郭曉君 吳文斌 許 軍 黃海鯤

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007）

一起基于ATP-EMTP仿真的電容式電壓互感器故障的分析研究

郭曉君 吳文斌 許 軍 黃海鯤

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007）

介紹了一起220kV線路電容式電壓互感器（CVT）的故障情況，通過(guò)對(duì)該CVT進(jìn)行解體檢查和試驗(yàn)，建立了ATP-EMTP模型，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真分析認(rèn)為阻尼電阻斷線后二次負(fù)載突變導(dǎo)致CVT產(chǎn)生諧振過(guò)電壓是故障的主要原因，最后提出了CVT電磁單元定期取油、增加在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)諧波分析功能等防范類似故障的措施。

CVT；在線監(jiān)測(cè)；鐵磁諧振；ATP-EMTP

與傳統(tǒng)的定期檢修相比，狀態(tài)檢修能夠根據(jù)設(shè)備狀態(tài)確定檢修時(shí)間和檢修策略，是未來(lái)電力設(shè)備檢修發(fā)展的必然趨勢(shì)。在線監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)和根據(jù)[1-2]，在電力系統(tǒng)中已廣泛運(yùn)用，對(duì)提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義。

電容式電壓互感器實(shí)現(xiàn)了一次電壓到二次電壓的變換，是電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)量、保護(hù)和測(cè)控的關(guān)鍵設(shè)備[3]，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和保護(hù)控制的正確性[4]。針對(duì)某起在線監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的CVT故障，本文介紹了故障經(jīng)過(guò)，對(duì)故障原因進(jìn)行了深入分析，并從在線監(jiān)測(cè)、運(yùn)行維護(hù)和改造升級(jí)等方面提出防范措施。

1 故障情況

2013年12月23日，某220kV線路CVT電壓顯示異常，電壓值在 80～180V之間波動(dòng)，綜自后臺(tái)機(jī)與測(cè)控裝置顯示，該線路開(kāi)關(guān)同期電壓采樣值在88～188V之間波動(dòng)，正常電壓應(yīng)為100V。在線監(jiān)測(cè)信息表明，當(dāng)日21時(shí)，該CVT的泄漏電流和電容量分別為228.2mA、5417.28pF，在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常；22時(shí)在線監(jiān)測(cè)泄漏電流跳躍增長(zhǎng)至346.8mA，電容量跳躍增長(zhǎng)至 8176.06pF，其后泄漏電流在260～350mA之間波動(dòng)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)告警。經(jīng)檢測(cè)，該CVT的在線監(jiān)測(cè)裝置工作正常，初步判斷為CVT本體異常。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢查與試驗(yàn)分析

圖1 CVT結(jié)構(gòu)圖

2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查

為了查找故障原因，現(xiàn)場(chǎng)檢查了 CVT相關(guān)回路，結(jié)果表明其接線正確，端子均已緊固。由末屏引出線處測(cè)得泄漏電流為 290.3mA，較正常值（230mA）有明顯增長(zhǎng)。使用示波器對(duì)該CVT二次電壓波形進(jìn)行監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)波形嚴(yán)重畸變。紅外熱成像檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該CVT下節(jié)溫度較上節(jié)高約0.5～1℃。

現(xiàn)場(chǎng)停電開(kāi)展分壓電容器診斷性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)分壓電容C2明顯增大，超過(guò)正常情況下電容量7.47%，表明C2內(nèi)部可能存在局部擊穿現(xiàn)象。

