一起基于ATP-EMTP仿真的电容式电压互感器故障的分析研究

郭晓君 吴文斌 许 军 黄海鲲

（国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007）

一起基于ATP-EMTP仿真的电容式电压互感器故障的分析研究

郭晓君 吴文斌 许 军 黄海鲲

（国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007）

介绍了一起220kV线路电容式电压互感器（CVT）的故障情况，通过对该CVT进行解体检查和试验，建立了ATP-EMTP模型，根据试验数据和仿真分析认为阻尼电阻断线后二次负载突变导致CVT产生谐振过电压是故障的主要原因，最后提出了CVT电磁单元定期取油、增加在线监测系统谐波分析功能等防范类似故障的措施。

CVT；在线监测；铁磁谐振；ATP-EMTP

与传统的定期检修相比，状态检修能够根据设备状态确定检修时间和检修策略，是未来电力设备检修发展的必然趋势。在线监测是实现状态检修的基础和根据[1-2]，在电力系统中已广泛运用，对提高电力系统安全稳定运行有着重要的意义。

电容式电压互感器实现了一次电压到二次电压的变换，是电力系统实现计量、保护和测控的关键设备[3]，其稳定性直接关系到电能计量的准确性和保护控制的正确性[4]。针对某起在线监测发现的CVT故障，本文介绍了故障经过，对故障原因进行了深入分析，并从在线监测、运行维护和改造升级等方面提出防范措施。

1 故障情况

2013年12月23日，某220kV线路CVT电压显示异常，电压值在 80～180V之间波动，综自后台机与测控装置显示，该线路开关同期电压采样值在88～188V之间波动，正常电压应为100V。在线监测信息表明，当日21时，该CVT的泄漏电流和电容量分别为228.2mA、5417.28pF，在线监测数据正常；22时在线监测泄漏电流跳跃增长至346.8mA，电容量跳跃增长至 8176.06pF，其后泄漏电流在260～350mA之间波动，在线监测系统告警。经检测，该CVT的在线监测装置工作正常，初步判断为CVT本体异常。

2 现场检查与试验分析

图1 CVT结构图

2.1 现场检查

为了查找故障原因，现场检查了 CVT相关回路，结果表明其接线正确，端子均已紧固。由末屏引出线处测得泄漏电流为 290.3mA，较正常值（230mA）有明显增长。使用示波器对该CVT二次电压波形进行监视，发现波形严重畸变。红外热成像检测发现该CVT下节温度较上节高约0.5～1℃。

现场停电开展分压电容器诊断性试验，试验结果见表1。试验结果发现分压电容C2明显增大，超过正常情况下电容量7.47%，表明C2内部可能存在局部击穿现象。

随即该线路转检修，用备用 CVT更换了该CVT，重新转运行后该线路电压波形、在线监测泄漏电流显示正常。

表1 CVT分压电容器诊断性试验数据

2.2 解体分析

由于CVT二次电压波形严重畸变，电磁单元可能存在故障，随后在实验室对电磁单元进行了解体。检查发现，电磁单元上部封盖存在明显的积水和锈蚀痕迹，接线柱积污严重；电磁单元内部油质劣化严重，绝缘油呈黑褐色，有强烈的刺激性异味；上盖密封圈安装不正且存在明显的剪切纹，进水受潮的通道较明显，密封圈内侧已被油溶解，封盖内侧积存大量的油泥以及橡胶老化产物；af、xf绕组（辅助绕组）与阻尼电阻连接线断开，断点在阻尼绕组的抽出点位置，失去抑制铁磁谐振的作用。CVT电磁单元检查情况如图2所示。

取电磁单元绝缘油取样分析，油中水分含量为1000mg/L（运行标准≤35mg/L），酸 值 为8.95mgKOH/g（运行标准≤0.1mgKOH/g），介损为74%（运行标准≤4%）[5]，远远超出运行标准，电磁单元密封失效进水，油质严重劣化。

图2 CVT电磁单元检查情况

2.3 试验分析

在实验室对电磁单元进行了试验，结果表明阻尼绕组阻值正常，补偿电抗器线性度良好，而在对中间变压器进行了空载、负载试验时发现中间变压器铁心线性度较差。表 2、表 3分别为中间变压器空载、负载试验测得的数据（试验时在一次侧加压），图3为根据表2数据得到的空载时中间变压器U-I有效值关系曲线（即励磁特性），可见中间变压器在正常工况下已运行在非线性区域。

