冲击电压下CVT传递特性及其缺陷故障检测研究

陈一悰，赵壮民，李军浩

（1.国网陕西电力科学研究院，陕西西安 710100；2.西安交通大学电气工程学院，陕西西安 710049）

0 引言

电容式电压互感器（Capacitor Voltage Transformer，CVT）用于电力系统中保护和计量单元，是电力系统中重要测量设备之一[1]，其安全可靠的运行对电力系统至关重要。

随着CVT 使用规模的扩大和电压等级的提高，CVT 现场故障频频发生，主要以CVT 的电容单元和电磁单元的绝缘缺陷故障为主[2-6]。由于CVT 内部绝缘缺陷导致其等值网络的电路参数发生变化，国内采用的方法是对CVT 进行解体来分析原因，然后提出预防此类故障的方法。因此，本文提出一种利用CVT 电压传递特性对其内部绝缘缺陷故障进行诊断的方法。目前，国内外学者针对CVT 电压传递特性获取方法进行了研究[7-10]。重庆大学司马文霞团队提出通过建立CVT 宽频导纳子模型来表征CVT 频率特性和非线性特性，准确获取宽频电压传递特性，其中试验部分采用雷电冲击电压作为激励源对仿真结果进行验证；华中科技大学刘毅等学者针对扫频法获取CVT 电压传递特性的弊端提出了基于时域回归模型的CVT 传递特性获取方法，可以有效避免扫频电源功率不够、频带受限的难题，并且采用操作冲击电压作为激励源进行模型验证；F.M.Mwaniki 和H.J.Vermeulen 等学者在文献中提到，利用冲击电压信号进行参数估计，由不同调波参数的冲击电压波形获取的电压传递响应特性有所差异。因此利用冲击电压作为激励信号来获取CVT电压传递特性是可行的，并且冲击电压相较于工频电压可以产生幅值更高、陡度更大的波形，使CVT 内部元件在高场强及高梯度电压下才能激发的缺陷暴露比工频电压灵敏得多，因此可以采用冲击电压获取CVT 宽频传递特性对其进行绝缘缺陷故障诊断。

本文以1 台35 kV 的电容式电压互感器为例，首先根据3 种不同类型冲击电压下CVT 电压传递特性的差异来确定适用于CVT 绝缘缺陷检测的冲击电压波形，其次对CVT 设置3 种常见的绝缘缺陷故障，通过CVT 故障前后的电压传递特性差异提取特征参数，实现对CVT 的绝缘缺陷故障检测。

1 CVT工作原理及试验平台搭建

1.1 CVT工作原理

CVT 由电容分压单元和电磁单元2 部分组成，电磁单元包括中间变压器和补偿电抗器。补偿电抗器的作用是与电容分压单元低压臂电容器相匹配，在工频下达到谐振状态，提高CVT 系统的带负载能力，使测量结果不受负荷变化的影响，提高测量的精度和稳定性。中间变压器则将电容分压器分出来的中间电压进一步降低，降低二次侧电压测量的难度，CVT 的电气原理如图1 所示。

图1 中，C1为CVT 电容分压单元高压臂电容，C2为CVT 电容分压单元低压臂电容，LC为CVT 电磁单元中的补偿电抗器，BL为电磁单元中的避雷器，SDT 为电磁单元中的降压变压器，ZD为速饱和型阻尼装置，1a 和1n 为CVT 二次侧1 号绕组引出端子，2a 和2n 为CVT 二次侧2 号绕组引出端子，da和dn 为CVT 二次侧剩余绕组引出端子。

图1 CVT电气原理图Fig.1 CVT electrical schematic

1.2 试验平台

试验平台等效电路如图2 所示，该模型中包含了冲击电压发生器和被试电容式电压互感器的等效电路[11-14]。互感器的额定参数见表1。

图2 冲击试验平台等效电路Fig.2 Equivalent circuit used in test platform

表1 35 kV电容式电压互感器的额定参数Table 1 Basic parameters of 35 kV capacitor voltage transformer

图2 中，左侧虚线框构成冲击电压发生电路，C0为主电容，开关K 为冲击电压发生器的球隙，Rf为波头电阻，Rt为波尾电阻；中间虚线框为电容式电压互感器的等效电路，其中RT1和LT1为降压变压器一次侧的漏阻和漏感，RT2和LT2为降压变压器二次侧等效至一次侧的漏阻和漏感，Rm和Lm为降压变压器的励磁电阻和励磁电感；右侧虚线框中CH，CL分别为电容分压器高、低压臂等效电容。

