带电检测电容型电流互感器/套管末屏接地断开故障可行性研究

童 歆，罗 浪，夏 天，周 凯，朱世明

(1.国网湖北省电力公司电力科学研究院高压电气设备现场试验技术国网重点实验室，湖北 武汉 430077;2.国网湖北省电力公司检修公司，湖北 武汉 430077)

0 引言

电流互感器是电力系统中用于电流测量、计量和保护等方面的重要设备。它利用一定的比例关系将大电流变换为小电流，将高、低电压进行隔离，并配备适当的电流表计，起到测量高电压交流电路内大电流的作用。容性电流互感器一般采用油绝缘方式，其内部为油纸复合绝缘。电容型套管是重要的变电站设备，广泛应用于变压器和互感器等高压电力设备中，也作为穿墙套管独立使用[1-3]。

电容型电流互感器和套管利用电容分压原理调整电场，使导电管的径向和轴向电场分布更均匀，其末屏通过小套管引出，便于测量介质损耗因数和电容量,以判断互感器的绝缘状况，但在运行中为了保证设备和人身安全，末屏必须可靠接地[4,5]。

近几年电网发生多起因电容型电流互感器和套管末屏接地断开故障引发的电网安全事故，因此设备带电运行状态下，及时发现末屏接地断开故障，并安排停电检修，能够有效地避免电网安全事故[6-9]。

以下介绍了多种带电检测电容型电流互感器和套管末屏接地断开故障的方法，并通过对比试验，验证带电检测该类缺陷故障的可行性。

1 末屏结构和理论分析

油浸式电容型电流互感器和套管的主绝缘结构采用绝缘纸和铝箔电极交替缠绕在导电管上，组成一串同心圆柱型串联电容器，使电场均匀分布在径向和轴向上，电容屏数目越多，绝缘中电场分布越均匀。主绝缘经真空干燥而除去内部空气与水分，并用变压器油充分浸渍处理后成为电气性能极高的油纸组合绝缘体，从而使绝缘耐受电压水平得到极大提高。其中靠近高压导电部分的第一个屏为首屏，它与一次导电部分相连，最外一层屏称为末屏，通过套管引出接地。利用末屏可以测量其电容屏的电容量和介损，从而判断电容屏的绝缘状况[10-12]。

运行中的电容型电流互感器和套管等效电路如图1(a)所示，其中R1、C1分别为互感器一次绕组对末屏的电阻和电容（主电容），R2、C2分别为末屏对地的电阻和电容[13]。根据图1(a)，末屏对地电位为：

图1 电容型电流互感器/套管等效电路Fig.1 Equivalent circuit of capacitive CT/bushing

式(1)中，R1—互感器一次绕组对末屏的电阻；

C1—互感器一次绕组对末屏的电容；

R2—末屏对地的电阻；

C2—末屏对地的电容。

当末屏可靠接地时，R2≈0，末屏对地电位 U2≈0。

当末屏接地不良或悬空时，R2趋于无穷大，且R1远大于 1/ωC1，电路模型可简化为图1(b)，末屏对地电位为：

一般地，电容式CT/套管的主电容C1为数百皮法，当末屏接地不良或悬空时，末屏对地电位可高达千伏级以上，甚至数十千伏，该电位足以造成末屏对地放电，烧毁附近的绝缘物，引发严重事故。

2 模拟试验

当末屏接地断开时，会引起末屏对地发生放电，伴随有声、光、电等放电现象，此时高压设备一般处于运行状态，只能通过带电检测设备进行检测。常用的带电检测设备有紫外成像仪、超声波测试仪、宽频局部放电测试仪、超高频局部放电测试仪等。本实验通过在高压试验大厅利用110 kV电流互感器模拟末屏接地断开的故障，利用多种带电检测设备同时检测，分析比较各检测结果。

在高压试验大厅选用110 kV电流互感器作为试品，其末屏在端子箱内，将末屏端子不接地，利用工频升压装置对其一次端子施加高压，用于模拟末屏接地断开的故障，试验回路示意图如图2所示。

图2 末屏接地断开故障试验回路示意图Fig.2 Schematic diagram of test loop for bushing tap ground fault

试验中选用的调压器输出电压为0∽400 V，容量为15 kVA，变压器额定电压为0.4/60 kV，容量为15 kVA。升压过程中，利用紫外成像仪、超声检测仪、宽频局部放电检测仪、超高频局部放电检测仪和AIS放电点检测定位仪同时检测放电信号，并记录检测结果。一般110 kV变电站内巡检路线距离一次高压设备不小于3 m，因此试验过程中，在距离被试品3 m处进行检测。宽频局部放电测试仪的测量传感器须加压前将其接入试验回路，测量试品外壳与地线间的高频电流信号，通过分析高频电流信号判断高压设备绝缘状况。各检测仪器设备参数如表1所示。

