劉潤(rùn)興

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000）

0 前言

為防止電壓互感器在35 kV 及以下的非有效接地系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生鐵磁諧振[1-2]，Y 型接線電壓互感器的中性點(diǎn)一般裝有消諧裝置[3-4]，如圖1 所示。目前，消諧裝置一般為非線性碳化硅電阻器。一般認(rèn)為，當(dāng)一次消諧裝置的電阻值與電壓互感器在額定線電壓下的勵(lì)磁電抗之比大于0.06 時(shí)，可以消除鐵磁諧振。10 kV及以下一次消諧裝置的電阻值在60 kW 以上，35 kV 一次消諧裝置的電阻值在150 kW 以上。目前，基于鐵磁共振機(jī)理[13-19]，已經(jīng)提出了許多抑制措施[5-12]。配電網(wǎng)中常用的有全絕緣電磁式電壓互感器和半絕緣電磁式電壓互感器。完全絕緣VT 是指一次繞組和二次繞組與地面之間的主絕緣承受100% 工頻試驗(yàn)電壓。半絕緣電壓互感器是一種單相電壓互感器。

圖1 VT諧波消除器

一次繞組的一端直接接地。半絕緣電磁式電壓互感器具有成本低、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于35 kV 及以下配電網(wǎng)系統(tǒng)。電壓互感器的兩個(gè)繞組之間以及繞組和鐵芯之間存在絕緣，因此兩個(gè)繞組之間以及繞組和鐵芯之間存在電氣隔離。根據(jù)絕緣類型的不同，電壓互感器可分為干式、鑄造式、油浸式和充氣式。干式電壓互感器的絕緣介質(zhì)由絕緣紙、玻璃帶、聚酯薄膜等普通固體絕緣材料組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)，但絕緣強(qiáng)度低。僅適用于6 kV 以下的室內(nèi)設(shè)備。鑄造電壓互感器的絕緣介質(zhì)由環(huán)氧樹脂或不飽和樹脂混合材料組成。結(jié)構(gòu)緊湊，維修方便，適用于35 kV 及以下室內(nèi)配電設(shè)備。油浸式電壓互感器的絕緣介質(zhì)由絕緣紙和絕緣油組成。絕緣性能好，可用于10 kV 及以上戶外配電裝置。充氣式電壓互感器用于全封閉SF6電器。裝有一次消諧裝置的電壓互感器組，在單相接地（恢復(fù)）、輸電過電壓、雷電過電壓的作用下，容易在中性點(diǎn)（N 端）即一次消諧裝置尾部產(chǎn)生短時(shí)工頻過電壓，操作過電壓。過電壓的長(zhǎng)期影響會(huì)使電壓互感器的絕緣性能逐漸惡化，直至絕緣完全破壞，變壓器損壞，如圖2 所示。電壓互感器與母線相連。如果保險(xiǎn)絲不能迅速熔斷，故障不排除，變壓器將在開關(guān)柜內(nèi)爆炸，導(dǎo)致母線短路。短路電流會(huì)沖擊變壓器，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 損壞的VT

一般來說，電壓互感器內(nèi)部絕緣的劣化是不容易發(fā)現(xiàn)的。由于安裝了一次消諧裝置，變壓器二次電壓沒有異常，甚至絕緣被完全破壞。因此，本文提出了一種利用零序電路法的小電流擾動(dòng)來實(shí)現(xiàn)繞組絕緣潛在故障檢測(cè)的方法[20]。該方法利用擾動(dòng)后零序電壓低頻振蕩的特征參數(shù)來評(píng)價(jià)繞組的絕緣狀態(tài)，可以減少因變壓器爆炸引起的電網(wǎng)事故。

1 零序電路的小電流干擾

在變壓器的實(shí)際運(yùn)行中，三相電壓的矢量和不為零。在本研究的方法中，在電壓互感器開口三角形繞組的兩端連接一個(gè)短路開關(guān)，并對(duì)零序電路施加一個(gè)小的電流擾動(dòng)Di[21-22]。短路開關(guān)閉合一定時(shí)間后再斷開；采集測(cè)量繞組的三相電壓波形，合成零序電壓波形。然后，利用短路開關(guān)閉合時(shí)的零序電壓和短路開關(guān)斷開后零序電壓的波動(dòng)來評(píng)價(jià)絕緣狀態(tài)。這種方法的原理如圖3 所示。

圖3 VT絕緣在線檢測(cè)方案

在圖3 中，標(biāo)簽1a、1b和1c表示變壓器的二次端；2a、2b、2c為被測(cè)繞組；KM為短路開關(guān)；da和dn為電壓互感器開口三角形繞組的A 端和N 端；Rx是諧波消除裝置；R是電壓互感器（VT）接地端和二次端之間的絕緣電阻電壓互感器（VT）接地端和二次端之間的絕緣電阻。如果VT 繞組的絕緣性能惡化，將大大降低，等效模型。

