冲击电压下500 kV油浸倒置式电流互感器局部放电特性研究

杨智，郑一鸣，何文林，李晨，詹江杨，郭冲

(1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014；2.西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 710049)

电流互感器是将一次(高压)侧交流电流按照额定电流比转换成可供电侧仪表、继电保护装置或者控制装置使用的二次(低压)侧电流的变流设备。电流互感器是电网中的重要电气设备，担负着为电力系统提供计量和继电保护所需信号的重任，其可靠性直接关系到电网能否安全稳定运行[1-2]。电流互感器发生故障不但会造成自身损坏，还可能引起保护误动、设备跳闸，造成电网安全事故[3-5]。

电流互感器按绝缘介质可分为固体绝缘式、油浸绝缘式、六氟化硫气体绝缘式。110 kV及以上电压等级的电流互感器大多采用油浸式绝缘结构，根据浙江电网近3年的设备信息统计，油浸式电流互感器占比88.3%。其中，油浸倒置式电流互感器因具有散热快、传导均匀、绝缘性可恢复等特点，在500 kV及以上电压等级油浸式电流互感器中占比较大[6-8]。

油浸倒置式电流互感器在运行时易受冲击电压、静电电压、运行电压和潮气等多种不利因素的影响，存在着绝缘性能不断降低的风险[9-11]。尤其是在冲击电压下发生局部放电，一旦放电熄灭电压低于正常运行电压，放电现象在正常运行电压下持续发展，或者绝缘损坏持续累积，可能导致设备爆炸损坏[12-14]。因此，研究冲击电压下油浸式电流互感器的局部放电特性，对于设备绝缘损坏预警并制订合理的运维措施具有重要的指导意义。

国内外学者对油浸倒置式电流互感器的绝缘故障已经进行了详细研究分析，总结出2个原因：①倒置式结构的绝缘薄弱点在一次绕组的三角区，此处为手工包扎，产品质量有一定的分散性；②直线部分电容屏端部的电场较为集中，多存在较明显的屏间放电现象[15-16]。目前，油浸倒置式电流互感器的检测方法主要包括局部放电测量和油中溶解气体分析等[17-20]。

本文搭建冲击电压下500 kV油浸倒置式电流互感器局部放电试验回路，根据试品的结构特点，分析冲击电压下试品放电波形特性及识别方法，并且结合工频电压下局部放电特性和油中溶解气体分析结果，研究冲击电压下局部放电对设备绝缘损坏程度的影响。

1 冲击电压下局部放电测量回路

1.1 测量回路

测量回路由冲击电压发生器、电容分压器、倒置式电流互感器、非接触式传感器及数字示波器组成，如图1所示。

图1 冲击电压下局部放电接线图Fig.1 Partial discharge wiring diagram in impulse voltage

测量时由冲击电压发生器产生标准的雷电冲击、操作冲击电压波形，通过电容分压器对冲击电压进行测量。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、二次接线以及底座接地，使用非接触式传感器检测接地线上的电流，并通过数字示波器测量该电流信号。

1.2 被测试品

本文选用AREVA公司(巴西基地)生产的CTH-550型油浸倒置式电流互感器进行测量，其基本结构如图2所示。

1—铝罩壳；2—油位指示；3—金属膨胀器；4—二次铁心；5—一次导杆；6—油纸绝缘；7—瓷套；8—二次引下线铝管；9—二次接线盒；10—底座。

图2 油浸倒置式电流互感器结构
Fig.2 Structure of oil-immersed inverted current transformer

从图2可以看出，500 kV油浸倒置式电流互感器的二次铁心绕组内置于圆形铁心外罩内，二次绕组通过与二次铁心外罩直接焊接的圆柱形金属管(二次引下线铝管)引出，二次铁心外罩与直接焊接的二次引下线铝管外绕油纸绝缘层，油纸绝缘层内设置若干电容屏构成主电容，最内一层电容称“末屏”，与设备低压端相连接。

末屏引出方式有2种结构：①二次引下线铝管末端与底座绝缘固定，不直接导通，在外部通过扁铁与底座连接，末屏接线位置在扁铁处；②二次引下线与底座直接导通，末屏接线位置在二次接线盒内的某个端子。本次测量所用试品通过第2种方式将末屏电流信号引出，并通过非接触式传感器和数字示波器采集电流信号。

