电容式电压互感器状态监测技术研究现状与发展

陈涛涛，陆　金，许小飞

（国网江苏省电力公司检修分公司，江苏宿迁223800）

电容式电压互感器状态监测技术研究现状与发展

陈涛涛，陆金，许小飞

（国网江苏省电力公司检修分公司，江苏宿迁223800）

作为电力系统中重要的测量、保护、通信设备，电容式电压互感器（CVT）的稳定运行对电网安全至关重要，然而其运行故障时有发生，检修工作需耗费大量的人力和物力，根据CVT的现场运行经验来看，对其进行实时、精确、高效的状态监测仍是一大难点。介绍了CVT各组成部件的常见故障类型及故障产生机理，并对其状态监测方法进行详细论述与分析，展望了CVT状态监测方法的发展趋势和方向。

电容式电压互感器；状态监测；故障机理；电磁单元；电容量；介损

电容式电压互感器（CVT）是变电站重要的电力设备，主要用于测量、继电保护、同步检测、长距离通信、遥测和监控系统等。相比电磁式电压互感器，CVT不仅结构简单、经济安全，而且从根本上解决了CVT铁磁谐振问题，同时还可兼作耦合电容器用于载波通信系统等。因此，CVT在110 kV及以上电网系统中得到了广泛应用［1］。

然而在实际运行中，受设计水平、制造工艺等系统操作多种因素的制约，特别是线路投切、投入或退出某些设备等系统操作过程，CVT运行故障率居高不下，对电网安全运行造成严重影响［2-5］。笔者根据现场运行经验，对CVT各电气组成部件的运行故障及CVT常见状态监测方法进行论述和分析，并提出未来CVT状态监测的发展趋势。

图1　CVT结构及电气原理

1　 CVT常见故障类型及产生机理

CVT由电容分压器和电磁单元两部分组成，其结构示意图及电气原理如图1所示。电容分压器部分由2台耦合电容器C11和C12及1台分压电容器C2叠装串联组成，每台电容器的芯子由若干电容元件串联后封装在瓷外壳内，C11和C12串联后构成电容分压器的高压电容C1，C2构成电容分压器的中压电容。电磁单元由装在同一油箱中的中间变压器、补偿电抗器L、阻尼器Z组成。补偿电抗器两端一般并联有限制过电压的保护间隙或氧化锌避雷器。电容分压器低压端N与补偿电抗器低压端X引出至油箱前侧的出线盒内，其间可接载波装置。正常运行时X端接地，载波装置退出运行时，N端应与X端可靠短接并接地。

总结CVT故障类型，按CVT各组成部件归结起来主要有以下几类常见故障：（1）电容分压器故障；（2）中间变压器故障；（3）保护间隙（避雷器）故障；（4）阻尼器故障。

1.1电容分压器故障

电容分压器由主电容C1和分压电容C2组成，故其故障主要指主电容故障和分压电容故障。电容分压器故障具体表现在运行过程中电容元件出现不同程度的受潮、老化、绝缘降低，严重时出现击穿、爆炸等现象，对CVT安全稳定运行带来极大的安全隐患［6，7］。

导致电容单元故障的原因很多。具体主要有：电容器极板间出现间隙或气泡导致绝缘弱化，产生局部放电甚至单元击穿；引箔片的分切和在电容元件卷绕过程中的插引工序不符合工艺要求，造成薄膜被刺伤，导致局部绝缘降低；电容分压器长期渗油导致电容元件长期运行在少油环境中，造成内部受潮和过热，最终烧毁电容元件；厂家干燥处理工艺不合格，残余水分较大，存在局部受潮现象，导致潜伏性缺陷等。

1.2中间变压器故障

中间变压器在CVT运行中承担变换和传递电压的作用，是CVT关键的功能部件。因中间变压器缺陷而导致CVT运行故障的案例数见不鲜，中间变压器常见的故障现象主要有高低压绕组绝缘损坏、高低压绕组出现匝间或层间短路、高压绕组出现断线等。中间变压器故障对CVT安全运行危害较大，其运行状况也成为近来关注和监测的焦点［8，9］。

