要說明的是CVT內(nèi)部采用補(bǔ)償電抗器L，與上下節(jié)電容的并聯(lián)等效電容形成串聯(lián)諧振。表1中的計(jì)算數(shù)據(jù)并未考慮CVT內(nèi)部電容單元擊穿、諧振條件受到破壞引起的測(cè)量電壓幅值和相角的變化[4]。

2.2 中間變壓器對(duì)地絕緣擊穿

如圖1所示，分壓電容末端引線通過小瓷套從底座引至電磁裝置的油箱內(nèi)，再與中間變壓側(cè)一次側(cè)首端連接。電磁裝置油箱注油絕緣，少部分空腔充氮填充，外觀上構(gòu)成CVT底座。

由于中間變壓器經(jīng)過電容分壓后，其工作電壓一般較低，在13～25 kV。由于受油箱體積、分壓電容末端至中間變壓器之間的引線布局不合理等影響，容易造成引線對(duì)油箱壁、電容單元底部紙板放電。

CVT運(yùn)輸過程中的振動(dòng)引起中間變壓器本體及引線的錯(cuò)位，增加了中間變壓器首端引線直接對(duì)地形成放電通道的概率；運(yùn)行過程中的油箱進(jìn)水受潮極易引起中間變壓器匝間短路故障的發(fā)生。

發(fā)生該類故障的直接后果是電網(wǎng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)采集到故障相電壓驟降、油箱絕緣油色譜分析異常。

2.3 阻尼裝置失效

由于CVT本身結(jié)構(gòu)中就含有電容和非線性電感，具有發(fā)生串聯(lián)諧振的條件。當(dāng)線路一次側(cè)突然合閘或二次側(cè)短路又突然消除時(shí)，過渡過程中產(chǎn)生的過電壓會(huì)使中間變壓器的鐵心出現(xiàn)飽和，中間變壓器勵(lì)磁電感Lm非線性下降，回路的固有頻率上升，可能產(chǎn)生鐵磁諧振。

制造廠家在CVT二次側(cè)接入適當(dāng)?shù)淖枘嶝?fù)載是有效抑制CVT鐵磁諧振常用的方法之一。常用的阻尼器有電阻型、諧振型、速飽和電抗型3大類。以速飽和電抗型為例，原理電路如圖3所示。

圖3 速飽和電抗型阻尼器原理電路Fig.3 The principle of the saturated reactor type damper

這種阻尼器是靠電抗器鐵心的快速飽和而將阻尼電阻rx接入CVT回路。在CVT正常運(yùn)行條件下電抗器的電抗L很大，通過阻尼器的電流僅為幾十毫安，其功耗及儲(chǔ)能均很小;而當(dāng)CVT發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，在過電壓作用下電抗器的電感值急劇下降，將電阻rx接人回路消耗足夠的功率來阻尼鐵磁諧振[5]。

當(dāng)電網(wǎng)擾動(dòng)引起CVT鐵磁諧振時(shí)，若阻尼裝置由于誤接線、參數(shù)配置不合理、阻尼電阻燒毀等原因無法有效阻尼時(shí)，將直接導(dǎo)致CVT相電壓及零序電壓測(cè)量值出現(xiàn)異常、電磁裝置油箱溫度升高、油化試驗(yàn)色譜異常等現(xiàn)象。極端情況下中間電壓回路中將可能產(chǎn)生大電流及過電壓，甚至造成二次保護(hù)的誤動(dòng)作[6]。

3 基于電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的監(jiān)測(cè)方法

3.1 監(jiān)測(cè)的基本方法

以江蘇省為例，目前普遍采用南瑞繼保提供的OPEN-3000系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集周期為1 min。

建議的監(jiān)測(cè)方法基本思路為在電網(wǎng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，植入判斷軟件，利用電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采集的CVT測(cè)量值，包括相電壓及零序電壓，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理判斷，對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效在線監(jiān)測(cè)。其工作邏輯見圖4。

圖4 工作邏輯框圖Fig.4 Logic judgment block diagram

3.2 相電壓報(bào)警限值計(jì)算

相電壓限值的計(jì)算可以以三相電壓的絕對(duì)值偏差和百分比偏差進(jìn)行設(shè)置。以三相CVT的電壓測(cè)量值為例，設(shè)UA、UB、UC為某一采樣周期的測(cè)量值，則不同相電壓偏差幅值分別為：

三相電壓測(cè)量值絕對(duì)值偏差取：max{ΔU1，ΔU2，ΔU3}。

三相電壓百分比偏差：

max{ΔU1%，ΔU2%，ΔU3%}為三相電壓百分比偏差。

設(shè)置設(shè)置報(bào)警限值時(shí)，需要注意應(yīng)該有足夠的靈敏度，即設(shè)置的限值應(yīng)比計(jì)算值小，靈敏度大于1；不會(huì)因電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)頻繁報(bào)警，即設(shè)置限值的大小應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定水平，不宜過低，可根據(jù)誤報(bào)警次數(shù)逐步修正。

