陳濤濤，陸　金，許小飛

（國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇宿遷223800）

電容式電壓互感器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展

陳濤濤，陸金，許小飛

（國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇宿遷223800）

作為電力系統(tǒng)中重要的測量、保護、通信設(shè)備，電容式電壓互感器（CVT）的穩(wěn)定運行對電網(wǎng)安全至關(guān)重要，然而其運行故障時有發(fā)生，檢修工作需耗費大量的人力和物力，根據(jù)CVT的現(xiàn)場運行經(jīng)驗來看，對其進行實時、精確、高效的狀態(tài)監(jiān)測仍是一大難點。介紹了CVT各組成部件的常見故障類型及故障產(chǎn)生機理，并對其狀態(tài)監(jiān)測方法進行詳細論述與分析，展望了CVT狀態(tài)監(jiān)測方法的發(fā)展趨勢和方向。

電容式電壓互感器；狀態(tài)監(jiān)測；故障機理；電磁單元；電容量；介損

電容式電壓互感器（CVT）是變電站重要的電力設(shè)備，主要用于測量、繼電保護、同步檢測、長距離通信、遙測和監(jiān)控系統(tǒng)等。相比電磁式電壓互感器，CVT不僅結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟安全，而且從根本上解決了CVT鐵磁諧振問題，同時還可兼作耦合電容器用于載波通信系統(tǒng)等。因此，CVT在110 kV及以上電網(wǎng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［1］。

然而在實際運行中，受設(shè)計水平、制造工藝等系統(tǒng)操作多種因素的制約，特別是線路投切、投入或退出某些設(shè)備等系統(tǒng)操作過程，CVT運行故障率居高不下，對電網(wǎng)安全運行造成嚴重影響［2-5］。筆者根據(jù)現(xiàn)場運行經(jīng)驗，對CVT各電氣組成部件的運行故障及CVT常見狀態(tài)監(jiān)測方法進行論述和分析，并提出未來CVT狀態(tài)監(jiān)測的發(fā)展趨勢。

圖1　CVT結(jié)構(gòu)及電氣原理

1　 CVT常見故障類型及產(chǎn)生機理

CVT由電容分壓器和電磁單元兩部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖及電氣原理如圖1所示。電容分壓器部分由2臺耦合電容器C11和C12及1臺分壓電容器C2疊裝串聯(lián)組成，每臺電容器的芯子由若干電容元件串聯(lián)后封裝在瓷外殼內(nèi)，C11和C12串聯(lián)后構(gòu)成電容分壓器的高壓電容C1，C2構(gòu)成電容分壓器的中壓電容。電磁單元由裝在同一油箱中的中間變壓器、補償電抗器L、阻尼器Z組成。補償電抗器兩端一般并聯(lián)有限制過電壓的保護間隙或氧化鋅避雷器。電容分壓器低壓端N與補償電抗器低壓端X引出至油箱前側(cè)的出線盒內(nèi)，其間可接載波裝置。正常運行時X端接地，載波裝置退出運行時，N端應(yīng)與X端可靠短接并接地。

總結(jié)CVT故障類型，按CVT各組成部件歸結(jié)起來主要有以下幾類常見故障：（1）電容分壓器故障；（2）中間變壓器故障；（3）保護間隙（避雷器）故障；（4）阻尼器故障。

1.1電容分壓器故障

電容分壓器由主電容C1和分壓電容C2組成，故其故障主要指主電容故障和分壓電容故障。電容分壓器故障具體表現(xiàn)在運行過程中電容元件出現(xiàn)不同程度的受潮、老化、絕緣降低，嚴重時出現(xiàn)擊穿、爆炸等現(xiàn)象，對CVT安全穩(wěn)定運行帶來極大的安全隱患［6，7］。