在圖4 中，E0是小電流擾動(dòng)D 的注入源，U 是VT 的一次側(cè)電壓，R1和jX1分別是變壓器的一次繞組電阻和漏抗，Rm和jXm分別是變壓器的勵(lì)磁電阻和勵(lì)磁電抗，R2′和jX2′分別為變壓器二次側(cè)的繞組電阻和漏抗，降為一次側(cè)，Rx為消諧裝置的電阻，R為絕緣電阻。

圖4 VT絕緣在線檢測(cè)的等效模型

在等效模型中，圖4 可以簡(jiǎn)化為圖5。

圖5 變壓器絕緣在線檢測(cè)的簡(jiǎn)化模型

在簡(jiǎn)化模型中，從二次側(cè)測(cè)量的分閘電壓值為U1短路開關(guān)KM 閉合前，計(jì)算公式為：在簡(jiǎn)化模型中，從二次側(cè)測(cè)量的分閘電壓值在短路開關(guān)KM 閉合前為U10，計(jì)算公式為：

等式（1）表明，由于消諧器的存在，即使絕緣完全劣化，也就是說，Z=0，U10幾乎沒有變化。此時(shí)三相二次側(cè)電壓為U1a0、U1b0、U1c0，零序電壓為3U00=U1a0+U1b0+U1c0，短路開關(guān)KM 閉合后，注入小電流擾動(dòng)信號(hào)，從二次側(cè)測(cè)得的分閘電壓值為U20，如果流入Z1支路的電流為Di1，流入支路的電流為Di2，則：

短路開關(guān)KM 斷開后，小電流擾動(dòng)信號(hào)D不會(huì)立即消失，并在VT 一次回路中形成循環(huán)，直到功率信號(hào)被吸收。此時(shí)，從二次側(cè)測(cè)得的電壓值為U3'，一次側(cè)電壓和小電流擾動(dòng)信號(hào)dC 的疊加如下：

此時(shí)三相二次側(cè)分閘電壓為U3a'，U3b'、U3c'，零序電壓為：

公式（6）表明，當(dāng)繞組絕緣損壞時(shí)，Z(orR)（或）減小，然后零序電壓最終消失，因?yàn)樾‰娏鲾_動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)減弱。

2 VT二次電壓值

當(dāng)電壓互感器正常工作時(shí)，即零序電路未施加小電流干擾信號(hào)D，測(cè)量從電壓互感器二次端獲得的三相電壓和零序電壓。圖6 比較了變壓器繞組端部絕緣正常和擊穿（N 和1 之間的電阻為零）時(shí)獲得的值。絕緣正常時(shí)，三相電壓（二次）有效值分別為55.16 V、57.28 V和57.7 V，零序電壓為1.56 V。絕緣擊穿時(shí)，三相電壓（二次）有效值分別為57.07 V、56.08 V 和57.07 V，零序電壓為0.64 V。兩種狀態(tài)之間的振幅變化不明顯。

圖6 VT二次電壓波形的仿真結(jié)果

圖7 顯示了當(dāng)VT 接地N 端的絕緣狀態(tài)正常和擊穿時(shí)，從VT 二次端獲得的三相電壓和零序電壓的測(cè)試結(jié)果。絕緣正常時(shí)，三相電壓（二次）有效值為61.33 V、59.57 V、59.72 V，零序電壓為4.3 V。絕緣擊穿時(shí)，三相電壓（二次）有效值分別為61.33 V、61.07 V 和58.92 V，零序電壓為1.08 V。兩種狀態(tài)之間的振幅變化也不明顯。

圖7 VT二次電壓波形的測(cè)試結(jié)果

仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，無論變壓器繞組絕緣與否，由于消諧裝置的存在，電壓互感器運(yùn)行正常。即三相電壓和零序電壓的幅值和波形沒有明顯變化。

3 VT絕緣試驗(yàn)?zāi)M分析

電壓互感器絕緣試驗(yàn)仿真分析對(duì)該方法進(jìn)行了仿真評(píng)價(jià)，模擬模型如圖8 所示。

圖8 PSCAD仿真模型

在電壓互感器的N 端和B 相電壓互感器的二次繞組1 端接上不同值的絕緣電阻，在電壓互感器的開口三角形處短接開關(guān)（K1），接上80 ms 后，斷開開關(guān)，分析了開關(guān)短路前后零序電壓的變化。圖8 中的電容是線路對(duì)地的電容，電容值為0.2 uf。由于配電網(wǎng)的鐵磁諧振發(fā)生在零序回路中，電網(wǎng)中的相間電容、母線電容器組和有功、無功負(fù)荷對(duì)諧振的貢獻(xiàn)不大，可以忽略不計(jì)。