1.3 非接触式传感器的选取

1.3.1 非接触式电流传感器

油浸倒置式电流互感器在带电运行时，电压频率为50 Hz，而在承受操作过电压和雷电过电压作用时，电压频率高达kHz级甚至MHz级，这就要求电流传感器及信号采集、处理装置应具有较大的频率响应范围[21-22]。

本文采用PEARSON公司生产的110A型非接触式电流传感器采集油浸倒置式电流互感器的末屏电流信号。电流传感器为穿心式结构，通过双屏蔽电缆经50 Ω匹配电阻与示波器相连接，采用蛇皮铜网线穿套电缆，高压连接线经电晕处理。电流互感器末屏接地引下线直接穿过该电流传感器。电流传感器频率范围为1 Hz～20 MHz，灵敏度为100 mV/1 A，具有宽频域、大量程、不改变电流互感器原有接地方式、具有一定的抗干扰能力、安全可靠等特点。试验在屏蔽室内进行，测量前采用方波源对局部放电测量系统进行标定，并分别测量控制台合闸前后的背景噪声。经测量背景噪声约为10 pC，满足试验要求。

1.3.2 示波器

本文采用Tektronix数字示波器对非接触式电流传感器测得的信号进行采集处理。该示波器测量频率最高为100 MHz，采样率为2.5×109s-1，能够对电流互感器中的电流信号进行采集存储，满足测试要求。

2 冲击电压下局部放电

2.1 冲击电压局部放电波形

2.1.1 外施电压波形

为研究冲击电压下油浸倒置式电流互感器油纸绝缘局部放电特性，结合出厂试验标准，分别在标准雷电冲击电压和标准操作冲击电压下对7组试品进行局部放电试验。雷电冲击电压下进行正、负极性局部放电试验，电压峰值为1 340 kV；操作冲击电压下只进行正极性局部放电试验，电压峰值940 kV。典型外施电压波形如图3所示。

2.1.2 雷电冲击电压下局部放电

在试品上分别施加正、负极性的标准雷电冲击电压，研究电压极性对雷电冲击电压下油纸绝缘局部放电特性的影响。试验结果如图4所示。

图3 外施电压波形Fig.3 Applied voltage waveform

图4 雷电冲击电压下局部放电Fig.4 Partial discharge in lightning impulse voltage

从图4可以看出，试品内部在正极性雷电冲击电压的峰值处存在明显的放电信号，负极性下未检测到放电信号。试验结果表明，缺陷放电存在极性效应。在冲击电压波形起始处存在较大的噪声，这主要为球隙触发导通时气隙放电产生的干扰信号，出现位置固定且幅值较大，易于同局部放电信号进行区分。

在雷电冲击电压下检测的放电信号时域波形如图5所示，放电脉冲波形与油中放电波形类似，信号频率约为10 MHz。

2.1.3 操作冲击电压下局部放电

为研究操作冲击电压油浸倒置式电流互感器油纸绝缘局部放电特性，在试品上施加标准操作冲击电压，逐渐升高电压幅值，并选取外施电压范围为0.6～1.8(标幺值)，研究电压幅值对操作冲击电压下的油纸绝缘局部放电特性。试验结果如图6所示。

从图6可以看出：当外施电压幅值较低(小于1)时，检测到的信号中存在较多干扰信号，信号幅值小于5 V，如图6(a)、(b)所示；当外施电压升高至1 时，检测结果中出现幅值较高的脉冲信号，如图6(c)所示，脉冲幅值大于5 V，该脉冲应该为放电信号；继续升高外施电压幅值，检测到的大幅值脉冲数量增加，同时幅值也有所增大，如图6(d)、(e)、(f)所示；大幅值脉冲主要出现在外施电压的峰值附近，也偶尔出现在电压的波尾，如图6(g)、(h)所示。对比图6(a)—(h)可以看出，随着操作冲击电压幅值的增大，油纸绝缘局部放电信号幅值增大，放电次数增加。

