張 曦，周文華，吳悅怡，徐青龍

(常熟市供電公司，江蘇常熟215500)

20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，電氣設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)得到飛速發(fā)展，并由此衍生出諸如電容量和介質(zhì)損耗在線(xiàn)測(cè)量、綜合診斷技術(shù)和專(zhuān)家系統(tǒng)等在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與診斷方法。由于在線(xiàn)診斷技術(shù)中各種信號(hào)高精度的提取和綜合處理分析上存在一定的難度，如何引進(jìn)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征量、全面準(zhǔn)確地對(duì)設(shè)備內(nèi)部絕緣進(jìn)行判斷已成為電氣工作者思索的問(wèn)題，例如利用電壓測(cè)量值對(duì)電容式電壓互感器（CVT）進(jìn)行故障檢測(cè)等。

1 CVT常見(jiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

CVT由于有較好的阻尼鐵磁諧振性能和優(yōu)良的瞬變相應(yīng)特性，已被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，并有逐步取代電磁式電壓互感器的趨勢(shì)。典型的電容式電壓互感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CVT結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖中：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。

1.2 常見(jiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法

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(lèi)為電容型設(shè)備，合并研究和開(kāi)發(fā)在線(xiàn)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、三相不平衡電壓法以及運(yùn)行時(shí)電容量C、電容電流Ic、絕緣介質(zhì)損耗值tan δ數(shù)字化在線(xiàn)測(cè)量等方法,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tanδ的數(shù)字化在線(xiàn)測(cè)量得到比較廣泛的應(yīng)用，其在線(xiàn)測(cè)試原理如圖2所示。

圖2 數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)原理

通過(guò)電容型設(shè)備接地引下線(xiàn)上加裝電流互感器，檢測(cè)設(shè)備的電容電流；通過(guò)分壓器或電壓互感器二次測(cè)量值，測(cè)得電源電壓，通過(guò)相關(guān)軟硬件的處理，自動(dòng)算出電壓和電流之間的相角差δ及tan δ[1]。采用該方法進(jìn)行設(shè)備絕緣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，常發(fā)現(xiàn)其抗干擾能力較差，其誤差根源在于引入了電壓互感器和電流互感器的綜合誤差以及非同相設(shè)備和系統(tǒng)諧波的影響。

雖然在線(xiàn)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等綜合影響，現(xiàn)場(chǎng)采集到在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較大的離散性。因此對(duì)于tan δ較小的CVT等電容型設(shè)備，總結(jié)出成熟的在線(xiàn)分析和診斷方法還有待時(shí)日。文獻(xiàn)[2]介紹了澳大利亞研制的電容型電力設(shè)備介質(zhì)損耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，利用過(guò)零點(diǎn)相位比較法測(cè)量介質(zhì)損耗，測(cè)量分辨率達(dá)0.01%，且在實(shí)際中應(yīng)用。

2 電壓測(cè)量值在CVT故障檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 CVT 與其他電容型設(shè)備的差異

以電容式電流互感器為例，在一次導(dǎo)電桿周?chē)?，套裝由電容型材料組成的電容芯子，依靠電容芯子內(nèi)部的多節(jié)電容串聯(lián)單元將絕緣層分割成多個(gè)同軸電容器，使得導(dǎo)電桿與地電位間的電場(chǎng)得到比較均勻的分布。當(dāng)電容芯子內(nèi)部出現(xiàn)單節(jié)電容屏擊穿等絕緣缺陷時(shí)，更多的是反應(yīng)在絕緣材料的介質(zhì)損耗和電容電流等特征量，而電流互感器導(dǎo)電桿上的電位及電流不會(huì)有明顯變化。

CVT內(nèi)部由多個(gè)電容單元元器件串聯(lián)而成，分壓電容利用分壓比，經(jīng)中間變壓器、補(bǔ)償電抗器以及消諧裝置，測(cè)量系統(tǒng)一次側(cè)電壓。與電容式電流互感器電容芯子不同的是，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[3]，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。

2.2 CVT單節(jié)電容擊穿后的故障特征

CVT上下節(jié)電容分別由多節(jié)電容單元串聯(lián)而成，當(dāng)其中某一電容單元發(fā)生擊穿等絕緣缺陷后，將會(huì)引起CVT分壓比k和電壓測(cè)量值的變化，并由此衍生出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法。

以圖1為分析基礎(chǔ)，令單只電容單元電容量為CN，上、下節(jié)電容分別由N1，N2節(jié)電容單元串聯(lián)組成，則上節(jié)主電容電容量為：