表1 各带电检测设备参数Tab.1 Parameters of test devices

当试验电压升高至29.6 kV时，电流互感器内部有明显的放电声响，紫外仪检测成像如图3所示，端子箱外部无放电现象。此时放电点应在电流互感器油箱内部，由于末屏处于悬浮电位，对油箱外壳或二次绕组放电。

图3 紫外成像仪检测结果Fig.3 Test results of UV imager

试验前利用超声波测试仪测量高压试验大厅背景噪声，约为15 dB，当被试品末屏处发生放电时，超声波测试仪测量结果几乎不变，约为15 dB。由于放电点在油箱内部，油箱能够屏蔽一定的超声信号，而且超声信号在空气介质中衰减较快，不易检测。因此，超声波测试仪不能检测末屏接地断开故障。

超高频局部放电测试仪检测结果如图4所示。根据专家系统进行分析，检测信号为典型悬浮电位放电信号。

宽频局部放电测试仪在现场检测宽频电流信号一般不大于50 mV，当电流峰值大于1 V时，需加强观测，缩短检测周期。试验时，其检测结果如图5所示。检测信号幅值较大，明显超过其测量范围，远远大于注意值1 V，说明被试品已存在明显的放电点。

图4 超高频局部放电测试仪检测结果Fig.4 Test results of UHF partial discharge tester

图5 宽频局部放电测试仪检测结果Fig.5 Test results of broadband PD tester

AIS放电点检测定位仪检测结果如图6所示。该设备通过天线接收放电点辐射到空间中的电磁波信号，记录每个天线测量的时域波形和频域波形。由于每个天线的空间位置不同，接收到放电信号的时刻也不同。根据接收信号的时间差和天线空间排列位置，可以计算放电点的方位，并明确指明放电点和天线阵列的向对方位，如图6所示。

图6 AIS放电点检测定位仪检测结果Fig.6 Test results of AIS partial discharge position indicator

3 试验分析

当正常运行的电流互感器或套管末屏接地断开时，会发生末屏对地放电的现象，但末屏接地处如有盖帽，会屏蔽放点产生的光子，因此，利用紫外成像仪不能检测邮箱或盖帽内的放电故障。

超声波测试仪受超声信号在空气中传播的影响，只能近距离地检测超声信号，在现场检测中几乎不能检测出末屏接地断开故障。

超高频局部放电测试仪在实验室中能够检测末屏接地断开时产生的放电信号，通过专家系统准确判断其放电类型。但超高频局部放电测试仪采用的高频传感器为定向天线，只能接收某一个方向的放电信号。在现场检测时，高压设备多，环境复杂，不易采集到有效放电信号。该测试仪天线检测频段为0∽3 GHz，能够检测低频电晕放电信号和手机通讯信号等，会引入较多的干扰信号。因此，在现场检测时，利用超高频局部放电测试仪很难检测末屏接地断开故障。

宽频局部放电测试仪通过检测接地线中高频电流，分析高频电流的波形和PRPD谱图判断设备的绝缘状况。由于现场检测时，高压设备一般处于运行状态，很难将测量传感器接入测量回路。若采用该检测方法，须在停电检修时对高压设备末屏接地线进行改造，将宽频电流传感器接入试验回路。

AIS放电点检测定位仪采用4个全向天线构成的天线阵列作为接收放电信号的传感器，能够接受各个方向的放电信号，进而计算放电信号的方位。接收天线的检测频段为100 MHz∽700 MHz，能够有效屏蔽低频段的电晕放电、手机通讯和电视广播等干扰信号。高频信号在空间中较超声信号衰减小，能够检测较远距离发出的放电信号。因此，AIS放电点检测定位仪能够较准确地检测末屏接地断开故障，并根据方向指示准确判断发生故障的高压设备。

4 结语

通过实验室验证和现场检测分析，得出以下结论：

（1）利用紫外成像仪、超声波测试仪和超高频局部放电测试仪不能在现场发现末屏接地断开故障；

（2）利用宽频局部放电测试仪能够检测该类故障，但须对末屏进行接地改造；

（3）利用AIS放电点检测定位仪能够有效快速地发现该类故障，并定位发生放电的高压设备。