基于OPEN3000系統的CVT在線監測

顧仲德

（常熟市供電公司，江蘇常熟 215500）

電容式電壓互感器（CVT）由于其絕緣可靠性高、鐵磁諧振有效阻尼、瞬變響應特性優異等特點，已經成為電網設備選型的首選。伴隨著CVT的廣泛應用，如何對運行中的CVT進行有效在線監測，提前發現故障特征信號，及早安排診斷性試驗成為廣大電氣工作者值得思索的問題。

1 CVT結構、原理及常見故障

1.1 結構分析

電容式電壓互感器主要由電容分壓元件、中間變壓器、補償電抗器、阻尼裝置構成，其結構如圖1所示。其中，C1、C2分別為多個電容單元串聯而成的等效電容；C1為上節主電容；C2為下節分壓電容；L為補償電抗；B為中間變壓器；Z為阻尼裝置。

圖1 CVT結構簡圖Fig.1 The structure of the CVT

補償電抗器用于補償中間變壓器工作電流在電容單元上的壓降，阻尼裝置則能在電網擾動、分頻諧振時有效阻尼，防止鐵磁諧振。

1.2 CVT常見故障

由于電網中CVT在役數量急劇增加，受限于各制造廠家工藝水平差異、元器件選擇以及運行過程中受潮、電網擾動等因素，CVT故障頻發，甚至發生CVT故障引起保護誤動的惡性電網事故。

常見CVT故障主要有電容單元擊穿、中間變壓器一次側首端引線對地絕緣閃絡、匝間短路、阻尼裝置無法有效阻尼鐵磁諧振等[1]。

1.3 常見在線監測方法

在許多技術文獻中，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為電容型設備，合并研究和開發在線監測技術。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、運行時電容量C、電容電流Ic、絕緣介質損耗值tan δ等在線測量等方法。絕緣油色譜分析以及近期發展成熟的紅外測溫、紫外成像等方法也為設備故障檢測提供了較好的補充。

眾多監測方法中，運行時電容量C、電容電流Ic、介質損耗值tan δ的數字化在線測量得到比較廣泛的應用，其在線測試原理框圖如圖2[2]所示。

圖2 數字化測量系統原理框圖Fig.2 The functional block diagram of the digital measuring system

雖然在線監測更多的是強調監測數據的橫向和縱向比較，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境因素、設備外絕緣的污穢情況的綜合影響，現場采集到在線監測數據表現出較大的離散性。有文獻介紹澳大利亞研制的電容型電力設備介質損耗在線監測裝置，利用過零點相位比較法測量介質損耗，測量分辨率達到0.1‰[3]。

2 CVT故障后電壓測量值的變化

2.1 CVT電容單元擊穿

CVT內部分壓元件由多個電容單元元器件串聯而成，其電容單元還將影響CVT的分壓比。當CVT內部存在單節或多節電容擊穿故障時，其故障特征不僅反應在電容電流和設備介質損耗上，還將引起分壓比K的變化，從而導致CVT測量電壓發生顯著變化。以圖1為分析基礎，令電容單元電容量為CN，主電容和分壓電容分別由N1、N2節電容單元串聯組成，則有如下關系式成立。

當主電容C1中某一電容單元發生擊穿短路后，其所包含的電容單元個數改變為N1－1個，從而電容分壓器的分壓比變為：

當分壓電容C2中某一電容單元發生擊穿短路后，其所包含的電容單元個數改變為N2－1個，從而電容分壓器的分壓比變為：

此時，分壓比的變化量為：

此時，分壓比的變化量為：

因N1＞N2，所以|Δk1|＜|Δk2|，從而上節電容單元單節擊穿后計算的電壓測量偏差靈敏度更高。

以某廠家的35~500 kV母線型電容式電壓互感器內部串聯單元數量為例，當其上節電容發生單節擊穿后引起的測量電壓的變化量如表1所示。

表1 CVT主電容發生單節擊穿后電壓測量值的偏差Tab.1 Error of the measuring voltage value after a unit of the main capacitor breaks down in the CVT