隨即該線路轉(zhuǎn)檢修，用備用 CVT更換了該CVT，重新轉(zhuǎn)運(yùn)行后該線路電壓波形、在線監(jiān)測(cè)泄漏電流顯示正常。

表1 CVT分壓電容器診斷性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 解體分析

由于CVT二次電壓波形嚴(yán)重畸變，電磁單元可能存在故障，隨后在實(shí)驗(yàn)室對(duì)電磁單元進(jìn)行了解體。檢查發(fā)現(xiàn)，電磁單元上部封蓋存在明顯的積水和銹蝕痕跡，接線柱積污嚴(yán)重；電磁單元內(nèi)部油質(zhì)劣化嚴(yán)重，絕緣油呈黑褐色，有強(qiáng)烈的刺激性異味；上蓋密封圈安裝不正且存在明顯的剪切紋，進(jìn)水受潮的通道較明顯，密封圈內(nèi)側(cè)已被油溶解，封蓋內(nèi)側(cè)積存大量的油泥以及橡膠老化產(chǎn)物；af、xf繞組（輔助繞組）與阻尼電阻連接線斷開(kāi)，斷點(diǎn)在阻尼繞組的抽出點(diǎn)位置，失去抑制鐵磁諧振的作用。CVT電磁單元檢查情況如圖2所示。

取電磁單元絕緣油取樣分析，油中水分含量為1000mg/L（運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)≤35mg/L），酸 值 為8.95mgKOH/g（運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)≤0.1mgKOH/g），介損為74%（運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)≤4%）[5]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，電磁單元密封失效進(jìn)水，油質(zhì)嚴(yán)重劣化。

圖2 CVT電磁單元檢查情況

2.3 試驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)電磁單元進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明阻尼繞組阻值正常，補(bǔ)償電抗器線性度良好，而在對(duì)中間變壓器進(jìn)行了空載、負(fù)載試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)中間變壓器鐵心線性度較差。表 2、表 3分別為中間變壓器空載、負(fù)載試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)（試驗(yàn)時(shí)在一次側(cè)加壓），圖3為根據(jù)表2數(shù)據(jù)得到的空載時(shí)中間變壓器U-I有效值關(guān)系曲線（即勵(lì)磁特性），可見(jiàn)中間變壓器在正常工況下已運(yùn)行在非線性區(qū)域。

表2 中間變壓器空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 中間變壓器負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 中間變壓器U-I有效值關(guān)系曲線

3 ATP-EMTP仿真分析

由于實(shí)驗(yàn)室中難以復(fù)制現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況，為了進(jìn)一步探索CVT故障原因，本文采用ATP-EMTP仿真軟件，模擬CVT實(shí)際發(fā)生的故障。

3.1 仿真模型建立

ATP-EMTP電磁暫態(tài)計(jì)算程序仿真的基本思路是用微分方程描述各元件過(guò)渡過(guò)程中的電壓電流關(guān)系[6]。CVT的仿真模型如圖4所示，主要包括分壓電容，中間變一次側(cè)的繞組電阻和漏抗、中間變二次側(cè)（主繞組和輔助繞組折算到一次側(cè)）的繞組電阻和漏抗，中間變勵(lì)磁電抗，補(bǔ)償電抗和阻尼電阻等，模型參數(shù)可根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。圖4中的V、I標(biāo)志為電壓電流采樣點(diǎn)。

圖4 CVT仿真模型

根據(jù) 2.3試驗(yàn)結(jié)果可知，中間變壓器在正常工況下已運(yùn)行在非線性區(qū)域，因此在仿真模型中將勵(lì)磁電抗簡(jiǎn)化成非線性電感。ATP-EMTP中非線性電感的參數(shù)設(shè)置為ψ-i瞬時(shí)值特性，在2.3試驗(yàn)中已得到勵(lì)磁電抗的 U-I有效值關(guān)系曲線，可將其轉(zhuǎn)換成非線性電感的ψ-i瞬時(shí)值關(guān)系曲線，目前已有諸多文獻(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行了研究[7-10]。其基本方法如下：

根據(jù)式（1）可將電壓轉(zhuǎn)換為磁鏈

式中，U為施加電壓的有效值；ω為電流角頻率。

繼而采用式（2）的牛頓迭代法求解即可得到磁鏈和電流的瞬時(shí)值關(guān)系。

本文采用ATP-EMTP中的SATURATION程序?qū)崿F(xiàn)U-I有效值關(guān)系曲線與ψ-i瞬時(shí)值關(guān)系曲線的轉(zhuǎn)換：提供非線性電感的頻率、額定電壓、容量以及電流電壓的標(biāo)么值，程序?qū)⒆詣?dòng)采用分段線性化的方法求解各點(diǎn)的ψ-i瞬時(shí)值[6]。該方法簡(jiǎn)單易行，且達(dá)到仿真精度要求。圖5為轉(zhuǎn)換后得到的非線性電感ψ-i瞬時(shí)值關(guān)系曲線。