本文选择3 种不同类型的冲击试验电压波形进行冲击试验[15]，分别为雷电冲击波形（Lightning Impulse，LI）、操作冲击波形（Switching Impulse，SI）、振荡雷电冲击波形（Oscillating Lightning Impulse，OLI），研究不同频带的激励源对CVT 电压传递特性的影响。

2 无故障时CVT的传递特性研究

2.1 雷电冲击电压下CVT传递特性

在雷电冲击电压作用下，CVT 内部中间变压器的杂散参数不可忽略[16-19]，雷电流将通过中间变压器的高低压绕组之间的杂散电容传输信号，在CVT二次侧感应出振荡电压波形，典型的时域波形如图3 所示。

图3 雷电冲击试验时域波形Fig.3 Time domain waveform of lightning impulse test

由图3 可知，电容式电压互感器一次侧感应电压为雷电冲击电压，该波形的波前时间为4.8 μs，半峰时间为83.2 μs，波形满足IEC60060-3 关于雷电冲击电压峰值时间在0.8～20 μs 之间、半峰值时间在40～100 μs 之间的要求。利用傅里叶分析将时域波形转换为频域波形，将一、二次侧的各频率点电压幅值按照式（1）计算变比，获取CVT 电压传递函数H(jω)的图像如图4 所示。

图4 CVT电压传递特性（雷电冲击试验）Fig.4 CVT voltage transfer characteristics（lightning impulse test）

式中：U1(jω)为一次侧电压；U2(jω)为二次侧电压；|H(jω) |为CVT 一二次侧电压之间的变比；θ(jω)为CVT 一二次侧电压之间的相位差。

由图4 可知，电容式电压互感器在无绝缘故障情况下的电压传递函数在7.5 kHz 处有一最大峰值点，除此之外在0.3 kHz，4.1 kHz 和10 kHz 处分别有明显的谐振峰[20-22]。

2.2 操作冲击电压下CVT电压传递特性

电容式电压互感器在操作冲击试验中，由于操作冲击电压波前时间相对较长，冲击电流可以使中间变压器励磁达到饱和状态[23-25]，因此操作冲击电压波形在经过试品后，由CVT 二次侧感应出的电压波形出现了振荡，典型的时域波形如图5 所示。

图5 操作冲击试验时域波形Fig.5 Time domain waveform of switching impulse test

由图5 可知，电容式电压互感器一次侧感应电压为操作冲击电压，该波形的波前时间为43 μs，半峰时间为2 624.8 μs，波形满足IEC60060-3 关于操作冲击电压峰值时间在20～400 μs 之间、半峰值时间在1 000～4 000 μs 之间的要求。

操作冲击电压下获取的CVT 电压传递特性如图6 所示。

图6 CVT电压传递特性（操作冲击试验）Fig.6 CVT voltage transfer characteristics（switching impulse test）

由图6 可知，电容式电压互感器在无绝缘故障情况下的电压传递函数有多处明显的谐振峰，在4.15 kHz 处有一最大峰值点，除此之外在0.3 kHz，7.75 kHz 和10.2 kHz 处分别有明显的谐振峰。

2.3 振荡操作冲击电压下CVT电压传递特性

振荡波是IEC60060-3 推荐的现场试验波形，具有产生效率高、易于调波、适合现场使用等优点。在主电容充电电压相同的情况下，可提高输出电压，输出电压迅速上升到峰值，然后伴随着频率在1～15 kHz 之间的阻尼振荡下降至零，典型的时域波形如图7 所示。

图7 振荡型操作冲击试验时域波形Fig.7 Time domain waveform of oscillating switching impulse test

由图7 可知，一次侧电压输入信号可以感应出标准的振荡操作冲击电压，振荡频率为12 kHz，取出频域中的各频率点数据，获得其电压传递特性如图8 所示。由图8 可知，CVT 电压传递特性曲线主要谐振峰频率为0.34 kHz，4.16 kHz，7.72 kHz 和10.33 kHz。

图8 CVT电压传递特性（振荡操作冲击试验）Fig.8 CVT voltage transfer characteristics（oscillating switching impulse test）

由不同类型冲击电压波形获取的CVT 电压传递函数的谐振点频率分布见表2，其中将3 个明显的谐振点按照频率由低到高分别命名为谐振点1、谐振点2 和谐振点3，下同。

表2 CVT电压传递函数谐振点频率分布Table 2 Frequency distribution of resonance point of CVT voltage transfer function kHz

由表2 可知，在无故障状态下CVT 电压传递函数的主要谐振点频率基本一致，证明不同类型冲击电压波形对获取CVT 电压传递函数影响不大。对比3 种冲击电压波形特点，振荡波易于调波且产生效率较高，适用于现场，因此本文对CVT 绝缘缺陷进行故障检测采用的冲击电压波形为振荡型操作冲击电压波形。