图5 雷电冲击电压下放电脉冲波形Fig.5 Discharge pulse waveform inlightning impulse voltage

图6 操作冲击电压下局部放电Fig.6 Partial discharge in switching impulse voltage

单个大幅值脉冲的波形如图7所示，脉冲信号最大幅值约为20 V，脉冲的主频率约为4 MHz，持续时间约为2.35 μs。

图7 高幅值脉冲的时域波形Fig.7 Time domain waveform in high amplitude pulse

2.2 工频局部放电

结合油浸倒置式电流互感器的实际运行环境，分别对试品进行长时间工频局部放电测试及冲击电压作用后的工频局部放电测试，并利用TWPD-2F、Tettex和PDcheck采集到的数据进行谱图统计分析。局部放电的起始与熄灭电压见表1，长时间工频局部放电加压过程的局部放电相位(phase resolved partial discharge，PRPD)谱图如图8所示，雷电和操作冲击电压下起始放电时的PRPD谱图如图9所示。

表1 局部放电的起始与熄灭电压Tab.1 PDIV and PDEV of partial discharge

从表1可以看出，7台试品的局部放电起始与熄灭电压均较低，其中有4台试品的起始电压低于正常运行电压(318 kV)；所有设备的熄灭电压均低于正常运行电压。试验结果表明，设备运行时，存在局部放电被激发后难以熄灭的风险。

从图8可以看出试品内部至少存在2种类型的放电：类气隙放电和树枝放电。放电起始时放电量较小，放电集中在正负半周过零点附近，呈现出较为明显的兔耳形状，主要表征为类气隙放电；在峰值附近也存在放电信号分布，主要为树枝放电，但放电幅值变化规律不明显，分散性较大。随着电压逐渐增大，类气隙放电的局部放电量几乎不变，被淹没在树枝放电的信号中，但仍能观察到过零点附近的弧顶放电分布，树枝放电的放电量明显增加，此时放电对纸绝缘损伤较为严重。

图8 长时间工频局部放电加压过程的PRPD谱图Fig.8 Statistical spectrum of PRPD of long-time power frequency partial discharge during voltage rise process

试品在经过雷电冲击电压作用后，放电形式有所改变，气隙可能消散，同时油纸绝缘内部的树枝放电受抑制，强度有所减弱。在起始放电电压下，放电量明显增大，类气隙放电特征消失或是淹没在树枝放电信号之中。冲击电压下起始放电时的PRPD谱图如图9所示。低于临界电压时放电量处于缓慢增加阶段，超过临界电压时放电量突然增大，迅速进入间歇性击穿阶段。试品在操作冲击电压下起始放电时的PRPD谱图与雷电冲击下类似。

图9 冲击电压下起始放电时的PRPD谱图Fig.9 Statistical spectrum of PRPD in initial discharge voltage after impulse voltage

操作冲击电压作用后的工频局部放电波形及PRPD谱图如图10所示。可以看出，该放电形式与沿面放电典型参考谱图吻合，放电性质应与沿面放电类型相似，由此可以推断此时试品内部可能发生沿面放电。通过试验分析可以得出，对冲击电压作用后的油浸倒置式电流互感器进行工频局部放电检测可以进一步验证绝缘的损坏情况。

2.3 解体情况

为进一步验证绝缘损坏情况，对测试后的试品进行解体，解体过程中发现安装工艺、材质、放电痕迹等均存在问题。

2.3.1 头部油纸绝缘

头部油纸绝缘层中部发现3处碳黑点，可用手擦除，怀疑为污染导致。头部油纸绝缘采用皱纹纸和电话纸交替包扎，电话纸存在明显褶皱现象，但无其他异常。分析认为该褶皱与电话纸包扎后在真空干燥和浸油工艺中的自然收缩有关。

图10 操作冲击电压作用后的工频局部放电波形及PRPD谱图Fig.10 Partial discharge waveform and statistical spectrum of PRPD after switching impulse voltage

2.3.2 均压套管

在拆除均压套管的数层外包层后，发现第1张屏(高压屏)末端存在严重的爬电现象，导致此处电缆纸碳化变黑。爬电区域为第1张屏末端至第2张屏末端之间，其余位置未见爬电痕迹，这也与第2.2节中出现的沿面放电类型相对应。