導(dǎo)致電容單元故障的原因很多。具體主要有：電容器極板間出現(xiàn)間隙或氣泡導(dǎo)致絕緣弱化，產(chǎn)生局部放電甚至單元擊穿；引箔片的分切和在電容元件卷繞過程中的插引工序不符合工藝要求，造成薄膜被刺傷，導(dǎo)致局部絕緣降低；電容分壓器長期滲油導(dǎo)致電容元件長期運行在少油環(huán)境中，造成內(nèi)部受潮和過熱，最終燒毀電容元件；廠家干燥處理工藝不合格，殘余水分較大，存在局部受潮現(xiàn)象，導(dǎo)致潛伏性缺陷等。

1.2中間變壓器故障

中間變壓器在CVT運行中承擔(dān)變換和傳遞電壓的作用，是CVT關(guān)鍵的功能部件。因中間變壓器缺陷而導(dǎo)致CVT運行故障的案例數(shù)見不鮮，中間變壓器常見的故障現(xiàn)象主要有高低壓繞組絕緣損壞、高低壓繞組出現(xiàn)匝間或?qū)娱g短路、高壓繞組出現(xiàn)斷線等。中間變壓器故障對CVT安全運行危害較大，其運行狀況也成為近來關(guān)注和監(jiān)測的焦點［8，9］。

從故障產(chǎn)生的原因看，有以下幾個方面：油箱因密封不良而進水受潮，絕緣強度急劇降低，導(dǎo)致繞組在高電壓下絕緣被擊穿，出現(xiàn)匝間或?qū)娱g短路，并對地放電；生產(chǎn)過程中，因一次繞組漆包線質(zhì)量問題或設(shè)備過于老舊而在長期運行過程中出現(xiàn)匝間絕緣損壞，導(dǎo)致繞組首尾貫穿性短路；二次繞組短路導(dǎo)致一次繞組過流，最終因過熱燒毀繞組造成斷線；電磁單元到分壓電容器之間的連接引線過長，裝配時因磨損造成對箱體絕緣降低，引起放電等。

1.3保護間隙（避雷器）故障

CVT保護避雷器的作用是當C2上出現(xiàn)異常過電壓時，保護避雷器先擊穿以保護補償電抗器、分壓電容和中間變壓器。雖然保護避雷器的故障率相比其他故障類型相對較低，但作為CVT內(nèi)部重要的保護裝置，其運行故障將造成郵箱過熱、CVT角比誤差變大、二次電壓異常、三相電壓不平衡等現(xiàn)象，對CVT測量、保護等功能帶來嚴重影響［10］。

引起保護避雷器故障的主要原因有產(chǎn)品生產(chǎn)工藝把關(guān)不嚴謹、質(zhì)量管理不到位，導(dǎo)致避雷器元件在高壓作用下被擊穿；避雷器內(nèi)部存在閥體嚴重受潮或劣化產(chǎn)生放電，閥片劣化絕緣下降引起避雷器絕緣降低。

1.4阻尼器故障

CVT受到二次側(cè)短路、斷路器等沖擊作用時，可能產(chǎn)生諧波鐵磁諧振，阻尼器的作用就是消除可能產(chǎn)生的鐵磁諧振過電壓。阻尼器故障在CVT運行過程中也時有發(fā)生，阻尼器故障后，1/3次諧波將在中間回路中產(chǎn)生大電流和過電壓，對互感器絕緣和測量儀表、繼電器都將造成危害，且可能導(dǎo)致保護裝置誤動作［11］。

阻尼器故障一般是因阻尼器中電容元件缺陷而導(dǎo)致的過熱故障。阻尼器由電容器和電抗器元件并聯(lián)而成，在正常運行條件下，呈工頻并聯(lián)諧振狀態(tài)，但電容器元件會受較大的操作過電壓等作用而擊穿損壞，破壞了工頻諧振條件，使流過阻尼器的工頻電流激增，造成電磁單元發(fā)熱等現(xiàn)象。

