顾仲德

（常熟市供电公司，江苏常熟 215500）

电容式电压互感器（CVT）由于其绝缘可靠性高、铁磁谐振有效阻尼、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进行有效在线监测，提前发现故障特征信号，及早安排诊断性试验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。

图1 CVT结构简图Fig.1 The structure of the CVT

补偿电抗器用于补偿中间变压器工作电流在电容单元上的压降，阻尼装置则能在电网扰动、分频谐振时有效阻尼，防止铁磁谐振。

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，甚至发生CVT故障引起保护误动的恶性电网事故。

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闪络、匝间短路、阻尼装置无法有效阻尼铁磁谐振等[1]。

1.3 常见在线监测方法

在许多技术文献中，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、运行时电容量C、电容电流Ic、绝缘介质损耗值tan δ等在线测量等方法。绝缘油色谱分析以及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tan δ的数字化在线测量得到比较广泛的应用，其在线测试原理框图如图2[2]所示。

图2 数字化测量系统原理框图Fig.2 The functional block diagram of the digital measuring system

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的综合影响，现场采集到在线监测数据表现出较大的离散性。有文献介绍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，测量分辨率达到0.1‰[3]。

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，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。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。

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：

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：

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。

以某厂家的35~500 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。

表1 CVT主电容发生单节击穿后电压测量值的偏差Tab.1 Error of the measuring voltage value after a unit of the main capacitor breaks down in the CVT

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[4]。

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，在13～25 kV。由于受油箱体积、分压电容末端至中间变压器之间的引线布局不合理等影响，容易造成引线对油箱壁、电容单元底部纸板放电。

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。

制造厂家在CVT二次侧接入适当的阻尼负载是有效抑制CVT铁磁谐振常用的方法之一。常用的阻尼器有电阻型、谐振型、速饱和电抗型3大类。以速饱和电抗型为例，原理电路如图3所示。

图3 速饱和电抗型阻尼器原理电路Fig.3 The principle of the saturated reactor type damper

这种阻尼器是靠电抗器铁心的快速饱和而将阻尼电阻rx接入CVT回路。在CVT正常运行条件下电抗器的电抗L很大，通过阻尼器的电流仅为几十毫安，其功耗及储能均很小;而当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rx接人回路消耗足够的功率来阻尼铁磁谐振[5]。

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[6]。

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 min。

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，对设备进行有效在线监测。其工作逻辑见图4。

图4 工作逻辑框图Fig.4 Logic judgment block diagram

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：

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：

max{ΔU1%，ΔU2%，ΔU3%}为三相电压百分比偏差。

设置设置报警限值时，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3.1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35~500 kV测量电压偏差绝对值设置为0.5~0.8 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10~15 V，作为监测阻尼装置失效的辅助手段。

4 故障实例分析

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2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。

表2 电容式压变预试结果Tab.2 Preventive tests of the capacitive voltage transformer

仔细分析B相上节的电容量，前后2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相电压测量值，曲线如图5所示。图中曲线A、B、C分别代表当日24 h三相测量电压有效值，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。

图5 110 kV正母电压测量值曲线Fig.5 The waveform of the measuring voltage in the 110 kV positive bus

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2年。

4.2 中间变压器匝间短路

220 kV乘航变1107母线CVT(型号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0。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清晰的表明了故障发展的过程。

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 min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

利用本文所述的电压测量值诊断方法，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，数据见表3。

表3 故障出现前后电压CVT三相电压测量值Tab.3 The measuring voltage value before and after some unit break down

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，远超报警阀值，报警。

两起故障中，若能根据电网实时监控系统监测到电压变化量，及时安排故障CVT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；测量值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发展迅速，许多技术已经逐步走出科研院所，在现场推广使用，但其仍受到各种各样的限制。电气工作者根据现场经验适当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。

[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.

[2] 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.

[3] 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.

[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.

[5] 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，2000，15（1）:41-46.WANG De-zhong，WANG Ji-mei.A study of the protective device with inductor in series resistance for capacitor voltage transformer[J].The Journal of Electric Technology，2000，15（1）：41-46（in Chinese）.

[6] 刘洪量，刘海峰，岳国良.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，2011，32（3）：62-65.LIU Hong-liang，LIU Hai-feng，YUE Guo-liang.The fault monitoring for capacitive voltage transformer[J].Power Capacitor&Reactive Power Compensation，2011，32（3）：62-65（in Chinese）.