基于电网实时监控系统的CVT在线监测方法

顾仲德，顾科杰

（1.常熟市供电公司，江苏常熟 215500；2.河海大学能源与电气工程学院，江苏南京 211100）

基于电网实时监控系统的CVT在线监测方法

顾仲德1，顾科杰2

（1.常熟市供电公司，江苏常熟 215500；2.河海大学能源与电气工程学院，江苏南京 211100）

针对电网中广泛使用的CVT进行实时故障在线监测，重点分析了CVT故障引起电压测量值的变化情况，进而归纳出以电网实时监控系统中电压测量值的变化率为判据进行故障在线监测的方法，并通过故障案例验证了该方法的有效性.

CVT；在线监测；电压测量值；阻尼；偏差

电容式电压互感器（CVT）由于其绝缘可靠性高、有效阻尼铁磁谐振、瞬变响应特性优异等特点，已经成为电网设备选型的首选.伴随着CVT的广泛应用，如何对运行中的CVT进行有效的在线监测、提前发现故障特征信号、及早安排停电诊断性试验则成为广大电气工作者值得思索的问题.

1 CVT结构、原理及常见故障

1.1 结构分析

电容式电压互感器主要由电容分压元件、中间变压器、补偿电抗器、阻尼装置构成，其结构如图1所示.其中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，Z为阻尼装置.

CVT利用电容分压器将高电压降到中压，再经过中间变压器降压到100 V 或，供给电压测量和继电保护的信号取样装置.

1.2 CVT常见故障

由于电网中CVT在役数量急剧增加，受限于各制造厂家工艺水平差异、元器件选择以及运行过程中受潮、电网扰动等因素，CVT故障频发.常见CVT故障主要有电容单元击穿、中间变压器一次侧首端引线对地绝缘网络、匝间短路、阻尼装置无法有效阻尼铁磁谐振等[1].

图1 CVT结构简

2 CVT故障后电压测量值的变化

2.1 CVT电容单元击穿

CVT内部分压元件由多个电容单元元器件串联而成，其电容单元将影响CVT的分压比.当CVT内部存在单节或多节电容击穿故障时，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.以图1为分析基础，令电容单元电容量为CN，主电容和分压电容分别由N1、N2节电容单元串联组成，则有如下关系式成立.

主电容电容量为

分压电容电容量为

电容分压单元的分压比为

当主电容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|Δk1|＜|Δk2|.从而上节电容单元单节击穿后计算的电压测量偏差灵敏度更高.

表1 CVT主电容发生单节击穿后电压测量值的偏

以某厂家的110 kV～500 kV母线型电容式电压互感器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的测量电压的变化量如表1所示.

需要说明的是CVT内部采用补偿电抗器L，与上下节电容的并联等效电容形成串联谐振.表1中的计算数据并未考虑CVT内部电容单元击穿、谐振条件受到破坏引起的测量电压幅值和相角的变化[2].

2.2 中间变压器对地绝缘击穿

如图1所示，分压电容末端引线通过小瓷套从底座引至电磁装置的油箱内，再与中间变压侧一次侧首端连接.电磁装置油箱注油绝缘，少部分空腔充氮填充，外观上构成CVT底座.

由于中间变压器经过电容分压后，其工作电压一般较低，大约在13 kV～25 kV.CVT运输过程中的振动引起中间变压器本体及引线的错位增加了中间变压器首端引线直接对地形成放电通道的概率；运行过程中的油箱进水受潮极易引起中间变压器匝间短路故障的发生.

发生该类故障的直接后果是电网实时系统采集到故障相电压骤降、油箱绝缘油色谱分析异常.

2.3 阻尼装置失效

由于CVT本身结构中就含有电容和非线性电感，具有发生串联谐振的条件.当线路一次侧突然合闸或二次侧短路又突然消除时，过渡过程中产生的过电压会使中间变压器的铁心出现饱和，中间变压器励磁电感Lm非线性下降，回路的固有频率上升，可能产生铁磁谐振.

为了有效抑制CVT铁磁谐振，制造厂家在CVT二次侧接入适当的阻尼负载是常用的方法之一.以速饱和电抗型为例，原理电路如图2所示.

该阻尼器靠电抗器铁心快速饱和而将阻尼电阻rz接入CVT回路.当CVT发生铁磁谐振时，在过电压作用下电抗器的电感值急剧下降，将电阻rz接入回路消耗足够的功率来阻尼铁磁谐振[3].

当电网扰动引起CVT铁磁谐振时，若阻尼装置由于误接线、参数配置不合理、阻尼电阻烧毁等原因无法有效阻尼时，将直接导致CVT相电压及零序电压测量值出现异常、电磁装置油箱温度升高、油化试验色谱异常等现象.极端情况下中间电压回路中将可能产生大电流及过电压，甚至造成二次保护的误动作[4].

图2 速饱和电抗型阻尼器原理电路

3 基于电网实时监控的监测方法

3.1 监测的基本方法

以江苏省为例，目前普遍采用南瑞继保提供的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1分钟.

建议的监测方法基本思路为在电网实时系统中，植入判断软件，利用电网实时监控系统采集的CVT测量值，包括相电压及零序电压，经过数据处理判断，对设备进行有效的在线监测.其工作逻辑如图3所示.