表2 中间变压器空载试验数据

表3 中间变压器负载试验数据

图3 中间变压器U-I有效值关系曲线

3 ATP-EMTP仿真分析

由于实验室中难以复制现场运行工况，为了进一步探索CVT故障原因，本文采用ATP-EMTP仿真软件，模拟CVT实际发生的故障。

3.1 仿真模型建立

ATP-EMTP电磁暂态计算程序仿真的基本思路是用微分方程描述各元件过渡过程中的电压电流关系[6]。CVT的仿真模型如图4所示，主要包括分压电容，中间变一次侧的绕组电阻和漏抗、中间变二次侧（主绕组和辅助绕组折算到一次侧）的绕组电阻和漏抗，中间变励磁电抗，补偿电抗和阻尼电阻等，模型参数可根据试验数据得到。图4中的V、I标志为电压电流采样点。

图4 CVT仿真模型

根据 2.3试验结果可知，中间变压器在正常工况下已运行在非线性区域，因此在仿真模型中将励磁电抗简化成非线性电感。ATP-EMTP中非线性电感的参数设置为ψ-i瞬时值特性，在2.3试验中已得到励磁电抗的 U-I有效值关系曲线，可将其转换成非线性电感的ψ-i瞬时值关系曲线，目前已有诸多文献对转换方法进行了研究[7-10]。其基本方法如下：

根据式（1）可将电压转换为磁链

式中，U为施加电压的有效值；ω为电流角频率。

继而采用式（2）的牛顿迭代法求解即可得到磁链和电流的瞬时值关系。

本文采用ATP-EMTP中的SATURATION程序实现U-I有效值关系曲线与ψ-i瞬时值关系曲线的转换：提供非线性电感的频率、额定电压、容量以及电流电压的标么值，程序将自动采用分段线性化的方法求解各点的ψ-i瞬时值[6]。该方法简单易行，且达到仿真精度要求。图5为转换后得到的非线性电感ψ-i瞬时值关系曲线。

图5 非线性电感的ψ-i瞬时值关系曲线

3.2 分压电容C2变化对中间变电压及在线监测取样电流的影响

为了探索 CVT故障原因，首先模拟分压电容C2明显增大的情况。当分压电容C2从额定值增大为784500pF时，电压幅值降低，电流幅值略有降低，但其波形均无明显畸变，如图 6、图 7所示，可以认为C2的变化不是在线监测数据异常的主要原因。

图6 分压电容C2变化时的中间变电压波形

图7 分压电容C2变化时的在线监测取样电流波形

3.3 阻尼电阻断线对中间变电压及在线监测取样电流的影响

接下来对CVT阻尼电阻断线的情况进行仿真，分压电容C2为额定值730000pF，二次负载在0.21s时发生了突变，图 8、图 9分别为该条件下中间变电压波形和在线监测取样电流波形。可以看出，此时中间变产生了铁磁谐振，谐振过电压和过电流幅值远大于正常工况下的数值，电压波形中包含分次谐波及奇次谐波（以3次为主），且由于得不到有效的阻尼，谐振长期保持。仿真波形与现场实测波形性质基本相符。

图8 阻尼电阻断线后二次负载发生突变的中间变电压波形

图9 阻尼电阻断线后二次负载发生突变的在线监测取样电流波形

图 10为阻尼电阻作用情况下二次负载发生突变的中间变电压和在线监测取样电流波形，可以看出，阻尼电阻能明显快速的阻尼谐振过电压。

图10 阻尼电阻作用下二次负载发生突变的电压电流波形

3.4 中间变压器的线性度对中间变电压及在线监测取样电流的影响

为了模拟中间变压器的线性度对CVT的影响，对中间变压器励磁电感线性时，阻尼电阻断线并且二次负载突变的情况进行了仿真，此时励磁电感取线性段的平均值 324.7H，分压电容 C2为额定值730000pF，二次负载同样在 0.21s时发生了突变，图 11、图 12为该条件下中间变电压波形和在线监测取样电流波形。可以看出，电压和电流波形都能恢复到二次负载突变前的状态，但电压波形需要经历约2200个周波后才能恢复正常。

图11 阻尼电阻断线后二次负载发生突变的中间变电压波形（中间变励磁电感线性时）

图12 阻尼电阻断线后二次负载发生突变的在线监测取样电流波形（中间变励磁电感线性时）

经过以上仿真，可以认为阻尼电阻断线后二次负载发生突变是该 CVT发生铁磁谐振并长时间自持的主要原因。由于中间变在正常运行时铁心已处于饱和状态，当辅助绕组的阻尼电阻断线后，二次侧负载发生突变激发了铁磁谐振，而铁磁谐振产生的过电流和过电压可能导致分压电容器 C2过热甚至局部击穿，使C2增大。同时，由于中间变电压失去了阻尼电阻的阻尼作用，谐振长期保持，使得测控装置和在线监测装置测得的电压电流数值呈震荡状态。

