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

（國網福建省電力有限公司電力科學研究院，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

（國網福建省電力有限公司電力科學研究院，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，通過對該CVT進行解體檢查和試驗，建立了ATP-EMTP模型，根據試驗數據和仿真分析認為阻尼電阻斷線后二次負載突變導致CVT產生諧振過電壓是故障的主要原因，最后提出了CVT電磁單元定期取油、增加在線監測系統諧波分析功能等防范類似故障的措施。

CVT；在線監測；鐵磁諧振；ATP-EMTP

與傳統的定期檢修相比，狀態檢修能夠根據設備狀態確定檢修時間和檢修策略，是未來電力設備檢修發展的必然趨勢。在線監測是實現狀態檢修的基礎和根據[1-2]，在電力系統中已廣泛運用，對提高電力系統安全穩定運行有著重要的意義。

電容式電壓互感器實現了一次電壓到二次電壓的變換，是電力系統實現計量、保護和測控的關鍵設備[3]，其穩定性直接關系到電能計量的準確性和保護控制的正確性[4]。針對某起在線監測發現的CVT故障，本文介紹了故障經過，對故障原因進行了深入分析，并從在線監測、運行維護和改造升級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，綜自后臺機與測控裝置顯示，該線路開關同期電壓采樣值在88～188V之間波動，正常電壓應為100V。在線監測信息表明，當日21時，該CVT的泄漏電流和電容量分別為228.2mA、5417.28pF，在線監測數據正常；22時在線監測泄漏電流跳躍增長至346.8mA，電容量跳躍增長至 8176.06pF，其后泄漏電流在260～350mA之間波動，在線監測系統告警。經檢測，該CVT的在線監測裝置工作正常，初步判斷為CVT本體異常。

2 現場檢查與試驗分析

圖1 CVT結構圖

2.1 現場檢查

為了查找故障原因，現場檢查了 CVT相關回路，結果表明其接線正確，端子均已緊固。由末屏引出線處測得泄漏電流為 290.3mA，較正常值（230mA）有明顯增長。使用示波器對該CVT二次電壓波形進行監視，發現波形嚴重畸變。紅外熱成像檢測發現該CVT下節溫度較上節高約0.5～1℃。

現場停電開展分壓電容器診斷性試驗，試驗結果見表1。試驗結果發現分壓電容C2明顯增大，超過正常情況下電容量7.47%，表明C2內部可能存在局部擊穿現象。

隨即該線路轉檢修，用備用 CVT更換了該CVT，重新轉運行后該線路電壓波形、在線監測泄漏電流顯示正常。

表1 CVT分壓電容器診斷性試驗數據

2.2 解體分析

由于CVT二次電壓波形嚴重畸變，電磁單元可能存在故障，隨后在實驗室對電磁單元進行了解體。檢查發現，電磁單元上部封蓋存在明顯的積水和銹蝕痕跡，接線柱積污嚴重；電磁單元內部油質劣化嚴重，絕緣油呈黑褐色，有強烈的刺激性異味；上蓋密封圈安裝不正且存在明顯的剪切紋，進水受潮的通道較明顯，密封圈內側已被油溶解，封蓋內側積存大量的油泥以及橡膠老化產物；af、xf繞組（輔助繞組）與阻尼電阻連接線斷開，斷點在阻尼繞組的抽出點位置，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（運行標準≤35mg/L），酸 值 為8.95mgKOH/g（運行標準≤0.1mgKOH/g），介損為74%（運行標準≤4%）[5]，遠遠超出運行標準，電磁單元密封失效進水，油質嚴重劣化。

圖2 CVT電磁單元檢查情況

2.3 試驗分析

在實驗室對電磁單元進行了試驗，結果表明阻尼繞組阻值正常，補償電抗器線性度良好，而在對中間變壓器進行了空載、負載試驗時發現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、負載試驗測得的數據（試驗時在一次側加壓），圖3為根據表2數據得到的空載時中間變壓器U-I有效值關系曲線（即勵磁特性），可見中間變壓器在正常工況下已運行在非線性區域。

表2 中間變壓器空載試驗數據

表3 中間變壓器負載試驗數據

圖3 中間變壓器U-I有效值關系曲線

3 ATP-EMTP仿真分析

由于實驗室中難以復制現場運行工況，為了進一步探索CVT故障原因，本文采用ATP-EMTP仿真軟件，模擬CVT實際發生的故障。

3.1 仿真模型建立

ATP-EMTP電磁暫態計算程序仿真的基本思路是用微分方程描述各元件過渡過程中的電壓電流關系[6]。CVT的仿真模型如圖4所示，主要包括分壓電容，中間變一次側的繞組電阻和漏抗、中間變二次側（主繞組和輔助繞組折算到一次側）的繞組電阻和漏抗，中間變勵磁電抗，補償電抗和阻尼電阻等，模型參數可根據試驗數據得到。圖4中的V、I標志為電壓電流采樣點。