需要說明的是CVT內部采用補償電抗器L，與上下節電容的并聯等效電容形成串聯諧振。表1中的計算數據并未考慮CVT內部電容單元擊穿、諧振條件受到破壞引起的測量電壓幅值和相角的變化[4]。

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，再與中間變壓側一次側首端連接。電磁裝置油箱注油絕緣，少部分空腔充氮填充，外觀上構成CVT底座。

由于中間變壓器經過電容分壓后，其工作電壓一般較低，在13～25 kV。由于受油箱體積、分壓電容末端至中間變壓器之間的引線布局不合理等影響，容易造成引線對油箱壁、電容單元底部紙板放電。

CVT運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；運行過程中的油箱進水受潮極易引起中間變壓器匝間短路故障的發生。

發生該類故障的直接后果是電網實時系統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本身結構中就含有電容和非線性電感，具有發生串聯諧振的條件。當線路一次側突然合閘或二次側短路又突然消除時，過渡過程中產生的過電壓會使中間變壓器的鐵心出現飽和，中間變壓器勵磁電感Lm非線性下降，回路的固有頻率上升，可能產生鐵磁諧振。

制造廠家在CVT二次側接入適當的阻尼負載是有效抑制CVT鐵磁諧振常用的方法之一。常用的阻尼器有電阻型、諧振型、速飽和電抗型3大類。以速飽和電抗型為例，原理電路如圖3所示。

圖3 速飽和電抗型阻尼器原理電路Fig.3 The principle of the saturated reactor type damper

這種阻尼器是靠電抗器鐵心的快速飽和而將阻尼電阻rx接入CVT回路。在CVT正常運行條件下電抗器的電抗L很大，通過阻尼器的電流僅為幾十毫安，其功耗及儲能均很小;而當CVT發生鐵磁諧振時，在過電壓作用下電抗器的電感值急劇下降，將電阻rx接人回路消耗足夠的功率來阻尼鐵磁諧振[5]。

當電網擾動引起CVT鐵磁諧振時，若阻尼裝置由于誤接線、參數配置不合理、阻尼電阻燒毀等原因無法有效阻尼時，將直接導致CVT相電壓及零序電壓測量值出現異常、電磁裝置油箱溫度升高、油化試驗色譜異常等現象。極端情況下中間電壓回路中將可能產生大電流及過電壓，甚至造成二次保護的誤動作[6]。

3 基于電網實時監控的監測方法

3.1 監測的基本方法

以江蘇省為例，目前普遍采用南瑞繼保提供的OPEN-3000系統對電網運行狀態進行實時監控，各項數據采集周期為1 min。

建議的監測方法基本思路為在電網實時系統中，植入判斷軟件，利用電網實時監控系統采集的CVT測量值，包括相電壓及零序電壓，經過數據處理判斷，對設備進行有效在線監測。其工作邏輯見圖4。

圖4 工作邏輯框圖Fig.4 Logic judgment block diagram

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行設置。以三相CVT的電壓測量值為例，設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：

三相電壓測量值絕對值偏差取：max{ΔU1，ΔU2，ΔU3}。

三相電壓百分比偏差：

max{ΔU1%，ΔU2%，ΔU3%}為三相電壓百分比偏差。

設置設置報警限值時，需要注意應該有足夠的靈敏度，即設置的限值應比計算值小，靈敏度大于1；不會因電網電壓的擾動頻繁報警，即設置限值的大小應根據電網電壓的穩定水平，不宜過低，可根據誤報警次數逐步修正。

如3.1節所述，根據不同廠家生產的CVT電容單元結構，計算出相電壓電壓偏差，作為設置報警限值的參考，還可以對包括電容單元擊穿在類的其他常見故障同時進行有效監測。換言之，即CVT常見故障引起的電網實時系統電壓測量值的變化均大于上述限值。根據現場使用情況，建議35~500 kV測量電壓偏差絕對值設置為0.5~0.8 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，還需各運行單位根據本地區電網穩定水平和常見擾動因素合理設置。根據近期收集的部分案例，建議零序電壓報警限值設置為10~15 V，作為監測阻尼裝置失效的輔助手段。

