顧仲德，顧科杰

（1.常熟市供電公司，江蘇常熟 215500；2.河海大學(xué)能源與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211100）

基于電網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的CVT在線監(jiān)測方法

顧仲德1，顧科杰2

（1.常熟市供電公司，江蘇常熟 215500；2.河海大學(xué)能源與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211100）

針對電網(wǎng)中廣泛使用的CVT進(jìn)行實(shí)時故障在線監(jiān)測，重點(diǎn)分析了CVT故障引起電壓測量值的變化情況，進(jìn)而歸納出以電網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)中電壓測量值的變化率為判據(jù)進(jìn)行故障在線監(jiān)測的方法，并通過故障案例驗(yàn)證了該方法的有效性.

CVT；在線監(jiān)測；電壓測量值；阻尼；偏差

電容式電壓互感器（CVT）由于其絕緣可靠性高、有效阻尼鐵磁諧振、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，如何對運(yùn)行中的CVT進(jìn)行有效的在線監(jiān)測、提前發(fā)現(xiàn)故障特征信號、及早安排停電診斷性試驗(yàn)則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.

CVT利用電容分壓器將高電壓降到中壓，再經(jīng)過中間變壓器降壓到100 V 或，供給電壓測量和繼電保護(hù)的信號取樣裝置.

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)擾動等因素，CVT故障頻發(fā).常見CVT故障主要有電容單元擊穿、中間變壓器一次側(cè)首端引線對地絕緣網(wǎng)絡(luò)、匝間短路、阻尼裝置無法有效阻尼鐵磁諧振等[1].

圖1 CVT結(jié)構(gòu)簡

2 CVT故障后電壓測量值的變化

2.1 CVT電容單元擊穿

CVT內(nèi)部分壓元件由多個電容單元元器件串聯(lián)而成，其電容單元將影響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，將引起分壓比K的變化，從而導(dǎo)致CVT測量電壓發(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.

主電容電容量為

分壓電容電容量為

電容分壓單元的分壓比為

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

此時，分壓比的變化量為

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

此時，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)擊穿后計算的電壓測量偏差靈敏度更高.

表1 CVT主電容發(fā)生單節(jié)擊穿后電壓測量值的偏

以某廠家的110 kV～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)擊穿后引起的測量電壓的變化量如表1所示.

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量電壓幅值和相角的變化[2].

2.2 中間變壓器對地絕緣擊穿

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，大約在13 kV～25 kV.CVT運(yùn)輸過程中的振動引起中間變壓器本體及引線的錯位增加了中間變壓器首端引線直接對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，過渡過程中產(chǎn)生的過電壓會使中間變壓器的鐵心出現(xiàn)飽和，中間變壓器勵磁電感Lm非線性下降，回路的固有頻率上升，可能產(chǎn)生鐵磁諧振.

為了有效抑制CVT鐵磁諧振，制造廠家在CVT二次側(cè)接入適當(dāng)?shù)淖枘嶝?fù)載是常用的方法之一.以速飽和電抗型為例，原理電路如圖2所示.

該阻尼器靠電抗器鐵心快速飽和而將阻尼電阻rz接入CVT回路.當(dāng)CVT發(fā)生鐵磁諧振時，在過電壓作用下電抗器的電感值急劇下降，將電阻rz接入回路消耗足夠的功率來阻尼鐵磁諧振[3].

當(dāng)電網(wǎng)擾動引起CVT鐵磁諧振時，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，將直接導(dǎo)致CVT相電壓及零序電壓測量值出現(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)的誤動作[4].

圖2 速飽和電抗型阻尼器原理電路

3 基于電網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控的監(jiān)測方法

3.1 監(jiān)測的基本方法

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

建議的監(jiān)測方法基本思路為在電網(wǎng)實(shí)時系統(tǒng)中，植入判斷軟件，利用電網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)采集的CVT測量值，包括相電壓及零序電壓，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理判斷，對設(shè)備進(jìn)行有效的在線監(jiān)測.其工作邏輯如圖3所示.

3.2 相電壓報警限值計算

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

圖3 判斷邏輯框圖

三相電壓測量值絕對值偏差?。篗ax{ΔU1,ΔU2,ΔU3}.

三相電壓百分比偏差為：

Max{ΔU1%,ΔU2%,ΔU3%}為三相電壓百分比偏差.

設(shè)置報警限值時，需要注意應(yīng)該有足夠的靈敏度，即設(shè)置的限值應(yīng)比計算值小，靈敏度大于1；不會因電網(wǎng)電壓的擾動頻繁報警，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)誤報警次數(shù)逐步修正.

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

3.3 零序電壓報警限值

零序電壓報警限值很難針對電網(wǎng)擾動、阻尼裝置失效等故障原因提出一個完全收斂的算法，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，建議零序電壓報警限值設(shè)置為10 V～15 V，作為監(jiān)測阻尼裝置失效的輔助手段.

4 故障實(shí)例分析

表2 電容式壓變兩次預(yù)試結(jié)果

4.1 電容單元擊穿

220 kV練塘變電站110 kV正母CVT（型號為WVB110-20H）于2005年和2008年先后進(jìn)行兩次預(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算電容量偏差時，B相變化率偏大.主要數(shù)據(jù)如表2所示.