3.2 相电压报警限值计算

相电压限值的计算可以以三相电压的绝对值偏差和百分比偏差进行设置.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：

图3 判断逻辑框图

三相电压测量值绝对值偏差取：Max{ΔU1,ΔU2,ΔU3}.

三相电压百分比偏差为：

Max{ΔU1%,ΔU2%,ΔU3%}为三相电压百分比偏差.

设置报警限值时，需要注意应该有足够的灵敏度，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.

如上节所述，根据不同厂家生产的CVT电容单元结构，计算出相电压电压偏差，作为设置报警限值的参考，还可以对包括电容单元击穿在类的其他常见故障同时进行有效监测.换言之，即CVT常见故障引起的电网实时系统电压测量值的变化均大于上述限值.根据现场使用情况，建议35 kV～500 kV测量电压偏差绝对值设置为0.5 kV～0.8 kV为宜.

3.3 零序电压报警限值

零序电压报警限值很难针对电网扰动、阻尼装置失效等故障原因提出一个完全收敛的算法，还需各运行单位根据本地区电网稳定水平和常见扰动因素合理设置.根据近期收集的部分案例，建议零序电压报警限值设置为10 V～15 V，作为监测阻尼装置失效的辅助手段.

4 故障实例分析

表2 电容式压变两次预试结果

4.1 电容单元击穿

220 kV练塘变电站110 kV正母CVT（型号为WVB110-20H）于2005年和2008年先后进行两次预防性试验，介质损耗、油化试验均满足省公司规程要求.但是与铭牌电容量比较计算电容量偏差时，B相变化率偏大.主要数据如表2所示.

仔细分析B相上节的电容量，前后两次变化率累计达到2.47%，初步怀疑内部存在绝缘缺陷.

调阅电网实时监控系统CVT的A相、B相、C相相电压测量值，曲线如图4所示.发现2006年8月16日14：15电压测量信号有一个突变，其后，电压曲线未再出现异常波动，基本可以判断此突变为CVT内部故障的特征信号.

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两年.

4.2 中间变压器匝间短路

220 kV乘航变1107正母母线CVT（其型号为TYD110/3-0.02H），2010年8月3 日17：25，电网实时监控发现C相电压出现波动，相电压测量值由正常的65 kV骤降到54 kV，后有所恢复，18：55，C相电压骤降为零.经现场核对C相CVT二次电压确无输出，随即申请事故停电检修.电网实时监控电压曲线如图5所示.

图4 110 kV正母电压测量值曲线

表3 故障出现前后电压CVT三相电压测量

发现异常后安排红外测试，C相母线CVT电磁单元油箱发热，约为57℃左右，其余两相均为35℃左右.从电压曲线及现场的电磁单元油箱发热情况初步判断，CVT电磁单元中间变压器故障.

事故后的解体分析证明油箱密封不良，运行中进水受潮，中间变压器绕组率先发生匝间短路，导致电压波动.由于未能及时将CVT退出运行，30分钟的带病运行，故障进一步发展直至烧毁.

4.3 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，对上述两起故障进行模拟监测，报警限值取三相电压绝对值偏差，设置为0.5 KV.

第一起故障中，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，报警.第二起故障中，由于电压骤降幅度较大，17：25左右电压骤降12 kV，远超报警阀值，报警.

若能根据电网实时监控系统监测到的电压变化量，及时将故障CVT安排停电检查，无疑将避免故障进一步发展.

5 结论

本文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，其本身具有显著优势：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即可；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内部电容单元击穿等常见故障，国内期刊介绍的各种CVT故障也证明以此方法制定的报警限值同样有效.

电气设备在线监测技术的发展迅速，许多技术已经投入使用，但仍受到各种各样的限制[5].电气工作者根据现场经验适当地引入一些新的电气特征量作为现有监测技术的重要补充，将能有效提高监测与诊断的有效性.

图5 乘航变1107母线C相CVT电压曲线图

[1]陈化钢.电气设备预防性试验方法[M].北京：水利电力出版社，1999：277-280.

[2]李长益，张宗九，张铁华.电气试验技能培训教材[M].北京：中国电力出版社，2008：226-231.

[3]王德忠，王季梅.电容式电压互感器速饱和电抗型阻尼器的研究[J].电工技术学报，2000（2）.

[4]刘洪量，刘海峰，岳国良，等.电容式电压互感器运行故障检测[J].电力电容器与无功补偿，2011（6）.

[5]吉亚民，谢林枫.江苏电网电气设备在线监测平台建设的研究[J].江苏电机工程，2009（5）.

The Online Insulation Detection for the Capacitive Voltage Transformer Based on Power System Real Time Monitoring System

GU Zhong-de1,GU Ke-jie2
(1.Changshu Power Supply Company,Changshu 215500,China; 2.College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,China)

The authors of this paper introduce some methods of detecting the fault of CVT.The recommended method is to use the voltage waveform to detect the fault of CVT.Through a typical case,the authors demonstrate that this method is useful to the online monitoring for the CVT.

CVT；online monitoring；the voltage of the test；damping；error

TM451

A

1008-2794（2012）10-0087-05

2012-08-05

顾仲德（1961—），男，江苏张家港人，工程师，研究方向：电力生产管理．