从故障产生的原因看，有以下几个方面：油箱因密封不良而进水受潮，绝缘强度急剧降低，导致绕组在高电压下绝缘被击穿，出现匝间或层间短路，并对地放电；生产过程中，因一次绕组漆包线质量问题或设备过于老旧而在长期运行过程中出现匝间绝缘损坏，导致绕组首尾贯穿性短路；二次绕组短路导致一次绕组过流，最终因过热烧毁绕组造成断线；电磁单元到分压电容器之间的连接引线过长，装配时因磨损造成对箱体绝缘降低，引起放电等。

1.3保护间隙（避雷器）故障

CVT保护避雷器的作用是当C2上出现异常过电压时，保护避雷器先击穿以保护补偿电抗器、分压电容和中间变压器。虽然保护避雷器的故障率相比其他故障类型相对较低，但作为CVT内部重要的保护装置，其运行故障将造成邮箱过热、CVT角比误差变大、二次电压异常、三相电压不平衡等现象，对CVT测量、保护等功能带来严重影响［10］。

引起保护避雷器故障的主要原因有产品生产工艺把关不严谨、质量管理不到位，导致避雷器元件在高压作用下被击穿；避雷器内部存在阀体严重受潮或劣化产生放电，阀片劣化绝缘下降引起避雷器绝缘降低。

1.4阻尼器故障

CVT受到二次侧短路、断路器等冲击作用时，可能产生谐波铁磁谐振，阻尼器的作用就是消除可能产生的铁磁谐振过电压。阻尼器故障在CVT运行过程中也时有发生，阻尼器故障后，1/3次谐波将在中间回路中产生大电流和过电压，对互感器绝缘和测量仪表、继电器都将造成危害，且可能导致保护装置误动作［11］。

阻尼器故障一般是因阻尼器中电容元件缺陷而导致的过热故障。阻尼器由电容器和电抗器元件并联而成，在正常运行条件下，呈工频并联谐振状态，但电容器元件会受较大的操作过电压等作用而击穿损坏，破坏了工频谐振条件，使流过阻尼器的工频电流激增，造成电磁单元发热等现象。

2　 CVT常见故障特征监测方法

根据CVT长期现场运行经验和各种故障案例分析，目前用于CVT状态监测的方法主要有：二次电压监测法、绝缘监测法、红外热成像监测法、油色谱监测法等。

2.1二次电压监测法

CVT的电容单元及大多数电磁单元故障缺陷通常会导致二次电压异常，故对其二次电压进行监测是CVT状态监测技术中重要方法之一［12-15］。为定量分析CVT二次电压与故障特征的关系，对图1中1-2左侧部分应用戴维南定理，得其等效电路如图2所示。

图2　CVT简化等效电路

其中：C1，C2为CVT高压电容和中压电容；Rk和Lk分别为补偿电抗器及中间变压器的电阻和电感；Rm和Lm分别为中间变压器励磁支路电阻和电感；Z2为折算到一次侧的负载阻抗；Rf，Cf，Lf分别为阻尼器的电阻、电容和电感；Im，If，I2分别为流过励磁支路、阻尼器和负载的电流；U2为折算后的二次输出电压；Uc等效电压源电压。

令单只电容单元的电容量为CN，C1，C2分别有N1，N2个电容单元串联组成，则上、下节的主电容量分别为：

根据电路理论，等效电压源Uc的电压为：

根据式（2），当高压电容C1中有n个电容单元发生击穿短路后，等效电压源Uc的电压为：

当分压电容C2中有n个电容单元发生击穿短路后，等效电压源Uc的电容电压为：

由于等效电容与补偿电抗器相互补偿作用，CVT折算后的二次电压大小与等效电压源Uc近似相等。故针对电容单元故障，总结二次电压监测法的故障判据为：当高压电容C1部分出现击穿时，二次电压升高；当高压电容C2部分出现击穿时，二次电压降低。