圖4 CVT仿真模型

根據 2.3試驗結果可知，中間變壓器在正常工況下已運行在非線性區域，因此在仿真模型中將勵磁電抗簡化成非線性電感。ATP-EMTP中非線性電感的參數設置為ψ-i瞬時值特性，在2.3試驗中已得到勵磁電抗的 U-I有效值關系曲線，可將其轉換成非線性電感的ψ-i瞬時值關系曲線，目前已有諸多文獻對轉換方法進行了研究[7-10]。其基本方法如下：

根據式（1）可將電壓轉換為磁鏈

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值關系。

本文采用ATP-EMTP中的SATURATION程序實現U-I有效值關系曲線與ψ-i瞬時值關系曲線的轉換：提供非線性電感的頻率、額定電壓、容量以及電流電壓的標么值，程序將自動采用分段線性化的方法求解各點的ψ-i瞬時值[6]。該方法簡單易行，且達到仿真精度要求。圖5為轉換后得到的非線性電感ψ-i瞬時值關系曲線。

圖5 非線性電感的ψ-i瞬時值關系曲線

3.2 分壓電容C2變化對中間變電壓及在線監測取樣電流的影響

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。當分壓電容C2從額定值增大為784500pF時，電壓幅值降低，電流幅值略有降低，但其波形均無明顯畸變，如圖 6、圖 7所示，可以認為C2的變化不是在線監測數據異常的主要原因。

圖6 分壓電容C2變化時的中間變電壓波形

圖7 分壓電容C2變化時的在線監測取樣電流波形

3.3 阻尼電阻斷線對中間變電壓及在線監測取樣電流的影響

接下來對CVT阻尼電阻斷線的情況進行仿真，分壓電容C2為額定值730000pF，二次負載在0.21s時發生了突變，圖 8、圖 9分別為該條件下中間變電壓波形和在線監測取樣電流波形?？梢钥闯觯藭r中間變產生了鐵磁諧振，諧振過電壓和過電流幅值遠大于正常工況下的數值，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，諧振長期保持。仿真波形與現場實測波形性質基本相符。

圖8 阻尼電阻斷線后二次負載發生突變的中間變電壓波形

圖9 阻尼電阻斷線后二次負載發生突變的在線監測取樣電流波形

圖 10為阻尼電阻作用情況下二次負載發生突變的中間變電壓和在線監測取樣電流波形，可以看出，阻尼電阻能明顯快速的阻尼諧振過電壓。

圖10 阻尼電阻作用下二次負載發生突變的電壓電流波形

3.4 中間變壓器的線性度對中間變電壓及在線監測取樣電流的影響

為了模擬中間變壓器的線性度對CVT的影響，對中間變壓器勵磁電感線性時，阻尼電阻斷線并且二次負載突變的情況進行了仿真，此時勵磁電感取線性段的平均值 324.7H，分壓電容 C2為額定值730000pF，二次負載同樣在 0.21s時發生了突變，圖 11、圖 12為該條件下中間變電壓波形和在線監測取樣電流波形?？梢钥闯?，電壓和電流波形都能恢復到二次負載突變前的狀態，但電壓波形需要經歷約2200個周波后才能恢復正常。

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

圖12 阻尼電阻斷線后二次負載發生突變的在線監測取樣電流波形（中間變勵磁電感線性時）

經過以上仿真，可以認為阻尼電阻斷線后二次負載發生突變是該 CVT發生鐵磁諧振并長時間自持的主要原因。由于中間變在正常運行時鐵心已處于飽和狀態，當輔助繞組的阻尼電阻斷線后，二次側負載發生突變激發了鐵磁諧振，而鐵磁諧振產生的過電流和過電壓可能導致分壓電容器 C2過熱甚至局部擊穿，使C2增大。同時，由于中間變電壓失去了阻尼電阻的阻尼作用，諧振長期保持，使得測控裝置和在線監測裝置測得的電壓電流數值呈震蕩狀態。

4 結論

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

該CVT電磁單元因密封圈損傷以及老化，導致外部水分侵入并導致絕緣油劣化，絕緣油的劣化產物進一步對密封圈造成腐蝕溶解，引起密封性能的進一步惡化，使電磁單元進水受潮。因電磁單元采用全封閉結構且一次繞組內部直接接地，造成日常無法取油及進行絕緣測試，導致無法檢測到進水缺陷。另外，該老式CVT的阻尼器采用電阻型結構，由兩個線繞被釉電阻串聯構成，其連接線為細銅絲合股組成的銅線，每股銅絲非常纖細，安裝時、運行振動和在油腐蝕下，容易造成斷股。因此，為了防范相似故障，本文建議在CVT設計時，加固阻尼器連接，并考慮設置電磁單元取油孔，運維人員應定期對CVT進行取油分析，檢測其密封性能和受潮情況。在CVT運輸安裝過程中，應杜絕振動和野蠻施工，防止造成密封圈損傷或阻尼電阻斷線。對仍在運行的老式CVT應加強巡視和檢查。

該CVT在開展預防性試驗6個月之后即發生故障，因此加強在線監測實現狀態檢修對提高設備可靠性有關鍵意義。此外，對油浸式CVT可考慮進行絕緣油在線監測，并建議在線監測系統增加諧波分析功能，提高對可能發生的鐵磁諧振的監測能力，并有助于判斷數據異常的原因。

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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，主要從事電力系統過電壓與柔性直流輸電方面的研究。