帶電檢測電容型電流互感器/套管末屏接地斷開故障可行性研究

童 歆，羅 浪，夏 天，周 凱，朱世明

(1.國網湖北省電力公司電力科學研究院高壓電氣設備現場試驗技術國網重點實驗室，湖北 武漢 430077;2.國網湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430077)

0 引言

電流互感器是電力系統中用于電流測量、計量和保護等方面的重要設備。它利用一定的比例關系將大電流變換為小電流，將高、低電壓進行隔離，并配備適當的電流表計，起到測量高電壓交流電路內大電流的作用。容性電流互感器一般采用油絕緣方式，其內部為油紙復合絕緣。電容型套管是重要的變電站設備，廣泛應用于變壓器和互感器等高壓電力設備中，也作為穿墻套管獨立使用[1-3]。

電容型電流互感器和套管利用電容分壓原理調整電場，使導電管的徑向和軸向電場分布更均勻，其末屏通過小套管引出，便于測量介質損耗因數和電容量,以判斷互感器的絕緣狀況，但在運行中為了保證設備和人身安全，末屏必須可靠接地[4,5]。

近幾年電網發生多起因電容型電流互感器和套管末屏接地斷開故障引發的電網安全事故，因此設備帶電運行狀態下，及時發現末屏接地斷開故障，并安排停電檢修，能夠有效地避免電網安全事故[6-9]。

以下介紹了多種帶電檢測電容型電流互感器和套管末屏接地斷開故障的方法，并通過對比試驗，驗證帶電檢測該類缺陷故障的可行性。

1 末屏結構和理論分析

油浸式電容型電流互感器和套管的主絕緣結構采用絕緣紙和鋁箔電極交替纏繞在導電管上，組成一串同心圓柱型串聯電容器，使電場均勻分布在徑向和軸向上，電容屏數目越多，絕緣中電場分布越均勻。主絕緣經真空干燥而除去內部空氣與水分，并用變壓器油充分浸漬處理后成為電氣性能極高的油紙組合絕緣體，從而使絕緣耐受電壓水平得到極大提高。其中靠近高壓導電部分的第一個屏為首屏，它與一次導電部分相連，最外一層屏稱為末屏，通過套管引出接地。利用末屏可以測量其電容屏的電容量和介損，從而判斷電容屏的絕緣狀況[10-12]。

運行中的電容型電流互感器和套管等效電路如圖1(a)所示，其中R1、C1分別為互感器一次繞組對末屏的電阻和電容（主電容），R2、C2分別為末屏對地的電阻和電容[13]。根據圖1(a)，末屏對地電位為：

圖1 電容型電流互感器/套管等效電路Fig.1 Equivalent circuit of capacitive CT/bushing

式(1)中，R1—互感器一次繞組對末屏的電阻；

C1—互感器一次繞組對末屏的電容；

R2—末屏對地的電阻；

C2—末屏對地的電容。

當末屏可靠接地時，R2≈0，末屏對地電位 U2≈0。

當末屏接地不良或懸空時，R2趨于無窮大，且R1遠大于 1/ωC1，電路模型可簡化為圖1(b)，末屏對地電位為：

一般地，電容式CT/套管的主電容C1為數百皮法，當末屏接地不良或懸空時，末屏對地電位可高達千伏級以上，甚至數十千伏，該電位足以造成末屏對地放電，燒毀附近的絕緣物，引發嚴重事故。

2 模擬試驗

當末屏接地斷開時，會引起末屏對地發生放電，伴隨有聲、光、電等放電現象，此時高壓設備一般處于運行狀態，只能通過帶電檢測設備進行檢測。常用的帶電檢測設備有紫外成像儀、超聲波測試儀、寬頻局部放電測試儀、超高頻局部放電測試儀等。本實驗通過在高壓試驗大廳利用110 kV電流互感器模擬末屏接地斷開的故障，利用多種帶電檢測設備同時檢測，分析比較各檢測結果。

在高壓試驗大廳選用110 kV電流互感器作為試品，其末屏在端子箱內，將末屏端子不接地，利用工頻升壓裝置對其一次端子施加高壓，用于模擬末屏接地斷開的故障，試驗回路示意圖如圖2所示。

圖2 末屏接地斷開故障試驗回路示意圖Fig.2 Schematic diagram of test loop for bushing tap ground fault

試驗中選用的調壓器輸出電壓為0∽400 V，容量為15 kVA，變壓器額定電壓為0.4/60 kV，容量為15 kVA。升壓過程中，利用紫外成像儀、超聲檢測儀、寬頻局部放電檢測儀、超高頻局部放電檢測儀和AIS放電點檢測定位儀同時檢測放電信號，并記錄檢測結果。一般110 kV變電站內巡檢路線距離一次高壓設備不小于3 m，因此試驗過程中，在距離被試品3 m處進行檢測。寬頻局部放電測試儀的測量傳感器須加壓前將其接入試驗回路，測量試品外殼與地線間的高頻電流信號，通過分析高頻電流信號判斷高壓設備絕緣狀況。各檢測儀器設備參數如表1所示。