圖5 非線性電感的ψ-i瞬時(shí)值關(guān)系曲線

3.2 分壓電容C2變化對(duì)中間變電壓及在線監(jiān)測(cè)取樣電流的影響

為了探索 CVT故障原因，首先模擬分壓電容C2明顯增大的情況。當(dāng)分壓電容C2從額定值增大為784500pF時(shí)，電壓幅值降低，電流幅值略有降低，但其波形均無(wú)明顯畸變，如圖 6、圖 7所示，可以認(rèn)為C2的變化不是在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常的主要原因。

圖6 分壓電容C2變化時(shí)的中間變電壓波形

圖7 分壓電容C2變化時(shí)的在線監(jiān)測(cè)取樣電流波形

3.3 阻尼電阻斷線對(duì)中間變電壓及在線監(jiān)測(cè)取樣電流的影響

接下來(lái)對(duì)CVT阻尼電阻斷線的情況進(jìn)行仿真，分壓電容C2為額定值730000pF，二次負(fù)載在0.21s時(shí)發(fā)生了突變，圖 8、圖 9分別為該條件下中間變電壓波形和在線監(jiān)測(cè)取樣電流波形。可以看出，此時(shí)中間變產(chǎn)生了鐵磁諧振，諧振過(guò)電壓和過(guò)電流幅值遠(yuǎn)大于正常工況下的數(shù)值，電壓波形中包含分次諧波及奇次諧波（以3次為主），且由于得不到有效的阻尼，諧振長(zhǎng)期保持。仿真波形與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形性質(zhì)基本相符。

圖8 阻尼電阻斷線后二次負(fù)載發(fā)生突變的中間變電壓波形

圖9 阻尼電阻斷線后二次負(fù)載發(fā)生突變的在線監(jiān)測(cè)取樣電流波形

圖 10為阻尼電阻作用情況下二次負(fù)載發(fā)生突變的中間變電壓和在線監(jiān)測(cè)取樣電流波形，可以看出，阻尼電阻能明顯快速的阻尼諧振過(guò)電壓。

圖10 阻尼電阻作用下二次負(fù)載發(fā)生突變的電壓電流波形

3.4 中間變壓器的線性度對(duì)中間變電壓及在線監(jiān)測(cè)取樣電流的影響

為了模擬中間變壓器的線性度對(duì)CVT的影響，對(duì)中間變壓器勵(lì)磁電感線性時(shí)，阻尼電阻斷線并且二次負(fù)載突變的情況進(jìn)行了仿真，此時(shí)勵(lì)磁電感取線性段的平均值 324.7H，分壓電容 C2為額定值730000pF，二次負(fù)載同樣在 0.21s時(shí)發(fā)生了突變，圖 11、圖 12為該條件下中間變電壓波形和在線監(jiān)測(cè)取樣電流波形?？梢钥闯觯妷汉碗娏鞑ㄐ味寄芑謴?fù)到二次負(fù)載突變前的狀態(tài)，但電壓波形需要經(jīng)歷約2200個(gè)周波后才能恢復(fù)正常。

圖11 阻尼電阻斷線后二次負(fù)載發(fā)生突變的中間變電壓波形（中間變勵(lì)磁電感線性時(shí)）

圖12 阻尼電阻斷線后二次負(fù)載發(fā)生突變的在線監(jiān)測(cè)取樣電流波形（中間變勵(lì)磁電感線性時(shí)）

經(jīng)過(guò)以上仿真，可以認(rèn)為阻尼電阻斷線后二次負(fù)載發(fā)生突變是該 CVT發(fā)生鐵磁諧振并長(zhǎng)時(shí)間自持的主要原因。由于中間變?cè)谡＿\(yùn)行時(shí)鐵心已處于飽和狀態(tài)，當(dāng)輔助繞組的阻尼電阻斷線后，二次側(cè)負(fù)載發(fā)生突變激發(fā)了鐵磁諧振，而鐵磁諧振產(chǎn)生的過(guò)電流和過(guò)電壓可能導(dǎo)致分壓電容器 C2過(guò)熱甚至局部擊穿，使C2增大。同時(shí)，由于中間變電壓失去了阻尼電阻的阻尼作用，諧振長(zhǎng)期保持，使得測(cè)控裝置和在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)得的電壓電流數(shù)值呈震蕩狀態(tài)。

