110kV電容式電壓互感器不拆一次接線自激法試驗的研究

李顯榮 陳子輝 朱文超

（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東 江門 529000）

0 引言

目前，變電站使用的110kV 電壓互感器大多數是110kV電容式電壓互感器（CVT），均為單節結構。與傳統的電磁式電壓互感器相比，隨著電壓等級的升高，電容式電壓互感器的體積更小，結構更簡單，造價更低，絕緣強度更高。另外，由于運行中的電磁式電壓互感器的非線性電感和其他電容之間易發生鐵磁諧振現象，因此會產生過電壓，造成設備損壞甚至爆炸，但電容式電壓互感器可避免該類問題的發生。

對CVT 進行高壓試驗時需要分別測量主電容C1、分壓電容C2的電容量和介損，常規采用自激法進行試驗，前提是CVT 頂部保持不接地的狀態，因此需要人員登高拆除頂部一次接線。試驗完成后，人員又需要登高恢復接線。為降低登高拆線帶來的安全風險，同時避免拆線造成的熱鍍鋅螺絲熱鍍鋅層磨穿被腐蝕，需要探索不拆一次接線的新試驗方法，以提高工作效率和工作安全性。

1 110kV 電容式電壓互感器基本工作原理

電容式電壓互感器采用電容分壓原理，如圖1 所示，由電容分壓器和電磁單元組成。電容分壓器由主電容C1和分壓電容C2串聯組成。電磁單元由中間變壓器T 組成。

圖1 110kV 電容式電壓互感器基本工作原理圖

相電壓為U1，分壓電容C2上的電壓為UC2，則分壓例如公式（1）所示。

CVT 運行時，由二次繞組直接測得電壓，根據變比原理得出分壓電容C2上的電壓UC2及相電壓U1，這就是電容式電壓互感器的基本工作原理。

2 常規自激法試驗原理及缺點

在交流電壓的作用下，通過絕緣介質的電流包括功分量和無功分量。有功分量產生一定的能量損耗，即產生介質損耗。而在頻率一定的情況下，介質損耗與介質損耗角正切值tanδ成正比。因此需要通過試驗測量tanδ來獲知設備介質損耗的情況，進而判斷絕緣介質的狀態，及早發現設備受潮、劣化、漏油等缺陷。

通常采用介質損耗測量儀（簡稱介損儀）測量tanδ。該類儀器基于傳統西林電橋的原理，通過標準側電阻和被試側電阻，分別將流過標準電容器和被試品的電流信號進行高速同步采樣，經模數（A/D）轉換裝置測量得到兩組信號波形數據，再經計算處理中心分析，分別得出標準側和被試側正弦信號的幅值、相位關系，進而計算出被試品的電容量及介損值。

測量tanδ的試驗方法通常有正接法、反接法、反接屏蔽法、自激法、末端加壓法等。各種方法適用范圍不同，如使用正接法時要求被試品兩極對地絕緣，使用反接法時要求被試品一極接地。

當被試品存在多個并聯支路時，一般測得的tanδ 值會介于各并聯分支中的最大值和最小值之間，全部被測絕緣體可以看成是各部分絕緣體的并聯。大的絕緣體中存在局部缺陷時，測總體的tanδ不易反映出局部缺陷，而對較小的絕緣體，測tanδ就很容易發現絕緣的局部缺陷。為此，如果試品能分部測試最好分部測試。根據《電力設備檢修試驗規程：Q/CSG 1206007—2017》，相關試驗標準要求見表1[1]。

表1 110kV 電容式電壓互感器tanδ 及電容量試驗標準要求

由于110kV 電容式電壓互感器的總體電容量大，單純測量總體介損及電容量難以發現其內部的分布性缺陷，因此需要分別測量C1、C2的介損和電容量，上述標準中也已列明。現實中大多數110kV 電容式電壓互感器沒有中間抽頭引出，因此在不解剖設備的前提下C1、C2沒有明顯的分界點，正接法、反接法等均無法分別測量C1、C2的介損和電容量，只有自激法才能做到。

常規采用自激法測量110kV 電容式電壓互感器介損及電容量的情況如圖2 所示。

圖2 dn 自激法測量CVT 主電容介損tanδ1 及電容量C1（左）、分壓電容介損tanδ2 及電容量C2（右）

此時需要CVT 頂部保持不接地，以便接信號線Cx 測量流經主電容C1的電流。介損儀測量主電容的介損tanδ1及電容量C1時，由CVT 的中間變壓器二次繞組勵磁加壓。由于剩余繞組da、dn 繞組額定電壓比其他繞組高，因此低壓勵磁輸出回路接互感器二次接線盤中的da、dn（如果阻尼電阻R 不在da、dn 之間，而在其他二次繞組之間，則低壓輸出回路接阻尼電阻R 所在的繞組，防止加壓時形成諧振回路，出現過電壓的危險情況）[2]。中間變壓器一次側低壓端XL保持接地，分壓電容的低壓端N 接介損儀高壓端，以便測量感應電壓。介損儀加壓方法選擇自激法。由于分壓電容低壓端N 的絕緣水平較低，出廠時的交流耐壓值僅為4kV，交接時交流耐壓值按出廠值0.8 倍試驗（約為3kV），因此介損儀的試驗電壓選擇不要超過3kV，一般為2kV～3kV[3]。此時C2與電橋標準電容CN（CN=50pF）串聯構成標準支路，由于C2的電容量遠遠大于CN，因此電壓主要分布在CN上，可以忽略C2。同時流經C1的電流等于流經C2與CN的電流之和。因此，當電橋達到平衡時，如公式（2）所示。

同步加壓過程中，介損儀內部自動轉換形式，將已經測量出的主電容介損tanδ1、電容量C1與CN串聯，作為標準支路來測量分壓電容的介損tanδ2及電容量C2，如公式（3）所示。