表1 各帶電檢測設備參數Tab.1 Parameters of test devices

當試驗電壓升高至29.6 kV時，電流互感器內部有明顯的放電聲響，紫外儀檢測成像如圖3所示，端子箱外部無放電現象。此時放電點應在電流互感器油箱內部，由于末屏處于懸浮電位，對油箱外殼或二次繞組放電。

圖3 紫外成像儀檢測結果Fig.3 Test results of UV imager

試驗前利用超聲波測試儀測量高壓試驗大廳背景噪聲，約為15 dB，當被試品末屏處發生放電時，超聲波測試儀測量結果幾乎不變，約為15 dB。由于放電點在油箱內部，油箱能夠屏蔽一定的超聲信號，而且超聲信號在空氣介質中衰減較快，不易檢測。因此，超聲波測試儀不能檢測末屏接地斷開故障。

超高頻局部放電測試儀檢測結果如圖4所示。根據專家系統進行分析，檢測信號為典型懸浮電位放電信號。

寬頻局部放電測試儀在現場檢測寬頻電流信號一般不大于50 mV，當電流峰值大于1 V時，需加強觀測，縮短檢測周期。試驗時，其檢測結果如圖5所示。檢測信號幅值較大，明顯超過其測量范圍，遠遠大于注意值1 V，說明被試品已存在明顯的放電點。

圖4 超高頻局部放電測試儀檢測結果Fig.4 Test results of UHF partial discharge tester

圖5 寬頻局部放電測試儀檢測結果Fig.5 Test results of broadband PD tester

AIS放電點檢測定位儀檢測結果如圖6所示。該設備通過天線接收放電點輻射到空間中的電磁波信號，記錄每個天線測量的時域波形和頻域波形。由于每個天線的空間位置不同，接收到放電信號的時刻也不同。根據接收信號的時間差和天線空間排列位置，可以計算放電點的方位，并明確指明放電點和天線陣列的向對方位，如圖6所示。

圖6 AIS放電點檢測定位儀檢測結果Fig.6 Test results of AIS partial discharge position indicator

3 試驗分析

當正常運行的電流互感器或套管末屏接地斷開時，會發生末屏對地放電的現象，但末屏接地處如有蓋帽，會屏蔽放點產生的光子，因此，利用紫外成像儀不能檢測郵箱或蓋帽內的放電故障。

超聲波測試儀受超聲信號在空氣中傳播的影響，只能近距離地檢測超聲信號，在現場檢測中幾乎不能檢測出末屏接地斷開故障。

超高頻局部放電測試儀在實驗室中能夠檢測末屏接地斷開時產生的放電信號，通過專家系統準確判斷其放電類型。但超高頻局部放電測試儀采用的高頻傳感器為定向天線，只能接收某一個方向的放電信號。在現場檢測時，高壓設備多，環境復雜，不易采集到有效放電信號。該測試儀天線檢測頻段為0∽3 GHz，能夠檢測低頻電暈放電信號和手機通訊信號等，會引入較多的干擾信號。因此，在現場檢測時，利用超高頻局部放電測試儀很難檢測末屏接地斷開故障。

寬頻局部放電測試儀通過檢測接地線中高頻電流，分析高頻電流的波形和PRPD譜圖判斷設備的絕緣狀況。由于現場檢測時，高壓設備一般處于運行狀態，很難將測量傳感器接入測量回路。若采用該檢測方法，須在停電檢修時對高壓設備末屏接地線進行改造，將寬頻電流傳感器接入試驗回路。

AIS放電點檢測定位儀采用4個全向天線構成的天線陣列作為接收放電信號的傳感器，能夠接受各個方向的放電信號，進而計算放電信號的方位。接收天線的檢測頻段為100 MHz∽700 MHz，能夠有效屏蔽低頻段的電暈放電、手機通訊和電視廣播等干擾信號。高頻信號在空間中較超聲信號衰減小，能夠檢測較遠距離發出的放電信號。因此，AIS放電點檢測定位儀能夠較準確地檢測末屏接地斷開故障，并根據方向指示準確判斷發生故障的高壓設備。

4 結語

通過實驗室驗證和現場檢測分析，得出以下結論：

（1）利用紫外成像儀、超聲波測試儀和超高頻局部放電測試儀不能在現場發現末屏接地斷開故障；

（2）利用寬頻局部放電測試儀能夠檢測該類故障，但須對末屏進行接地改造；

（3）利用AIS放電點檢測定位儀能夠有效快速地發現該類故障，并定位發生放電的高壓設備。