2　 CVT常見故障特征監(jiān)測方法

根據(jù)CVT長期現(xiàn)場運行經(jīng)驗和各種故障案例分析，目前用于CVT狀態(tài)監(jiān)測的方法主要有：二次電壓監(jiān)測法、絕緣監(jiān)測法、紅外熱成像監(jiān)測法、油色譜監(jiān)測法等。

2.1二次電壓監(jiān)測法

CVT的電容單元及大多數(shù)電磁單元故障缺陷通常會導(dǎo)致二次電壓異常，故對其二次電壓進行監(jiān)測是CVT狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)中重要方法之一［12-15］。為定量分析CVT二次電壓與故障特征的關(guān)系，對圖1中1-2左側(cè)部分應(yīng)用戴維南定理，得其等效電路如圖2所示。

圖2　CVT簡化等效電路

其中：C1，C2為CVT高壓電容和中壓電容；Rk和Lk分別為補償電抗器及中間變壓器的電阻和電感；Rm和Lm分別為中間變壓器勵磁支路電阻和電感；Z2為折算到一次側(cè)的負載阻抗；Rf，Cf，Lf分別為阻尼器的電阻、電容和電感；Im，If，I2分別為流過勵磁支路、阻尼器和負載的電流；U2為折算后的二次輸出電壓；Uc等效電壓源電壓。

令單只電容單元的電容量為CN，C1，C2分別有N1，N2個電容單元串聯(lián)組成，則上、下節(jié)的主電容量分別為：

根據(jù)電路理論，等效電壓源Uc的電壓為：

根據(jù)式（2），當高壓電容C1中有n個電容單元發(fā)生擊穿短路后，等效電壓源Uc的電壓為：

當分壓電容C2中有n個電容單元發(fā)生擊穿短路后，等效電壓源Uc的電容電壓為：

由于等效電容與補償電抗器相互補償作用，CVT折算后的二次電壓大小與等效電壓源Uc近似相等。故針對電容單元故障，總結(jié)二次電壓監(jiān)測法的故障判據(jù)為：當高壓電容C1部分出現(xiàn)擊穿時，二次電壓升高；當高壓電容C2部分出現(xiàn)擊穿時，二次電壓降低。

此外，電磁單元故障通常也會引起二次電壓異常。例如，中間變壓器一次、二次繞組開路或短路，會造成二次電壓無輸出；中間變壓器繞組有匝間短路、接觸不良、絕緣老化、二次負荷過大等故障時，二次電壓降低；電磁單元保護避雷器元件損壞，會造成中間變壓器二次電壓偏低等。

2.2停電試驗監(jiān)測法

停電預(yù)試監(jiān)測法，即設(shè)備停電后，通過對其進行預(yù)防性試驗，達到監(jiān)測其健康狀況的一種方法。CVT停電試驗監(jiān)測法主要包括絕緣電阻測量和電容量及介損測量、直流電阻測量3種，是CVT現(xiàn)場狀態(tài)檢修過程中判斷設(shè)備良好與否的重要試驗項目［16］。

絕緣電阻測量作為常規(guī)的設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)方法主要用于故障的初步排查，是檢查絕緣狀態(tài)最簡便和最基本的方法，絕緣電阻值的大小常能靈敏地反映絕緣情況，能有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)備絕緣整體受潮、臟污，以及絕緣擊穿和過熱老化等缺陷。

CVT介損測量可以更加精確有效地反映CVT電容單元及電磁單元的一些列缺陷，如絕緣受潮，油或浸漬物臟污、劣化變質(zhì)，絕緣中有氣隙放電等；CVT電容量測量可靈活反映電容器內(nèi)部浸漬劑的絕緣狀況以及內(nèi)部元件的連接狀況。若電容量升高，說明內(nèi)部元件擊穿或受潮；若電容量減小，說明內(nèi)部元件存在開路或缺油等現(xiàn)象。通過計算、分析電容值，可以指導(dǎo)CVT的更換或檢修工作。