此外，电磁单元故障通常也会引起二次电压异常。例如，中间变压器一次、二次绕组开路或短路，会造成二次电压无输出；中间变压器绕组有匝间短路、接触不良、绝缘老化、二次负荷过大等故障时，二次电压降低；电磁单元保护避雷器元件损坏，会造成中间变压器二次电压偏低等。

2.2停电试验监测法

停电预试监测法，即设备停电后，通过对其进行预防性试验，达到监测其健康状况的一种方法。CVT停电试验监测法主要包括绝缘电阻测量和电容量及介损测量、直流电阻测量3种，是CVT现场状态检修过程中判断设备良好与否的重要试验项目［16］。

绝缘电阻测量作为常规的设备运行状态监方法主要用于故障的初步排查，是检查绝缘状态最简便和最基本的方法，绝缘电阻值的大小常能灵敏地反映绝缘情况，能有效地发现设备绝缘整体受潮、脏污，以及绝缘击穿和过热老化等缺陷。

CVT介损测量可以更加精确有效地反映CVT电容单元及电磁单元的一些列缺陷，如绝缘受潮，油或浸渍物脏污、劣化变质，绝缘中有气隙放电等；CVT电容量测量可灵活反映电容器内部浸渍剂的绝缘状况以及内部元件的连接状况。若电容量升高，说明内部元件击穿或受潮；若电容量减小，说明内部元件存在开路或缺油等现象。通过计算、分析电容值，可以指导CVT的更换或检修工作。

目前，现场常用的介损及电容量测量方法有多种：上节电容C11可以采用拆除高压引线正接线方法，也可采用不拆高压引线反接线方法；下节电容C12，C2可采用串联法测量，也可采用自激法测量。

直流电阻测量主要是用于CVT电磁单元的中间变压器绕组运行状态的判断。当中间变压器一次、二次绕组出现故障后，其直流电阻值会发生明显变化，结合其他监测方法可判断具体故障类型。

2.3红外热成像监测法

根据《带电设备红外诊断技术应用导则》，CVT在正常运行时瓷套表面有一定发热，设备异常时整体或局部有明显发热，因而对设备定期进行红外线在线监测能够准确发现设备异常发热部位，及时排除事故隐患，有效防止和减少电气事故的发生。

若存在电容器单元或电磁单元温升过高或相间不平衡度过大时，应考虑设备是否存在缺陷。对于CVT可能发生故障的部位为C1，C2分压电容器部分及电磁单元部分，其中造成电磁单元故障的原因有中间变压器一次或二次线圈短路、N头、E头绝缘性能降低等。若C1，C2发生故障，流过C1，C2电容器单元的电流值则不等，表现出两电容器单元温度上的差异。若中间变压器一次绕组发生匝间短路，流过中间变压器一次侧电流增大，电磁单元油箱温度增加，二次侧输出电流减小。若中间变压器二次绕组发生短路，CVT二次端输出电压降低，一次电流增加，致使油箱温度升高。图3为某站220 kV CVT典型的油箱过热缺陷红外热像图，由图可知，B相CVT油箱温度明显高于A相、C相，其温升约为10℃，而A相、C相温升约为3℃，说明B相CVT油箱内部已发生故障。

图3　某变电站220 kV CVT油箱过热缺陷红外热像

红外在线监测诊断设备故障具有准确、实时、快速特征，日常维护中重视红外热成像的应用，通过定期对CVT进行红外监测和诊断及早发现设备的缺陷，排除事故隐患。但对CVT热像图的分析尚需进一步积累资料，CVT故障点尚需结合其他相关电气试验结果综合分析确定。当电磁单元温度异常升高后，可综合分析油相关试验结果及温升、部位等情况，对缺陷的性质进行初步判定，避免盲目停电。