2.3.3 颈部绝缘

各试品器身颈部绝缘均存在褶皱现象，并有放电痕迹，逐层拆除绝缘，发现内部绝缘放电痕迹越来越明显，放电通道逐渐扩大。试品二次引线管处的电容屏端部屏蔽层制作工艺不良，端部电场较为集中，在操作过电压甚至运行电压作用下发生油中尖端放电，引起该处绝缘纸性能下降。在持续局部放电作用下，从尖端起始沿电容屏表面发生沿面放电，放电产生的气体向上移动，聚集在试品器身颈部或头部下半圈的疏松褶皱处，发生类气隙放电。随着操作冲击电压的累积作用，发生贯穿性的树枝放电，放电产生更多的气体以及高能量，放电现象和绝缘破损现象加剧，严重时发生爆炸。

2.4 油中溶解气体分析

2.4.1 油色谱数据分析

为分析冲击电压下局部放电对油浸倒置式电流互感器油纸绝缘损坏程度的影响，采用油色谱分析仪分别对7组试品试验前后油中乙炔、总烃含量(体积分数)进行测试，测试结果见表2。

表2 试验前后乙炔、总烃含量对比Tab.2 Comparison of acetylene and total hydrocarbon contents before and after the test

从表2可以看出，高压试验前后试品油中乙炔、总烃含量均发生变化，这与试品局部放电量检测结果相吻合，放电量大或出现明显放电声的试品，乙炔、总烃含量增长更明显。放电信号来源于试品内部，6号、7号试品乙炔含量的增长与设备内部局部放电相关，放电位置在油浸倒置式电流互感器均压套管部分可能性较大。

2.4.2 含气量分析

由于取样工装原因，仅对其中3组试品的含气量(体积分数)进行分析，试验前后含气量对比见表3。

表3 试验前后含气量对比Tab.2 Comparison of gas content before and after the test

从表3可以看出，试验前试品含气量较高，设备运行或外部过电压工况下，存在类气隙放电的可能。

2.5 高电压介质损耗因数测试

分别对长时间局部放电后、雷电冲击电压作用后和操作冲击电压作用后某试品的高电压介质损耗因数进行测试，结果如图11所示。从图11可以看出，该试品在长时间局部放电后、雷电和操作冲击电压作用后，介质损耗因数未发生明显变化。该试品高电压介质损耗因数测试结果无明显异常，其他试品各测试阶段的高电压介质损耗因数测试结果与该试品类似。

图11 高电压介质损耗因数测试结果Fig.11 High voltage dielectric loss factor test results

2.6 频域介电谱测试

分别对高压试验前后试品的频域介电谱进行测试，测试电压200 V，测试结果如图12所示。可以看出，该试品的含水量(质量分数)为0.4%，整体含水量处于合理范围，高压试验前后的频域介电谱差别较小，主要差异来源于测试温度不同。其他试品的频域介电谱测试结果与该试品类似。测试结果表明：试品整体含水量和试品油的电导率均处在合理范围，可以排除受潮因素导致的设备异常。

图12 频域介电谱Fig.12 Diagram of frequency domain dielectric spectroscopy

3 结论

本文搭建了500 kV倒置式电流互感器冲击电压下局部放电测量回路，研究了冲击电压下局部放电及设备绝缘损坏情况，并获得了不同冲击施加条件后工频局部放电情况，主要得到如下结论：

a)冲击电压作用下，放电多集中在冲击电压的峰值处，放电频率高，持续时间短，且雷电冲击电压下局部放电存在明显的极性效应。

b)随着冲击电压幅值增大，局部放电信号幅值增大，放电次数增加。

c)随着冲击次数的增加，放电程度提升，绝缘损坏具有累积效应。

d)工频电压下放电的熄灭电压降低，放电难以熄灭，持续发展造成绝缘损坏加剧，引发爆炸和燃烧冲击事故。

从本文的研究来看，冲击电压对油浸式电流互感器的绝缘造成一定的损坏；因此，有必要继续深入研究，找出一种能够准确测量油浸式电流互感器遭受的冲击过电压幅值或波形的方法，从而在监测到过电压时，对设备进行冲击电压局部放电测量，以期对油浸式电流互感器绝缘状态进行准确判断，提高设备运行安全性。