仔細(xì)分析B相上節(jié)的電容量，前后兩次變化率累計達(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)時監(jiān)控系統(tǒng)CVT的A相、B相、C相相電壓測量值，曲線如圖4所示.發(fā)現(xiàn)2006年8月16日14：15電壓測量信號有一個突變，其后，電壓曲線未再出現(xiàn)異常波動，基本可以判斷此突變?yōu)镃VT內(nèi)部故障的特征信號.

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)場分析基本一致.由于當(dāng)時沒有相關(guān)在線監(jiān)測裝置，對該故障信號未能及時捕獲，導(dǎo)致設(shè)備帶缺陷運(yùn)行長達(dá)兩年.

4.2 中間變壓器匝間短路

220 kV乘航變1107正母母線CVT（其型號為TYD110/3-0.02H），2010年8月3 日17：25，電網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控發(fā)現(xiàn)C相電壓出現(xiàn)波動，相電壓測量值由正常的65 kV驟降到54 kV，后有所恢復(fù)，18：55，C相電壓驟降為零.經(jīng)現(xiàn)場核對C相CVT二次電壓確無輸出，隨即申請事故停電檢修.電網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控電壓曲線如圖5所示.

圖4 110 kV正母電壓測量值曲線

表3 故障出現(xiàn)前后電壓CVT三相電壓測量

發(fā)現(xiàn)異常后安排紅外測試，C相母線CVT電磁單元油箱發(fā)熱，約為57℃左右，其余兩相均為35℃左右.從電壓曲線及現(xiàn)場的電磁單元油箱發(fā)熱情況初步判斷，CVT電磁單元中間變壓器故障.

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.由于未能及時將CVT退出運(yùn)行，30分鐘的帶病運(yùn)行，故障進(jìn)一步發(fā)展直至燒毀.

4.3 在線監(jiān)測模擬監(jiān)測效果

現(xiàn)利用本文所述的電壓測量值的診斷方法，對上述兩起故障進(jìn)行模擬監(jiān)測，報警限值取三相電壓絕對值偏差，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量值，并計算相關(guān)偏差，數(shù)據(jù)如表3所示.

故障前電壓絕對值偏差僅為0.39 kV，小于報警限值，判斷正常；故障后電壓偏差1.16 kV，大于報警限值，報警.第二起故障中，由于電壓驟降幅度較大，17：25左右電壓驟降12 kV，遠(yuǎn)超報警閥值，報警.

若能根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到的電壓變化量，及時將故障CVT安排停電檢查，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)時監(jiān)控系統(tǒng)，引入CVT電壓測量值，完善現(xiàn)有在線監(jiān)測技術(shù)，其本身具有顯著優(yōu)勢：不需加裝設(shè)備，僅在電網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)中植入判斷分析軟件即可；測量值本身不會遇到其他監(jiān)測方法很難解決的抗干擾問題.分析表明利用CVT電壓測量值能夠有效監(jiān)測CVT內(nèi)部電容單元擊穿等常見故障，國內(nèi)期刊介紹的各種CVT故障也證明以此方法制定的報警限值同樣有效.

電氣設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展迅速，許多技術(shù)已經(jīng)投入使用，但仍受到各種各樣的限制[5].電氣工作者根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)?shù)匾胍恍┬碌碾姎馓卣髁孔鳛楝F(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)的重要補(bǔ)充，將能有效提高監(jiān)測與診斷的有效性.

圖5 乘航變1107母線C相CVT電壓曲線圖

[1]陳化鋼.電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)方法[M].北京：水利電力出版社，1999：277-280.

[2]李長益，張宗九，張鐵華.電氣試驗(yàn)技能培訓(xùn)教材[M].北京：中國電力出版社，2008：226-231.

[3]王德忠，王季梅.電容式電壓互感器速飽和電抗型阻尼器的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2000（2）.

[4]劉洪量，劉海峰，岳國良，等.電容式電壓互感器運(yùn)行故障檢測[J].電力電容器與無功補(bǔ)償，2011（6）.

[5]吉亞民，謝林楓.江蘇電網(wǎng)電氣設(shè)備在線監(jiān)測平臺建設(shè)的研究[J].江蘇電機(jī)工程，2009（5）.

The Online Insulation Detection for the Capacitive Voltage Transformer Based on Power System Real Time Monitoring System

GU Zhong-de1,GU Ke-jie2
(1.Changshu Power Supply Company,Changshu 215500,China; 2.College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,China)

The authors of this paper introduce some methods of detecting the fault of CVT.The recommended method is to use the voltage waveform to detect the fault of CVT.Through a typical case,the authors demonstrate that this method is useful to the online monitoring for the CVT.

CVT；online monitoring；the voltage of the test；damping；error

TM451

A

1008-2794（2012）10-0087-05

2012-08-05

顧仲德（1961—），男，江蘇張家港人，工程師，研究方向：電力生產(chǎn)管理．