下節(jié)分壓電容電容量為：

從而得到電容分壓?jiǎn)卧姆謮罕葹椋?/p>

令中間變壓器B的變比為kB，則CVT的電壓測(cè)量值Uax為：

其中Ux為待測(cè)量電壓，當(dāng)它和中間變壓器變比為恒值時(shí)，電壓測(cè)量值僅和電容分壓?jiǎn)卧姆謮罕瘸烧?，于是分壓比的變化將直接體現(xiàn)在電壓測(cè)量值的變化上。

當(dāng)上節(jié)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>

此時(shí)，分壓比的變化量為：

當(dāng)下節(jié)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：

因 N1＞N2，所以

以某廠家的110 kV和220 kV CVT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)擊穿后引起測(cè)量電壓的變化量如表1所示。

表1 某型號(hào)CVT上節(jié)電容發(fā)生單節(jié)擊穿后電壓測(cè)量值的偏差

需要說(shuō)明的是，CVT內(nèi)部采用補(bǔ)償電抗L在工頻情況下與上下節(jié)電容的并聯(lián)等效電容形成了串聯(lián)諧振，即：

此時(shí)中間變壓器電源內(nèi)阻抗最小，提高了CVT測(cè)量精度。表1中的計(jì)算數(shù)據(jù)并未考慮CVT內(nèi)部電容單元擊穿時(shí)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]。

2.3 CVT電壓測(cè)量值的應(yīng)用方法

以江蘇省為例，目前普遍采用OPEN-2000或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5 min。利用電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采集的CVT測(cè)量值，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理判斷，對(duì)設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行絕緣監(jiān)督，其工作邏輯如圖3所示。

圖3 CVT三相電壓測(cè)量值判斷邏輯

根據(jù)不同廠家生產(chǎn)的CVT電容單元結(jié)構(gòu)，計(jì)算出電壓偏差，作為設(shè)置報(bào)警限值的參考。報(bào)警限值的計(jì)算以三相電壓的絕對(duì)值偏差和百分比偏差以及電壓大小的角度進(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ΔU1，ΔU2，ΔU3三者中的最大值。三相電壓百分比偏差為：

三相電壓百分比偏差取ΔU1%，ΔU2%，ΔU3%三者中最大值。

需要注意的是，設(shè)置報(bào)警限值時(shí)，要有足夠的靈敏度，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(guò)低,可根據(jù)誤報(bào)警次數(shù)逐步修正。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況，建議110 kV和220 kV測(cè)量電壓偏差絕對(duì)值設(shè)置在0.5～0.8 kV為宜。

3 故障實(shí)例分析

3.1 故障實(shí)例簡(jiǎn)述

2005年和2008年先后對(duì)某變電站110 kV正母CVT（WVB110-20H）進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均滿(mǎn)足江蘇省電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程要求，結(jié)果如表2所示。

表2 電容式壓變2次預(yù)試結(jié)果

可見(jiàn)，B相上節(jié)的電容量增大了約3%，初步懷疑內(nèi)部存在絕緣缺陷。經(jīng)調(diào)用110 kV正母電壓遙測(cè)值曲線(xiàn)（如圖4所示），發(fā)現(xiàn)2006年8月16日14:15電壓測(cè)量信號(hào)有1個(gè)突變，其后電壓曲線(xiàn)未再出現(xiàn)異常波動(dòng)，基本可以認(rèn)為此突變?yōu)镃VT內(nèi)部故障的特征信號(hào)。

圖4 110 kV正母電壓遙測(cè)值曲線(xiàn)

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)理論分析基本一致。由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有相關(guān)在線(xiàn)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。

3.2 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)模擬監(jiān)測(cè)效果

現(xiàn)利用本文所述的電壓測(cè)量值的診斷方法，對(duì)上述故障進(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。在電壓曲線(xiàn)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)如表3所示。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，判斷越限并報(bào)警。

表3 故障出現(xiàn)前后電壓CVT三相電壓測(cè)量值 kV

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CVT在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)的分析，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(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)，其具有顯著優(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)量值本身不會(huì)遇到其他監(jiān)測(cè)方法很難解決的抗干擾問(wèn)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)部電容單元擊穿故障，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，該方法制定的報(bào)警限值對(duì)于CVT中間變壓器匝間絕緣擊穿等缺陷同樣有效。

[1]朱德恒，嚴(yán) 璋，談克雄，等.電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2]陳天翔，魯華祥，張寶會(huì)，等.電力設(shè)備tanδ在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[3]侍海軍，汪 飛，連振東.電容式電壓互感器故障實(shí)例及分析[J].江蘇電機(jī)工程，2009(4)：14-15.

[4]李長(zhǎng)益，張宗九，張鐵華，等.電氣試驗(yàn)技能培訓(xùn)教材[M].北京：中國(guó)電力出版社，1998.