目前，現(xiàn)場常用的介損及電容量測量方法有多種：上節(jié)電容C11可以采用拆除高壓引線正接線方法，也可采用不拆高壓引線反接線方法；下節(jié)電容C12，C2可采用串聯(lián)法測量，也可采用自激法測量。

直流電阻測量主要是用于CVT電磁單元的中間變壓器繞組運行狀態(tài)的判斷。當中間變壓器一次、二次繞組出現(xiàn)故障后，其直流電阻值會發(fā)生明顯變化，結(jié)合其他監(jiān)測方法可判斷具體故障類型。

2.3紅外熱成像監(jiān)測法

根據(jù)《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》，CVT在正常運行時瓷套表面有一定發(fā)熱，設(shè)備異常時整體或局部有明顯發(fā)熱，因而對設(shè)備定期進行紅外線在線監(jiān)測能夠準確發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常發(fā)熱部位，及時排除事故隱患，有效防止和減少電氣事故的發(fā)生。

若存在電容器單元或電磁單元溫升過高或相間不平衡度過大時，應(yīng)考慮設(shè)備是否存在缺陷。對于CVT可能發(fā)生故障的部位為C1，C2分壓電容器部分及電磁單元部分，其中造成電磁單元故障的原因有中間變壓器一次或二次線圈短路、N頭、E頭絕緣性能降低等。若C1，C2發(fā)生故障，流過C1，C2電容器單元的電流值則不等，表現(xiàn)出兩電容器單元溫度上的差異。若中間變壓器一次繞組發(fā)生匝間短路，流過中間變壓器一次側(cè)電流增大，電磁單元油箱溫度增加，二次側(cè)輸出電流減小。若中間變壓器二次繞組發(fā)生短路，CVT二次端輸出電壓降低，一次電流增加，致使油箱溫度升高。圖3為某站220 kV CVT典型的油箱過熱缺陷紅外熱像圖，由圖可知，B相CVT油箱溫度明顯高于A相、C相，其溫升約為10℃，而A相、C相溫升約為3℃，說明B相CVT油箱內(nèi)部已發(fā)生故障。

圖3　某變電站220 kV CVT油箱過熱缺陷紅外熱像

紅外在線監(jiān)測診斷設(shè)備故障具有準確、實時、快速特征，日常維護中重視紅外熱成像的應(yīng)用，通過定期對CVT進行紅外監(jiān)測和診斷及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備的缺陷，排除事故隱患。但對CVT熱像圖的分析尚需進一步積累資料，CVT故障點尚需結(jié)合其他相關(guān)電氣試驗結(jié)果綜合分析確定。當電磁單元溫度異常升高后，可綜合分析油相關(guān)試驗結(jié)果及溫升、部位等情況，對缺陷的性質(zhì)進行初步判定，避免盲目停電。

2.4絕緣油色譜監(jiān)測法

絕緣油里分解出的氣體形成氣泡，在油里對流、擴散不斷地溶解在油中。這些故障氣體的組成和含量與故障的類型及其嚴重程度密切相關(guān)。因此，絕緣油色譜分析是CVT狀態(tài)監(jiān)測的重要方法之一。表1為CVT油中溶解氣體濃度的注意值，當油色譜分析的相應(yīng)值達到表1的標準時，要引起工作人員的注意，可能存在內(nèi)部放電、過熱等缺陷。表2為3起不同電壓等級的CVT電磁單元發(fā)生故障后，對其油箱中絕緣油進行色譜分析的試驗數(shù)據(jù)，表2分別給出了35 kV，110 kV，220 kV3種電壓等級下油中溶解氣體成分值，表中標記為異常數(shù)據(jù)，根據(jù)三比值法，可判斷其故障結(jié)果分別為低溫過熱、低能放電、電弧放電。

表1　CVT油中溶解氣體濃度注意值μL·L-1

綜上，根據(jù)CVT故障機理及監(jiān)測方法，圖4給出CVT故障診斷及狀態(tài)監(jiān)測的流程，可用于指導(dǎo)CVT日常監(jiān)測及維護工作。