4 結(jié)論

綜上，CVT中間變的鐵磁諧振是這起故障的主要原因。中間變的勵(lì)磁特性差及阻尼電阻斷線后二次負(fù)載發(fā)生突變是激發(fā)鐵磁諧振的誘因，阻尼電阻斷線失去阻尼作用是鐵磁諧振長(zhǎng)時(shí)間自持的主要因素。由于鐵磁諧振長(zhǎng)時(shí)自持在分壓電容C2上產(chǎn)生高幅值的震蕩電壓與電流，使其發(fā)熱增加并導(dǎo)致局部擊穿。

該CVT電磁單元因密封圈損傷以及老化，導(dǎo)致外部水分侵入并導(dǎo)致絕緣油劣化，絕緣油的劣化產(chǎn)物進(jìn)一步對(duì)密封圈造成腐蝕溶解，引起密封性能的進(jìn)一步惡化，使電磁單元進(jìn)水受潮。因電磁單元采用全封閉結(jié)構(gòu)且一次繞組內(nèi)部直接接地，造成日常無(wú)法取油及進(jìn)行絕緣測(cè)試，導(dǎo)致無(wú)法檢測(cè)到進(jìn)水缺陷。另外，該老式CVT的阻尼器采用電阻型結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)線繞被釉電阻串聯(lián)構(gòu)成，其連接線為細(xì)銅絲合股組成的銅線，每股銅絲非常纖細(xì)，安裝時(shí)、運(yùn)行振動(dòng)和在油腐蝕下，容易造成斷股。因此，為了防范相似故障，本文建議在CVT設(shè)計(jì)時(shí)，加固阻尼器連接，并考慮設(shè)置電磁單元取油孔，運(yùn)維人員應(yīng)定期對(duì)CVT進(jìn)行取油分析，檢測(cè)其密封性能和受潮情況。在CVT運(yùn)輸安裝過(guò)程中，應(yīng)杜絕振動(dòng)和野蠻施工，防止造成密封圈損傷或阻尼電阻斷線。對(duì)仍在運(yùn)行的老式CVT應(yīng)加強(qiáng)巡視和檢查。

該CVT在開(kāi)展預(yù)防性試驗(yàn)6個(gè)月之后即發(fā)生故障，因此加強(qiáng)在線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修對(duì)提高設(shè)備可靠性有關(guān)鍵意義。此外，對(duì)油浸式CVT可考慮進(jìn)行絕緣油在線監(jiān)測(cè)，并建議在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)增加諧波分析功能，提高對(duì)可能發(fā)生的鐵磁諧振的監(jiān)測(cè)能力，并有助于判斷數(shù)據(jù)異常的原因。

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Analysis and Research of a Capacitor Voltage Transformer Failure based on ATP-EMTP Simulation

Guo Xiaojun Wu Wenbin Xu Jun Huang Haikun
(State Grid Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007)

A fault condition of a 220kV transmission line Capacitor Voltage Transformer (CVT) is introduced.Through disassembly check, experimental study and simulation based on ATP-EMTP software of the faulty CVT, the main fault cause that sudden load change in the secondary side after the disconnection of the damping resistor leads to resonance overvoltage is found.In the end, some suggestions are given to avoid similar failures such as taking and analyzing oil from the electromagnetic unit, adding harmonic analysis functionality in the On-line Monitoring system and so on.

Capacitor Voltage Transformer(CVT); on-line monitoring; ferromagnetic resonance; ATP-EMTP

郭曉君（1984-），女，福建省仙游縣人，博士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓與柔性直流輸電方面的研究。