如3.1節(jié)所述，根據(jù)不同廠家生產(chǎn)的CVT電容單元結(jié)構(gòu)，計(jì)算出相電壓電壓偏差，作為設(shè)置報(bào)警限值的參考，還可以對(duì)包括電容單元擊穿在類的其他常見故障同時(shí)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。換言之，即CVT常見故障引起的電網(wǎng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)電壓測(cè)量值的變化均大于上述限值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況，建議35~500 kV測(cè)量電壓偏差絕對(duì)值設(shè)置為0.5~0.8 kV為宜。

3.3 零序電壓報(bào)警限值

零序電壓報(bào)警限值，很難針對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)、阻尼裝置失效等故障原因提出一個(gè)完全收斂的算法，還需各運(yùn)行單位根據(jù)本地區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定水平和常見擾動(dòng)因素合理設(shè)置。根據(jù)近期收集的部分案例，建議零序電壓報(bào)警限值設(shè)置為10~15 V，作為監(jiān)測(cè)阻尼裝置失效的輔助手段。

4 故障實(shí)例分析

4.1 電容單元擊穿

220 kV練塘變電站110 kV正母CVT（型號(hào)為WVB110-20H）于2005年和2008年先后進(jìn)行2次預(yù)防性試驗(yàn)，介質(zhì)損耗、油化試驗(yàn)均滿足省公司規(guī)程要求。但是與銘牌電容量比較計(jì)算電容量偏差時(shí)，B相變化率偏大。主要數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電容式壓變預(yù)試結(jié)果Tab.2 Preventive tests of the capacitive voltage transformer

仔細(xì)分析B相上節(jié)的電容量，前后2次變化率累計(jì)達(dá)到2.47%，初步懷疑內(nèi)部存在絕緣缺陷。調(diào)閱電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)CVT相電壓測(cè)量值，曲線如圖5所示。圖中曲線A、B、C分別代表當(dāng)日24 h三相測(cè)量電壓有效值，發(fā)現(xiàn)2006年8月16日14:15電壓測(cè)量信號(hào)有一個(gè)突變，其后，電壓曲線未再出現(xiàn)異常波動(dòng)，基本可以判斷此突變?yōu)镃VT內(nèi)部故障的特征信號(hào)。

圖5 110 kV正母電壓測(cè)量值曲線Fig.5 The waveform of the measuring voltage in the 110 kV positive bus

返廠修理證實(shí)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(chǎng)分析基本一致。由于當(dāng)時(shí)沒有相關(guān)在線監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)該故障信號(hào)未能及時(shí)捕獲，導(dǎo)致設(shè)備帶缺陷運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)2年。

4.2 中間變壓器匝間短路

220 kV乘航變1107母線CVT(型號(hào)TYD110/√3-0.02H)，2010年8月3日17：25，電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)C相電壓出現(xiàn)波動(dòng)，相電壓測(cè)量值由正常的65 kV驟降到54 kV，后有所恢復(fù)，18：55 C相電壓驟降為0。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)C相CVT二次電壓確無輸出，隨即申請(qǐng)事故停電檢修。電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓曲線清晰的表明了故障發(fā)展的過程。

事故后的解體分析證明油箱密封不良，運(yùn)行中進(jìn)水受潮，中間變壓器繞組率先發(fā)生匝間短路，導(dǎo)致電壓波動(dòng)。由于未能及時(shí)將CVT退出運(yùn)行，30 min帶病運(yùn)行，故障進(jìn)一步發(fā)展直至燒毀。

4.3 在線監(jiān)測(cè)模擬監(jiān)測(cè)效果

利用本文所述的電壓測(cè)量值診斷方法，對(duì)上述兩起故障進(jìn)行模擬監(jiān)測(cè)，報(bào)警限值取三相電壓絕對(duì)值偏差，設(shè)置為0.5 kV。

第一起故障中，在電壓曲線上采集故障前后的電壓測(cè)量值，并計(jì)算相關(guān)偏差，數(shù)據(jù)見表3。

表3 故障出現(xiàn)前后電壓CVT三相電壓測(cè)量值Tab.3 The measuring voltage value before and after some unit break down

故障前電壓絕對(duì)值偏差僅為0.39 kV，小于報(bào)警限值，判斷正常；故障后電壓偏差1.16 kV，大于報(bào)警限值，報(bào)警。第二起故障中，由于電壓驟降幅度較大，遠(yuǎn)超報(bào)警閥值，報(bào)警。

兩起故障中，若能根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電壓變化量，及時(shí)安排故障CVT停電檢查，無疑將避免故障進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié)論

本文提出了利用電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，引入CVT電壓測(cè)量值，完善現(xiàn)有在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，其本身具有顯著優(yōu)勢(shì)：不需加裝設(shè)備，僅在電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中植入判斷分析軟件；測(cè)量值不會(huì)遇到其他監(jiān)測(cè)方法很難解決的抗干擾問題。分析表明利用CVT電壓測(cè)量值能夠有效監(jiān)測(cè)CVT內(nèi)部電容單元擊穿等常見故障，國(guó)內(nèi)期刊介紹的各種CVT故障也證明以此方法制定的報(bào)警限值同樣有效。

電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，許多技術(shù)已經(jīng)逐步走出科研院所，在現(xiàn)場(chǎng)推廣使用，但其仍受到各種各樣的限制。電氣工作者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)引入一些新的電氣特征量作為現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要補(bǔ)充，將能有效提高監(jiān)測(cè)與診斷的有效性。

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