2.4绝缘油色谱监测法

绝缘油里分解出的气体形成气泡，在油里对流、扩散不断地溶解在油中。这些故障气体的组成和含量与故障的类型及其严重程度密切相关。因此，绝缘油色谱分析是CVT状态监测的重要方法之一。表1为CVT油中溶解气体浓度的注意值，当油色谱分析的相应值达到表1的标准时，要引起工作人员的注意，可能存在内部放电、过热等缺陷。表2为3起不同电压等级的CVT电磁单元发生故障后，对其油箱中绝缘油进行色谱分析的试验数据，表2分别给出了35 kV，110 kV，220 kV3种电压等级下油中溶解气体成分值，表中标记为异常数据，根据三比值法，可判断其故障结果分别为低温过热、低能放电、电弧放电。

表1　CVT油中溶解气体浓度注意值μL·L-1

综上，根据CVT故障机理及监测方法，图4给出CVT故障诊断及状态监测的流程，可用于指导CVT日常监测及维护工作。

3　 CVT状态监测技术展望

随着大电网系统快速发展，电网建设规模也不断扩大。CVT作为集测量、保护、通信等功能于一体的站用设备，寻找更加灵活、准确、高效的CVT状态监测技术方法必将成为一个重要的研究方向。例如，实时监测CVT整体的运行功率，研究CVT有功损耗、无功损耗与系统运行特性之间的关系，通过对大数据的分析与研究，找到故障判据，达到评估其运行性能的目的；CVT内部发生故障后，通常存在局部放电现象，可考虑通过局部放电检测方法对CVT运行状态进行评估。

CVT在正常运行状态下，运行噪声很低，而当中间变压器故障时，油箱内部会产生幅值较大的非平稳噪声。因此，可以实时监测CVT的运行噪声，通过噪声分析（频谱分析、声级和声强分析）来判断其运行状况。此外，随着振动理论和测量方法的日趋成熟，振动监测技术已经成为故障诊断的基本技术之一，CVT中间变压器故障后常常造成箱体振动加剧，故将振动监测技术运用到CVT状态监测和故障诊断中，不失为一种较好的尝试。

在状态监测方面，基于大数据的人工智能、神经网络、混沌算法等在其他领域取得广泛成功的方法也越来越受到研究者的关注，未来这些理论和算法同样可以在CV状态监测中得到深入应用。另外，如何在故障产生前及时准确地预测可能产生的危害，提前处理故障诱因将成为另一个关注的焦点。

表2　CVT油中溶解气体浓度值μL·L-1

图4　CVT故障诊断与状态监测流程

4　结束语

总体来讲，国内外对CVT的监测技术研究并不充分，精确、高效、实时的监测技术还有待进一步开发完善。文中就CVT国内外状态监测方法及相关的运行特性进行了总结和分析，对研究CVT的状态监测及故障诊断有较大的借鉴作用，对强化CVT运行管理及优化CVT生产设计有重要意义。

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Current Status and Development of Condition M onitoring Technology for Capacitor Voltage Transformer

CHEN Taotao，LU Jin，XU Xiaofei
（StateGrid Jiangsu Electric Power CompanyMaintenance Branch，Suqian 223800，China）

Capacitor voltage transformer（CVT）is the main equipment w ith functions of measurement，protection，and communications in power system.The stable operation of CVT is very important to the security of grid.However the CVT's failure occurs sometimes and it needs much manpower and many resources to maintain.According to the field operation experience of CVT，it is still difficult to give the real-time，accurate and effective conditionmonitoring to the CVT.So the paper introduces the common failure type and mechanism of CVT's components firstly，and then describes and analyzes its existing conditionmonitoringmethods in detail.At last，the papergives the prospection to the development trend and direction of the conditionmonitoring of CVT.

CVT；conditionmonitoring；failuremechanism；electromagnetic unit；capacitor；dielectric loss

TM 451

A

1009-0665（2016）05-0063-04

陈涛涛（1989），男，江苏宿迁人，工程师，从事电气试验及故障诊断工作；

陆金（1981），男，江苏宿迁人，工程师，从事高压电力设备电气试验工作；

许小飞（1987），男，江苏如皋人，工程师，从事变电站一次设备变电检修及管理工作。

2016-04-22；

2016-06-13