該自激法試驗的前提是需要CVT 頂部保持不接地的狀態，由此帶來一定的問題。

對線路CVT，由于線路對側同時接地，因此無法通過拉開地刀或者拆除地線的方式令CVT 頂部不接地，只能采用人員登高拆除一次接線的方法；對母線CVT，由于只經單把刀閘，一旦拉開僅有的單側地刀或拆除接地線，就會使CVT頂部產生感應電，人員距離來電側風險高，因此同樣只能采用人員登高拆除一次接線的方法。CVT 本體較大，作業人員登高作業時栓綁安全帶有一定難度，很難達到安全帶“高掛低用”的使用要求，容易發生高空墜落事故，且需要耗費一定的作業時間。據現場考究，不少220kV 變電站的110kV母線電壓互感器刀閘采用GW6 型刀閘，該類刀閘的帶電部位（靜觸頭、母線）離正下方110kV 母線電壓互感器距離過近，由于拆除PT 頂部引線時人員還需要伸出半截身體高于PT 頂部（伸出的半截身體按0.5m 計算），則帶電部位（靜觸頭、母線）離拆線人的頭部距離僅為1.5m～2m，甚至更少。根據《中國南方電網有限責任公司電力安全工作規程：Q/CSG 510001—2015》規定，110kV 電壓等級作業安全距離為1.5m，而這種拆線情況下人體離帶電部位的安全距離難以把控，同時隨著感應電等危害，安全風險極大。當采用轉停上一級設備（母線）的方法時，雖然安全問題迎刃而解，但需要擴大停電范圍，嚴重影響電網運行方式和居民用電，性價比低，一般不采用。

另外，拆開的熱鍍鋅螺絲和墊片腐蝕嚴重，一旦熱鍍鋅螺絲拆多了，容易把熱鍍鋅層磨破磨穿，難以恢復及并保證接觸良好。加上沿海地方潮濕，熱鍍鋅螺絲容易發生鐵鋅原電池反應，時間長了，螺絲容易被腐蝕。

3 不拆一次接線自激法試驗的設計思路

對普遍沒有中間抽頭引出的110kV 電容式電壓互感器，在常用的介損試驗方法中，正接法、反接法、反接屏蔽法等方法均不能成功測量出主電容C1、分壓電容C2各自的介損和電容量，只有自激法才能做到，但自激法存在上文所述的缺點，因此考慮在自激法試驗的基礎上進行改進，使其不拆一次接線就能使用自激法測量出主電容C1、分壓電容C2各自的介損和電容量。

為了使電橋平衡以便電路計算，介損儀必須采集到流經C1和C2的電流（即N 端電流）。由于CVT 轉檢修狀態，一次側高壓引線接地，使用自激法時測量線Cx是沒有電流通過的，電橋無法從CVT 的A 端直接采集到C1的電流，達不到平衡狀態。直接采集行不通，因此需要通過間接方法采集。

該方法的總體思路如下：考慮A 端位于CVT 頂部，在此位置直接加裝相關的電流采集單元同樣需要登高作業，會有一定的不便之處，因此該文嘗試在CVT 與地面的介損儀之間加插一個輔助裝置，如圖3 所示。

圖3 CVT 不拆一次接線加裝輔助裝置自激法試驗原理圖

該輔助裝置主要由PCB 板、電源模塊、電流檢測器、CPU控制器、電壓控制器、AD 轉換器、信號放大器等組成，考慮要避免外界電磁場的影響，電源模塊需要帶濾波裝置。輔助裝置主要利用電流采集單元采集XL端電流IXL及N 端電流IC1，適用于自激法采用電流幅值計算電容量、電流相位計算介損值的CVT 介損儀。與常規自激法接線不同的是，中間變壓器一次側低壓端XL通過輔助裝置后再接地形成回路，最后才接到介損儀的信號線Cx插口處。C2低壓端N 通過輔助裝置采集到N 端電流IC1，再接入介損儀的高壓輸出插口處。根據基爾霍夫電流定律可得介損儀低壓輸出CVT 二次繞組勵磁加壓時，IXL=IC1+IC2，因此IC1=IXL-IC2，進而得出IC1，輔助裝置通過信號線Cx輸出IC1至介損儀讀取計算。此時的介損儀會在自激法達到電橋平衡時分別自動計算出主電容C1和分壓電容C2的介損及電容量，其計算過程與CVT 頂部不接地采用自激法的過程一樣。

與傳統的拆除CVT 一次接線自激法試驗相比，使用該輔助裝置試驗時，只需要通過CVT 中間變壓器一次側低壓端XL 采集一次電流幅值和相位，結合同時采集到的C2電流幅值和相位，再通過交流電流電橋計算出C1電流幅值和相位，進而得出IC1，輸送至介損儀進行自激法試驗。整個過程接線方便，人員無須登到CVT 頂部進行一次拆線、接線。

4 試驗結果對比

對多臺110kV 電容式電壓互感器進行現場試驗結果對比，結果見表2。

表2 現場試驗結果對比

可見不拆一次接線加裝輔助裝置后，采用自激法的試驗結果與常規拆除一次接線自激法的區別不大，試驗精度得到了有效保證。另外，由于不需要重復拆除、恢復CVT 頂部一次接線，工作時長縮短了將近一倍，工作效率和安全性都得到了提高。

5 結語

高壓試驗技術發展日新月異，隨著時代的進步，在更講究科學、安全、精確、效率的大環境下，很多傳統的試驗方法已慢慢不再適用。該文對110kV 電容式電壓互感器不拆一次接線自激法試驗的研究，有效解決了試驗時人員登高拆線帶來的風險問題，提高了工作效率，對新試驗技術的探索具有積極意義。