4 故障實例分析

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年先后進行2次預防性試驗，介質損耗、油化試驗均滿足省公司規程要求。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。主要數據如表2所示。

表2 電容式壓變預試結果Tab.2 Preventive tests of the capacitive voltage transformer

仔細分析B相上節的電容量，前后2次變化率累計達到2.47%，初步懷疑內部存在絕緣缺陷。調閱電網實時監控系統CVT相電壓測量值，曲線如圖5所示。圖中曲線A、B、C分別代表當日24 h三相測量電壓有效值，發現2006年8月16日14:15電壓測量信號有一個突變，其后，電壓曲線未再出現異常波動，基本可以判斷此突變為CVT內部故障的特征信號。

圖5 110 kV正母電壓測量值曲線Fig.5 The waveform of the measuring voltage in the 110 kV positive bus

返廠修理證實該CVT上節第二串聯電容單元發生擊穿，其解體信息與現場分析基本一致。由于當時沒有相關在線監測裝置，對該故障信號未能及時捕獲，導致設備帶缺陷運行長達2年。

4.2 中間變壓器匝間短路

220 kV乘航變1107母線CVT(型號TYD110/√3-0.02H)，2010年8月3日17：25，電網實時監控發現C相電壓出現波動，相電壓測量值由正常的65 kV驟降到54 kV，后有所恢復，18：55 C相電壓驟降為0。經現場核對C相CVT二次電壓確無輸出，隨即申請事故停電檢修。電網實時監控電壓曲線清晰的表明了故障發展的過程。

事故后的解體分析證明油箱密封不良，運行中進水受潮，中間變壓器繞組率先發生匝間短路，導致電壓波動。由于未能及時將CVT退出運行，30 min帶病運行，故障進一步發展直至燒毀。

4.3 在線監測模擬監測效果

利用本文所述的電壓測量值診斷方法，對上述兩起故障進行模擬監測，報警限值取三相電壓絕對值偏差，設置為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，并計算相關偏差，數據見表3。

表3 故障出現前后電壓CVT三相電壓測量值Tab.3 The measuring voltage value before and after some unit break down

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，遠超報警閥值，報警。

兩起故障中，若能根據電網實時監控系統監測到電壓變化量，及時安排故障CVT停電檢查，無疑將避免故障進一步發展。

5 結論

本文提出了利用電網實時監控系統，引入CVT電壓測量值，完善現有在線監測技術，其本身具有顯著優勢：不需加裝設備，僅在電網實時監控系統中植入判斷分析軟件；測量值不會遇到其他監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測CVT內部電容單元擊穿等常見故障，國內期刊介紹的各種CVT故障也證明以此方法制定的報警限值同樣有效。

電氣設備在線監測技術發展迅速，許多技術已經逐步走出科研院所，在現場推廣使用，但其仍受到各種各樣的限制。電氣工作者根據現場經驗適當引入一些新的電氣特征量作為現有監測技術的重要補充，將能有效提高監測與診斷的有效性。

[1] 陳化鋼.電氣設備預防性試驗方法[M].北京：水利電力出版社，1999.

[2] 朱德恒，嚴璋，談克雄，等.電氣設備狀態監測與故障診斷技術[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3] 陳天翔，魯華祥，張寶會，等.電力設備tanδ在線監測技術[M].北京：中國電力出版社，2008.

[4] 李長益，張宗九，張鐵華，等.電氣試驗技能培訓教材[M].北京：中國電力出版社.

[5] 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].電工技術學報，2000，15（1）:41-46.WANG De-zhong，WANG Ji-mei.A study of the protective device with inductor in series resistance for capacitor voltage transformer[J].The Journal of Electric Technology，2000，15（1）：41-46（in Chinese）.

[6] 劉洪量，劉海峰，岳國良.電容式電壓互感器運行故障檢測[J].電力電容器與無功補償，2011，32（3）：62-65.LIU Hong-liang，LIU Hai-feng，YUE Guo-liang.The fault monitoring for capacitive voltage transformer[J].Power Capacitor&Reactive Power Compensation，2011，32（3）：62-65（in Chinese）.