基于电流互感器的非开断式操作电压测试技术研究

何文林，魏泽民，杨 智，陈 珉

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314033）

基于电流互感器的非开断式操作电压测试技术研究

何文林1，魏泽民2，杨 智1，陈 珉1

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314033）

以CTH型倒置式电流互感器为对象，建立了流过电流互感器末屏接地端子的电流与一次电压之间的传递关系计算模型，分析了介质损耗值、电容量对传递系数的影响，给出了绝缘正常电流互感器传递系数极限偏差，并试验验证了不同幅值操作冲击电压作用下传递系数的最大偏差。

电流互感器；传递关系；非开断；过电压

0 引言

由变压器、断路器和线路等一次设备组成的电力网中，通过断路器的分合闸操作完成运行方式的改变，实现电能的重新分配。当系统运行状态发生突变时，一次设备的电感元件、电容元件之间电磁能量发生快速转换，形成一个强阻尼、震荡性的过渡过程，将在电气设备上产生暂态性质的操作冲击电压。常见的操作冲击电压有分合闸空载线路过电压、分合闸空载变压器过电压、弧光接地过电压以及解列过电压等。

依据相关标准的规定[1]，操作冲击电压指波头时间大于或等于20 μs的冲击电压，标准操作冲击电压的波头时间为（250±20%）μs、半峰值时间为（2 500±60%）μs。对于252 kV以上电压等级的电气一次设备（如电流互感器），操作冲击电压的峰值是决定其绝缘水平的关键参数之一。

运行经验表明，操作冲击电压下易诱发电流互感器绝缘缺陷、绝缘故障[2]。电力部门通常采用仿真计算[3]或结合交接试验进行实测[4]来获取操作冲击电压水平。仿真计算的优点是运行工况的覆盖面较广，可以模拟各种不同运行方式、各种不同操作方式，获取冲击电压水平；不足之处是，计算获得的操作冲击电压水平会随着模型参数的改变而改变，而真实、准确的模型参数往往很难获得，导致计算结果的可信度值得怀疑。结合交接试验进行操作冲击电压水平实测，通常需在停电情况下断开套管、电流互感器末屏，接入电压取样装置，带电测量操作冲击电压水平后，再次停电拆除电压取样装置，然后恢复系统正常运行。交接试验时实测操作冲击电压水平，存在以下3方面问题：

（1）交接试验时运行方式极其有限，不能完全覆盖系统投入运行后各种可能的运行方式和操作方式，实测操作冲击电压水平不一定非常典型。

（2）电压取样装置的频率响应特性，直接影响由套管或电流互感器和电压取样装置组成的分压器的频率响应特性，导致操作冲击电压水平测试结果的不唯一性。

（3）出于设备安全考虑，断开套管、电流互感器末屏，接入电压取样装置的测试方式，不能用于系统运行时操作冲击电压的在线监测。

基于电流互感器末屏接地电流与一次电压值的传递关系，以下分析了互感器不同绝缘状态下传递关系的变化规律，建立了基于CTH电流互感器的非开断式操作电压测试方法，可实现操作冲击电压的在线监测。

1 测试原理

电流互感器是电力系统中常用的电气一次设备，主要作用是将高电压、大电流转换成低电压、小电流，为电能计量和继电保护提供信号源。按电流互感器结构形式分类，主要有正立式电流互感器和倒置式电流互感器2类，随着电压等级的不断提高，倒置式电流互感器得到广泛应用[5]，其中CTH-550型电流互感器是一种典型的油浸倒置式电流互感器。

CTH-550型电流互感器结构如图1所示。互感器头部顶端装有不锈钢膨胀器，头部储油柜采用铸铝件，其内装有二次器身，用于传输一次电流的一次导杆从二次器身的铁芯中穿过。主绝缘全部包在二次器身上，主绝缘分成头部绝缘和直线段绝缘2部分，由若干个电容屏组成。互感器外绝缘采用高强瓷，二次端子板采用整体浇筑式结构，二次端子板上有末屏引出端子，正常运行时末屏引出端子处于接地状态。

倒置式电流互感器的绝缘由主电容屏和末屏组成[6]，采用同轴结构，具有不畸变被测波形和分压比稳定的特点[7]，冲击电压频率响应特性良好，范围可达2 MHz。基于CTH电流互感器的非开断式操作电压测试原理如图2所示。

电流互感器一次侧承受电压为U时，流过末屏接地端子的电流i为：

式中：ic为电流i的容性分量，ic=ωcu；iR为电流i的阻性分量，iR=ictanδ，tanδ为互感器的介质损耗值。由式（1）可得到电流i的有效值I：

图1 CTH-550型电流互感器结构示意

图2 非开断式操作电压测试原理

由式（3）可知，流过电流互感器末屏接地端子的电流值与一次电压值之间存在函数关系，对某一特定频率的电压来说，传递系数仅与电流互感器的电容量C和介质损耗值tanδ有关。