3.1 模擬結(jié)果和分析

圖9 顯示了絕緣電阻為時(shí)的電壓波形0 Ω,200 Ω,和5 kΩ 時(shí)的電壓波形仿真結(jié)果與分析。

圖10 顯示了K1 關(guān)閉和打開后1 秒內(nèi)的值。左欄是對(duì)數(shù)據(jù)的傅里葉分析，右欄顯示截止頻率為30 Hz 的低通濾波后的信號(hào)。

圖10 零序電壓分析結(jié)果

根據(jù)圖10 所示的濾波波形，當(dāng)R 為0 時(shí)Ω，200 Ω，和5 kΩ 而K1 是閉合和開放的，具有約10 Hz 的低頻振蕩。最大振幅分別為1.5 V、1.4 V 和0.5 V。振蕩持續(xù)時(shí)間分別約為670、620 和320 ms。持續(xù)時(shí)間定義為從第一次振蕩的峰值到相對(duì)于第一次振蕩具有1/10 或更小的最大振幅的峰值的時(shí)間。圖11 顯示了當(dāng)R=∞，也就是說，VT 的N 端絕緣正常。

圖11 分析結(jié)果

根據(jù)圖11 中的濾波波形，當(dāng)R=￥ 當(dāng)K1 工作時(shí)，發(fā)生30 hz 左右的低頻振蕩，最大振幅為0.09 V，振蕩持續(xù)時(shí)間約80 ms。

3.2 分析討論

圖12 顯示了K1 閉合和打開后，隨著絕緣電阻的變化，最大低頻振蕩幅度和持續(xù)時(shí)間為0的模擬結(jié)果

圖12 零序電壓變化

從零序電壓的變化可以看出，當(dāng)絕緣電阻值為0～40 kW 時(shí)，會(huì)發(fā)生持續(xù)時(shí)間約為幾百毫秒的低頻振蕩，振蕩頻率約為10hz。電壓幅值和振蕩時(shí)間與絕緣電阻成反比，與VT 繞組的絕緣劣化程度成正比。當(dāng)絕緣電阻值在10 kW至絕緣擊穿時(shí)，零序電壓低頻振蕩特征參數(shù)變化明顯。當(dāng)電阻從40 kW 減小到10 kW 時(shí)，低頻振蕩參數(shù)變化相對(duì)平穩(wěn)。當(dāng)絕緣電阻超過40 kW 時(shí)，電壓幅值和振蕩時(shí)間與正常絕緣相差不大。當(dāng)電壓互感器絕緣正常時(shí)，零序電壓出現(xiàn)的低頻振蕩頻率約為30hz，振蕩幅度小于0.1v。因此，為了避免VT 絕緣劣化而引起較大的電網(wǎng)事故，可以用這種方法來評(píng)價(jià)VT 繞組的絕緣，即VT 零序電壓低頻振蕩的不同特性。

4 VT絕緣方法

4.1 試驗(yàn)方法

VT 絕緣實(shí)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果。試驗(yàn)的基本示意圖如圖13 所示。將電壓互感器組連接至10 kV 母線，并安裝諧波消除裝置。在A 相電壓互感器一次繞組的N 端和二次繞組的1a 端連接一個(gè)固定電阻器，以模擬電壓互感器N 端絕緣的損壞。一個(gè)可控開關(guān)KM 連接到VT開口的三角形端。此外，對(duì)KM 進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，使其閉合約50 ms。在VT 二次繞組的 2a端和2n端測(cè)量三相電壓波形。將三相電壓合成為零序電壓，并在KM 關(guān)閉前和KM 打開后觀察該電壓的變化。

圖13 測(cè)試示意圖

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)置如圖14 所示。

圖14 在線檢測(cè)設(shè)備測(cè)試

4.2 測(cè)試結(jié)果與分析

圖15 顯示了當(dāng)絕緣電阻R=￥, 也就是說，當(dāng)VT 繞組的絕緣正常時(shí)。

圖15 絕緣正常時(shí)的電壓波形。絕緣正常時(shí)的電壓波形

在波形圖中，電壓U0顯著降低的時(shí)間段是KM 閉合時(shí)。KM 運(yùn)行前后1 s 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)光譜如圖16 所示

圖16 相電壓頻譜的振幅

將KM 分閘后測(cè)得的零序電壓通過截止頻率為30 Hz 的低通濾波器，結(jié)果如圖17 所示，表明KM 分閘前后電壓無明顯差異。至A相VT端子。KM在閉合50 ms后打開。圖18顯示電阻R=5 kΩ時(shí)的電壓波形，如圖18所示，KM被破壞后，波形明顯振蕩。KM前后1 s實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的頻率振幅有明顯的振蕩。KM運(yùn)行前后1 s實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的頻率振幅如圖19所示。