3　 CVT狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)展望

隨著大電網(wǎng)系統(tǒng)快速發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模也不斷擴大。CVT作為集測量、保護、通信等功能于一體的站用設(shè)備，尋找更加靈活、準確、高效的CVT狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)方法必將成為一個重要的研究方向。例如，實時監(jiān)測CVT整體的運行功率，研究CVT有功損耗、無功損耗與系統(tǒng)運行特性之間的關(guān)系，通過對大數(shù)據(jù)的分析與研究，找到故障判據(jù)，達到評估其運行性能的目的；CVT內(nèi)部發(fā)生故障后，通常存在局部放電現(xiàn)象，可考慮通過局部放電檢測方法對CVT運行狀態(tài)進行評估。

CVT在正常運行狀態(tài)下，運行噪聲很低，而當中間變壓器故障時，油箱內(nèi)部會產(chǎn)生幅值較大的非平穩(wěn)噪聲。因此，可以實時監(jiān)測CVT的運行噪聲，通過噪聲分析（頻譜分析、聲級和聲強分析）來判斷其運行狀況。此外，隨著振動理論和測量方法的日趨成熟，振動監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成為故障診斷的基本技術(shù)之一，CVT中間變壓器故障后常常造成箱體振動加劇，故將振動監(jiān)測技術(shù)運用到CVT狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中，不失為一種較好的嘗試。

在狀態(tài)監(jiān)測方面，基于大數(shù)據(jù)的人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混沌算法等在其他領(lǐng)域取得廣泛成功的方法也越來越受到研究者的關(guān)注，未來這些理論和算法同樣可以在CV狀態(tài)監(jiān)測中得到深入應(yīng)用。另外，如何在故障產(chǎn)生前及時準確地預(yù)測可能產(chǎn)生的危害，提前處理故障誘因?qū)⒊蔀榱硪粋€關(guān)注的焦點。

表2　CVT油中溶解氣體濃度值μL·L-1

圖4　CVT故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測流程

4　結(jié)束語

總體來講，國內(nèi)外對CVT的監(jiān)測技術(shù)研究并不充分，精確、高效、實時的監(jiān)測技術(shù)還有待進一步開發(fā)完善。文中就CVT國內(nèi)外狀態(tài)監(jiān)測方法及相關(guān)的運行特性進行了總結(jié)和分析，對研究CVT的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷有較大的借鑒作用，對強化CVT運行管理及優(yōu)化CVT生產(chǎn)設(shè)計有重要意義。

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Current Status and Development of Condition M onitoring Technology for Capacitor Voltage Transformer

CHEN Taotao，LU Jin，XU Xiaofei
（StateGrid Jiangsu Electric Power CompanyMaintenance Branch，Suqian 223800，China）

Capacitor voltage transformer（CVT）is the main equipment w ith functions of measurement，protection，and communications in power system.The stable operation of CVT is very important to the security of grid.However the CVT's failure occurs sometimes and it needs much manpower and many resources to maintain.According to the field operation experience of CVT，it is still difficult to give the real-time，accurate and effective conditionmonitoring to the CVT.So the paper introduces the common failure type and mechanism of CVT's components firstly，and then describes and analyzes its existing conditionmonitoringmethods in detail.At last，the papergives the prospection to the development trend and direction of the conditionmonitoring of CVT.

CVT；conditionmonitoring；failuremechanism；electromagnetic unit；capacitor；dielectric loss

TM 451

A

1009-0665（2016）05-0063-04

陳濤濤（1989），男，江蘇宿遷人，工程師，從事電氣試驗及故障診斷工作；

陸金（1981），男，江蘇宿遷人，工程師，從事高壓電力設(shè)備電氣試驗工作；

許小飛（1987），男，江蘇如皋人，工程師，從事變電站一次設(shè)備變電檢修及管理工作。

2016-04-22；

2016-06-13