定义传递系数K如下：

2 绝缘性能对传递系数的影响分析

电容量和介质损耗值是影响互感器绝缘性能的主要参数，相同型号的电流互感器，设计时拥有相同的电容量和介质损耗值控制目标。由于制造工艺的差异，各台互感器出厂时电容量和介质损耗值不完全相同，因此每台互感器原始的传递系数存在细微差异。互感器原始的传递系数可以通过出厂电压冲击试验准确获得。

电流互感器投入系统运行后，在电、热等因素的综合作用下，绝缘性能可能发生劣化，测试结果表现在电容量和/或介质损耗值的改变[8]，通常是电容量往大、小两个方向的双向变化和介质损耗值往大方向的变化。

2.1 电容量变化对传递系数的影响

设某台介质损耗值为tanδ的电流互感器，其电容量由初始状态的C1改变为最终状态的C2，相应的传递系数也由Kc1变化为Kc2。

定义电容量变化引起传递系数改变的相对偏差为Kc：

将式（4）和（5）代入式（6）可得：

由此可见，传递系数与电容量变化率呈线性关系。

2.2 介质损耗值变化对传递系数的影响

设某台电容量为C的电流互感器，其介质损耗值由初始状态的tanδ1改变为最终状态的tanδ2，相应的传递系数也由 Ktanδ1变化为 Ktanδ2。

定义介质损耗值变化引起传递系数改变的相对偏差为 Ktanδ：

将式（8）和（9）代入式（10）可得：

因 tanδ1≪1， tanδ2≪1， 可式（11）可知， 介质损耗值变化对传递系数的影响非常小。

2.3 极限状态下传递系数的偏差

对于投入电网运行的电流互感器，电力企业按照规程定时进行绝缘状态的例行试验[9]，当介质损耗值或电容量超出标准要求时，互感器的绝缘状态进入极限状态，通常的检修策略是修复或更换[10]。

对500 kV电压等级CTH型电流互感器而言，实测电容量与初始电容量的偏差不得超过±5%，实测介质损耗值不得超过0.007。极限状态与初始状态相比，假设电容量往大、小两个方向变化5%，初始介质损耗值为tanδ。则传递系数的相对偏差DK分别见式（12）和（13），经计算得到不同初始介质损耗值时极限偏差见图3。

由图3可知，极限状态与初始状态相比，传递系数的相对偏差在5%以内，可以满足现场操作过电压测量要求。

图3 DK与不同初始介损值的关系

3 试验验证

操作冲击电压作用下，倒置式电流互感器传递特性测试回路见图4。

图4 操作冲击传递特性接线示意

冲击电压发生器用于产生标准操作冲击电压波形，通过电容分压器对操作冲击电压进行直接测量，冲击电压施加于倒置式电流互感器的一次导杆上，互感器的铝管和末屏接线端、二次接线以及底座均接地，通过高频电流传感器和数字示波器检测接地线上的电流。

对某台型号为CTH-550的倒置式电流互感器在实验室进行了传递特性实测，测试结果如表1所示。

表1 CTH-550型电流互感器传递系数测试结果

由表1可知，不同幅值操作冲击电压作用下，传递系数计算结果略有差异，与平均值相比的最大偏差在6%以内，可满足操作过电压水平工程测量要求[11，12]。

4 结语

以CTH型倒置式电流互感器为对象，建立了传递关系计算模型，通过检测末屏接地引下线电流，实现电流互感器一次侧过电压水平监测。研究结论可指导电容型套管等类似结构电力设备的过电压监测。

（1）流过电流互感器末屏接地端子的电流值与一次电压值之间存在函数关系，对某一特定频率的电压来说，传递系数仅与电流互感器的电容量和介质损耗值有关。

（2）传递系数与电容量变化率呈线性关系，介质损耗值变化对传递系数的影响较小。

（3）在电容量最大偏差±5%、介质损耗值达到0.007的极限状态下，传递系数的相对偏差在5%以内，可以满足现场操作过电压测量要求。

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Research on Testing Technology of Non-breaking Operating Voltage Based on Current Transformer

HE Wenlin1，WEI Zemin2，YANG Zhi1， CHEN Min1

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；2.State Grid Jiaxing Power Supply Company， Jiaxing Zhejiang 314033， China）

Taking CTH type inverted current transformer as the object，this paper establishes a calculation model of transitive relation between the current flowing through the end screen terminal and the primary voltage of the current transformer； besides， it analyzes the effect of the dielectric loss value and capacitance on the transfer coefficient.Finally，it gives the limit deviation of transfer coefficient of the current transformer with normal insulation and verifies the maximum deviation of transfer coefficient under different operating impulse voltages.

current transformer； transitive relation； non-breaking； overvoltage

10.19585/j.zjdl.201709005

1007-1881（2017）09-0024-04

TM452

B

2017-05-19

何文林（1963），男，教授级高工，从事电气一次设备绝缘结构、试验、故障诊断、处理及科学研究；输变电设备状态检修；电气设备在线监测及带电检测工作。

（本文编辑：方明霞）