电压测量值在电容式电压互感器故障检测中的应用

张 曦，周文华，吴悦怡，徐青龙

(常熟市供电公司，江苏常熟215500)

20世纪80年代以来，随着电子技术的进步，电气设备在线监测与诊断技术得到飞速发展，并由此衍生出诸如电容量和介质损耗在线测量、综合诊断技术和专家系统等在线监测与诊断方法。由于在线诊断技术中各种信号高精度的提取和综合处理分析上存在一定的难度，如何引进电气设备运行状态的特征量、全面准确地对设备内部绝缘进行判断已成为电气工作者思索的问题，例如利用电压测量值对电容式电压互感器（CVT）进行故障检测等。

1 CVT常见在线监测技术分析

1.1 结构分析

CVT由于有较好的阻尼铁磁谐振性能和优良的瞬变相应特性，已被广泛应用于电力系统，并有逐步取代电磁式电压互感器的趋势。典型的电容式电压互感器结构如图1所示。

图1 CVT结构简图

图中：C1，C2分别为多个电容单元串联而成的等效电容，C1为上节主电容，C2为下节分压电容；L为补偿电抗；B为中间变压器。

1.2 常见在线监测方法

CVT常和高压电容式套管、电容式电流互感器、耦合电容器等一起归类为电容型设备，合并研究和开发在线监测技术。影响较广泛的有早期的三相不平衡电流法、三相不平衡电压法以及运行时电容量C、电容电流Ic、绝缘介质损耗值tan δ数字化在线测量等方法,近期发展成熟的红外测温、紫外成像等方法也为设备故障检测提供了较好的补充。众多监测方法中，运行时电容量C、电容电流Ic、介质损耗值tanδ的数字化在线测量得到比较广泛的应用，其在线测试原理如图2所示。

图2 数字化测量系统原理

通过电容型设备接地引下线上加装电流互感器，检测设备的电容电流；通过分压器或电压互感器二次测量值，测得电源电压，通过相关软硬件的处理，自动算出电压和电流之间的相角差δ及tan δ[1]。采用该方法进行设备绝缘在线监测，常发现其抗干扰能力较差，其误差根源在于引入了电压互感器和电流互感器的综合误差以及非同相设备和系统谐波的影响。

虽然在线监测更多的是强调监测数据的横向和纵向比较，但是由于受电压互感器和电流互感器精度的影响，以及相间杂散电容或者环境因素、设备外绝缘的污秽情况等综合影响，现场采集到在线监测数据表现出较大的离散性。因此对于tan δ较小的CVT等电容型设备，总结出成熟的在线分析和诊断方法还有待时日。文献[2]介绍了澳大利亚研制的电容型电力设备介质损耗在线监测装置，利用过零点相位比较法测量介质损耗，测量分辨率达0.01%，且在实际中应用。

2 电压测量值在CVT故障检测中的应用

2.1 CVT 与其他电容型设备的差异

以电容式电流互感器为例，在一次导电杆周围，套装由电容型材料组成的电容芯子，依靠电容芯子内部的多节电容串联单元将绝缘层分割成多个同轴电容器，使得导电杆与地电位间的电场得到比较均匀的分布。当电容芯子内部出现单节电容屏击穿等绝缘缺陷时，更多的是反应在绝缘材料的介质损耗和电容电流等特征量，而电流互感器导电杆上的电位及电流不会有明显变化。

CVT内部由多个电容单元元器件串联而成，分压电容利用分压比，经中间变压器、补偿电抗器以及消谐装置，测量系统一次侧电压。与电容式电流互感器电容芯子不同的是，其电容单元还将影响CVT的分压比。当CVT内部存在单节或多节电容击穿故障时，其故障特征不仅反应在电容电流和设备介质损耗上[3]，还将引起分压比k的变化，从而导致CVT测量电压发生显著变化。