4 结论

综上，CVT中间变的铁磁谐振是这起故障的主要原因。中间变的励磁特性差及阻尼电阻断线后二次负载发生突变是激发铁磁谐振的诱因，阻尼电阻断线失去阻尼作用是铁磁谐振长时间自持的主要因素。由于铁磁谐振长时自持在分压电容C2上产生高幅值的震荡电压与电流，使其发热增加并导致局部击穿。

该CVT电磁单元因密封圈损伤以及老化，导致外部水分侵入并导致绝缘油劣化，绝缘油的劣化产物进一步对密封圈造成腐蚀溶解，引起密封性能的进一步恶化，使电磁单元进水受潮。因电磁单元采用全封闭结构且一次绕组内部直接接地，造成日常无法取油及进行绝缘测试，导致无法检测到进水缺陷。另外，该老式CVT的阻尼器采用电阻型结构，由两个线绕被釉电阻串联构成，其连接线为细铜丝合股组成的铜线，每股铜丝非常纤细，安装时、运行振动和在油腐蚀下，容易造成断股。因此，为了防范相似故障，本文建议在CVT设计时，加固阻尼器连接，并考虑设置电磁单元取油孔，运维人员应定期对CVT进行取油分析，检测其密封性能和受潮情况。在CVT运输安装过程中，应杜绝振动和野蛮施工，防止造成密封圈损伤或阻尼电阻断线。对仍在运行的老式CVT应加强巡视和检查。

该CVT在开展预防性试验6个月之后即发生故障，因此加强在线监测实现状态检修对提高设备可靠性有关键意义。此外，对油浸式CVT可考虑进行绝缘油在线监测，并建议在线监测系统增加谐波分析功能，提高对可能发生的铁磁谐振的监测能力，并有助于判断数据异常的原因。

[1]王楠, 陈志业, 律方成.电容型设备绝缘在线监测与诊断技术综述[J].电网技术, 2003, 27(8): 72-76.

[2]王昌长, 李福祺, 高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断[M].北京: 清华大学出版社, 2006.

[3]凌子恕.高压互感器技术手册[M].北京: 中国电力出版社, 2005.

[4]乔立凤, 高敬更, 温定筠, 等.电容式电压互感器二次电压异常分析处理［J］.电子测量技术，2013，36（2）：116-118.

[5]Q/FJG 10029.2—2004.电力设备交接和预防性试验规程[S].

[6]李璿, 叶国雄, 王晓琪, 等.用 ATP-EMTP研究1000kV CVT的暂态特性[J].高电压技术, 2008, 34(9): 1850-1855.

[7]李谦, 陈猷清, 王晓瑜, 等.变压器和电磁式电压互感器铁心励磁特性转换方法的探讨[J].变压器, 1993, 30(12): 10-13.

[8]王秉钧.含铁芯电感线圈磁链、励磁电流特性曲线的转换问题[J].高电压技术, 1984, 10(4): 88-94.

[9]董海波, 史丽萍.电磁式电压互感器和变压器励磁特性曲线转换方法的分析与应用[J].电工技术杂志, 1999, 18(2): 36-38.

[10]闰静.马志瀛, 汤安.含铁心线圈励磁特性求取方法的探讨[J].高电压技术, 2006, 32(8): 11-13.

Analysis and Research of a Capacitor Voltage Transformer Failure based on ATP-EMTP Simulation

Guo Xiaojun Wu Wenbin Xu Jun Huang Haikun
(State Grid Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007)

A fault condition of a 220kV transmission line Capacitor Voltage Transformer (CVT) is introduced.Through disassembly check, experimental study and simulation based on ATP-EMTP software of the faulty CVT, the main fault cause that sudden load change in the secondary side after the disconnection of the damping resistor leads to resonance overvoltage is found.In the end, some suggestions are given to avoid similar failures such as taking and analyzing oil from the electromagnetic unit, adding harmonic analysis functionality in the On-line Monitoring system and so on.

Capacitor Voltage Transformer(CVT); on-line monitoring; ferromagnetic resonance; ATP-EMTP

郭晓君（1984-），女，福建省仙游县人，博士，工程师，主要从事电力系统过电压与柔性直流输电方面的研究。