3 CVT绝缘缺陷故障诊断研究

3.1 绝缘缺陷故障类型

根据电容式电压互感器的结构特征，常见的绝缘缺陷故障有以下3 种。

1）缺陷1。电磁单元中间变压器高压绕组尾端的调节绕组对地短路，当变压器绕组发生对地短路时，短路通道会出现弧道电阻，本文采用1 Ω电阻模拟此弧道电阻，如图9 所示。

图9 中间变压器高压绕组对地短路试验线路示意图Fig.9 Diagram of ground short-circuit test circuit of intermediate transformer high-voltage winding

2）缺陷2。中间变压器高压绕组首端匝间短路故障，采用导线将变压器高压绕组不同匝之间进行短接，试验线路如图10 所示。

图10 中间变压器高压绕组匝间短路试验线路示意图Fig.10 Diagram of inter-turn short-circuit test circuit of the intermediate transformer high-voltage winding

3）缺陷3。补偿电抗器以及附加调相绕组在运行过程中由于受热不均匀导致匝间短路，即将补偿电抗器绕组的不同匝之间进行短接，如图11 所示。

图11 补偿电抗器匝间短路试验线路示意图Fig.11 Diagram of inter-turn short-circuit test circuit of compensation reactor

3.2 不同绝缘缺陷下的CVT传递特性对比

根据第2 章的试验流程以及数据分析方法，将不同绝缘缺陷故障条件下由振荡型操作冲击试验获取的CVT 电压传递函数试验结果汇总，如图12 所示。

图12 CVT电压传递函数汇总图Fig.12 Summary graph of CVT voltage transfer function

由图12 可以看出，在不同绝缘缺陷条件下，由振荡操作冲击电压试验获取的电压传递函数在低频段差异明显，因此，当CVT 内部存在绝缘缺陷故障时，可以根据冲击试验获取CVT 电压传递函数进行故障诊断；缺陷1 与缺陷2 属于同一种故障类型（中间变压器高压绕组对地短路、匝间短路），所以这2 种缺陷状态下获取的电压传递函数在0.3 kHz附近有谐振点，但谐振点对应的频率变化不一致，其余谐振点频率未发生偏移；缺陷3 属于补偿电抗器故障，由其电压传递函数可知，在0.3 kHz 附近的谐振点消失，可以认为CVT 补偿电抗器故障对电压传递函数的低频段影响较大。将不同缺陷下电压传递函数谐振点频率汇总见表3。

表3 电压传递函数谐振点频率分布（不同缺陷故障）Table 3 Frequency distribution of resonance point of voltage transfer function（faults with different defects）kHz

结合表2、表3 可知，不同缺陷故障条件下的电压传递函数主要谐振点对应的频率发生了变化，缺陷1 是中间变压器绕组对地短路故障，谐振点1 的频率较正常状态下的频率向右偏移25 Hz；缺陷2是中间变压器绕组匝间短路故障，谐振点1 的频率较正常状态下的频率向左偏移300 Hz；缺陷3 是补偿电抗器匝间短路故障，谐振点1 消失。

根据电压传递函数的理论计算方法可知，电压传递函数波形中有3 个谐振点，即CVT 拓扑结构中有3 组电感、电容回路，也包括杂散电容的影响，通过试验结果可知，CVT 内部的3 种缺陷主要影响了电压传递函数的低频段，中高频段未受影响，其中对CVT 传递特性影响最严重的故障是补偿电抗器的匝间短路。

由于电容式电压互感器等值电路组成的电感电容电阻网络中，存在明显的谐振点，在电容式电压互感器发生故障时，网络中等值元件参数会发生变化，谐振点也会随之变化，这对应用传递函数法进行CVT 绝缘缺陷故障诊断提供了支撑，本文的研究结果表明在利用电压传递函数进行CVT 绝缘缺陷检测时具有较高的灵敏性。

4 结论

本文以1 台35 kV 的电容式电压互感器为试验对象，通过试验结果分析，得出了以下结论：

1）由3 种不同类型冲击电压试验获取的CVT宽频电压传递函数在无故障状态下基本一致，因此3 种冲击电压波形都可以作为利用冲击试验进行故障诊断的参考冲击电压波形，但振荡型操作冲击电压波形具有易于调波，效率高，适用于现场试验等优点，是获取CVT 电压传递函数的最佳冲击波形。

2）对CVT 内部设置几种典型的绝缘缺陷，由振荡操作冲击电压获取的电压传递函数可以发现，CVT 故障前后的谐振频率点以及整体的传函变化情况是不一致的，可以利用振荡操作冲击试验获取CVT 电压传递函数对CVT 进行故障诊断，为现场开展CVT 冲击响应分析提供理论指导。