圖18 KM動(dòng)作前后的電壓波形

圖19 相電壓頻譜的振幅

比較圖16 和19（R=￥在KM 閉合前，三相電壓和零序電壓的基波幅值沒有顯著差異。此外，三次諧波分量顯著減小。當(dāng)R=￥，三相電壓的三次諧波幅值為4.9 v、5.2 v 和5.0 v，零序電壓的三次諧波幅值為5.7 v。當(dāng)R=5 kW 時(shí)，三次諧波振幅的電壓為0.01 V、0.3 V、0.17 V（三相電壓）和0.18 V（零序電壓）。KM 斷開后，三相電壓和零序電壓的基波幅值沒有顯著差異，三次諧波分量顯著降低。當(dāng)R=￥，三次諧波振幅為5 V、5.2 V、5.0 V（三相電壓）和5.7 V（零序電壓）。當(dāng)R=5 kW 時(shí)，三次諧波振幅為0.03 V、0.28 V 和0.17 V（三相電壓）以及0.19 V（零序電壓）。比較KM=5 kW 運(yùn)行前后的電壓譜，可以看出三相電壓的基頻幅值和三次諧波分量沒有實(shí)質(zhì)性的變化。KM 斷開后的低通濾波零序電壓如圖20 所示。

圖20 零序電壓濾波器波形

當(dāng)=5 kΩ 時(shí)，零序電壓發(fā)生頻率約為10 Hz，最大振幅為0.82 v 的低頻振蕩，振蕩持續(xù)時(shí)間約為520 ms。

4.3 分析討論

用KM 短接VT 開口三角形，然后將其斷開，使零序電壓出現(xiàn)明顯的低頻振蕩。隨著絕緣電阻的變化，濾波后的零序電壓會(huì)出現(xiàn)不同的U0 低頻振蕩的最大幅值和持續(xù)時(shí)間。這一趨勢(shì)如圖21 所示。

圖21 與絕緣電阻有關(guān)的零序電壓變化

當(dāng)VT 的N 端子和1a 端子之間的絕緣電阻降低到5 kW 或以下時(shí)，與正常絕緣條件相比，每相電壓的三次諧波分量顯著降低。當(dāng)VT 的N端子和1a 端子之間的絕緣電阻降低到5 kW 或以下時(shí)，VT 開口三角形短路并釋放，并且在閉合前和斷開后，各相電壓的三次諧波分量沒有明顯變化。圖21 顯示，通過試驗(yàn)獲得的VT 繞組絕緣電阻與零序電壓低頻振蕩之間的關(guān)系與通過模擬獲得的基本相同。VT 繞組的絕緣損壞更嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致絕緣損壞抵抗力下降。當(dāng)VT 開三角短路開關(guān)斷開時(shí)，零序電壓低頻振蕩幅度較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。在試驗(yàn)中，當(dāng)模擬VT 接地N 端子的絕緣損壞時(shí)，從VT 二次端獲得的三相和零序電壓中的每一個(gè)的三次諧波分量都大大減少。然而，由于實(shí)際系統(tǒng)中三次諧波的幅值不僅取決于電壓互感器的零序回路，而且還取決于系統(tǒng)的負(fù)載特性，因此仿真并未對(duì)這一趨勢(shì)進(jìn)行建模。用三相零序電壓的三次諧波幅值來評(píng)價(jià)電壓互感器接地N 端絕緣的損壞是不合理的。相比之下，零序電壓的低頻振蕩具有明顯的特征：最大振幅和持續(xù)時(shí)間與VT 繞組的絕緣損壞程度成正比，因此可以作為評(píng)估VT 繞組絕緣損壞的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，當(dāng)VT 絕緣損壞時(shí)，VT 二次端各相電壓和零序電壓的三次諧波含量明顯降低，但模擬試驗(yàn)不能得到這種趨勢(shì)。仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，三相電壓和零序電壓的三次諧波不適用于VT 繞組絕緣損傷的評(píng)估。在仿真中，當(dāng)電壓互感器繞組的絕緣電阻值在0～40 kW 范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)電壓互感器的零序回路施加較小的電流擾動(dòng)，零序電壓上可檢測(cè)到10 Hz 左右的低頻振蕩。電壓互感器正常繞組和劣化繞組零序電壓的低頻振蕩表現(xiàn)出明顯的特征，用這種方法可以評(píng)價(jià)電壓互感器繞組的絕緣性能。具體來說，零序電壓的低頻振蕩幅度和持續(xù)時(shí)間與VT 繞組絕緣損壞的程度成正比，因此它們可以作為評(píng)估VT 繞組絕緣損壞的標(biāo)準(zhǔn)。