2.2 CVT单节电容击穿后的故障特征

CVT上下节电容分别由多节电容单元串联而成，当其中某一电容单元发生击穿等绝缘缺陷后，将会引起CVT分压比k和电压测量值的变化，并由此衍生出相应的监测方法。

以图1为分析基础，令单只电容单元电容量为CN，上、下节电容分别由N1，N2节电容单元串联组成，则上节主电容电容量为：

下节分压电容电容量为：

从而得到电容分压单元的分压比为：

令中间变压器B的变比为kB，则CVT的电压测量值Uax为：

其中Ux为待测量电压，当它和中间变压器变比为恒值时，电压测量值仅和电容分压单元的分压比成正比，于是分压比的变化将直接体现在电压测量值的变化上。

当上节主电容C1中某一电容单元发生击穿短路后，其所包含的电容单元个数改变为N1-1个，从而电容分压器的分压比变为：

此时，分压比的变化量为：

当下节分压电容C2中某一电容单元发生击穿短路后，其所包含的电容单元个数改变为N2-1个，从而电容分压器的分压比变为：

此时，分压比的变化量为：

因 N1＞N2，所以

以某厂家的110 kV和220 kV CVT内部串联单元数量为例，当其上节电容发生单节击穿后引起测量电压的变化量如表1所示。

表1 某型号CVT上节电容发生单节击穿后电压测量值的偏差

需要说明的是，CVT内部采用补偿电抗L在工频情况下与上下节电容的并联等效电容形成了串联谐振，即：

此时中间变压器电源内阻抗最小，提高了CVT测量精度。表1中的计算数据并未考虑CVT内部电容单元击穿时谐振条件受到破坏引起的测量电压幅值和相角的变化[4]。

2.3 CVT电压测量值的应用方法

以江苏省为例，目前普遍采用OPEN-2000或OPEN-3000系统对电网运行状态进行实时监控，各项数据采集周期为5 min。利用电网实时监控系统采集的CVT测量值，经过数据处理判断，对设备内部进行绝缘监督，其工作逻辑如图3所示。

图3 CVT三相电压测量值判断逻辑

根据不同厂家生产的CVT电容单元结构，计算出电压偏差，作为设置报警限值的参考。报警限值的计算以三相电压的绝对值偏差和百分比偏差以及电压大小的角度进行设置。以三相CVT的电压测量值为例，设UA，UB，UC为某一采样周期的测量值，则不同相电压偏差幅值分别为：

三相电压测量值绝对值偏差取ΔU1，ΔU2，ΔU3三者中的最大值。三相电压百分比偏差为：

三相电压百分比偏差取ΔU1%，ΔU2%，ΔU3%三者中最大值。

需要注意的是，设置报警限值时，要有足够的灵敏度，即设置的限值应比计算值小，灵敏度大于1；不会因电网电压的扰动频繁报警，即设置限值的大小应根据电网电压的稳定水平，不宜过低,可根据误报警次数逐步修正。根据现场使用情况，建议110 kV和220 kV测量电压偏差绝对值设置在0.5～0.8 kV为宜。

3 故障实例分析

3.1 故障实例简述

2005年和2008年先后对某变电站110 kV正母CVT（WVB110-20H）进行预防性试验，各项试验数据均满足江苏省电力设备交接和预防性试验规程要求，结果如表2所示。

表2 电容式压变2次预试结果

可见，B相上节的电容量增大了约3%，初步怀疑内部存在绝缘缺陷。经调用110 kV正母电压遥测值曲线（如图4所示），发现2006年8月16日14:15电压测量信号有1个突变，其后电压曲线未再出现异常波动，基本可以认为此突变为CVT内部故障的特征信号。

图4 110 kV正母电压遥测值曲线

返厂修理证实该CVT上节第二串联电容单元发生击穿，其解体信息与现场理论分析基本一致。由于当时没有相关在线监测装置，对该故障信号未能及时捕获，导致设备带缺陷运行长达2年。

3.2 在线监测模拟监测效果

现利用本文所述的电压测量值的诊断方法，对上述故障进行模拟监测，报警限值取三相电压绝对值偏差，设置为0.5 kV。在电压曲线上采集故障前后的电压测量值，并计算相关偏差，数据如表3所示。故障前电压绝对值偏差仅为0.39 kV，小于报警限值，判断正常；故障后电压偏差1.16 kV，大于报警限值，判断越限并报警。

表3 故障出现前后电压CVT三相电压测量值 kV

4 结束语

通过对CVT在线监测与诊断技术的分析，提出了利用电网实时监控系统，引入CVT电压测量值，完善现有在线监测技术，其具有显著优势：不需加装设备，仅在电网实时监控系统中植入判断分析软件；测量值本身不会遇到其他监测方法很难解决的抗干扰问题。分析表明，利用CVT电压测量值能够有效监测CVT内部电容单元击穿故障，现场实践表明，该方法制定的报警限值对于CVT中间变压器匝间绝缘击穿等缺陷同样有效。

[1]朱德恒，严 璋，谈克雄，等.电气设备状态监测与故障诊断技术[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2]陈天翔，鲁华祥，张宝会，等.电力设备tanδ在线监测技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

[3]侍海军，汪 飞，连振东.电容式电压互感器故障实例及分析[J].江苏电机工程，2009(4)：14-15.

[4]李长益，张宗九，张铁华，等.电气试验技能培训教材[M].北京：中国电力出版社，1998.