基于電流互感器的非開斷式操作電壓測試技術研究

何文林，魏澤民，楊 智，陳 珉

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

基于電流互感器的非開斷式操作電壓測試技術研究

何文林1，魏澤民2，楊 智1，陳 珉1

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

以CTH型倒置式電流互感器為對象，建立了流過電流互感器末屏接地端子的電流與一次電壓之間的傳遞關系計算模型，分析了介質損耗值、電容量對傳遞系數的影響，給出了絕緣正常電流互感器傳遞系數極限偏差，并試驗驗證了不同幅值操作沖擊電壓作用下傳遞系數的最大偏差。

電流互感器；傳遞關系；非開斷；過電壓

0 引言

由變壓器、斷路器和線路等一次設備組成的電力網中，通過斷路器的分合閘操作完成運行方式的改變，實現電能的重新分配。當系統運行狀態發生突變時，一次設備的電感元件、電容元件之間電磁能量發生快速轉換，形成一個強阻尼、震蕩性的過渡過程，將在電氣設備上產生暫態性質的操作沖擊電壓。常見的操作沖擊電壓有分合閘空載線路過電壓、分合閘空載變壓器過電壓、弧光接地過電壓以及解列過電壓等。

依據相關標準的規定[1]，操作沖擊電壓指波頭時間大于或等于20 μs的沖擊電壓，標準操作沖擊電壓的波頭時間為（250±20%）μs、半峰值時間為（2 500±60%）μs。對于252 kV以上電壓等級的電氣一次設備（如電流互感器），操作沖擊電壓的峰值是決定其絕緣水平的關鍵參數之一。

運行經驗表明，操作沖擊電壓下易誘發電流互感器絕緣缺陷、絕緣故障[2]。電力部門通常采用仿真計算[3]或結合交接試驗進行實測[4]來獲取操作沖擊電壓水平。仿真計算的優點是運行工況的覆蓋面較廣，可以模擬各種不同運行方式、各種不同操作方式，獲取沖擊電壓水平；不足之處是，計算獲得的操作沖擊電壓水平會隨著模型參數的改變而改變，而真實、準確的模型參數往往很難獲得，導致計算結果的可信度值得懷疑。結合交接試驗進行操作沖擊電壓水平實測，通常需在停電情況下斷開套管、電流互感器末屏，接入電壓取樣裝置，帶電測量操作沖擊電壓水平后，再次停電拆除電壓取樣裝置，然后恢復系統正常運行。交接試驗時實測操作沖擊電壓水平，存在以下3方面問題：

（1）交接試驗時運行方式極其有限，不能完全覆蓋系統投入運行后各種可能的運行方式和操作方式，實測操作沖擊電壓水平不一定非常典型。

（2）電壓取樣裝置的頻率響應特性，直接影響由套管或電流互感器和電壓取樣裝置組成的分壓器的頻率響應特性，導致操作沖擊電壓水平測試結果的不唯一性。

（3）出于設備安全考慮，斷開套管、電流互感器末屏，接入電壓取樣裝置的測試方式，不能用于系統運行時操作沖擊電壓的在線監測。

基于電流互感器末屏接地電流與一次電壓值的傳遞關系，以下分析了互感器不同絕緣狀態下傳遞關系的變化規律，建立了基于CTH電流互感器的非開斷式操作電壓測試方法，可實現操作沖擊電壓的在線監測。

1 測試原理

電流互感器是電力系統中常用的電氣一次設備，主要作用是將高電壓、大電流轉換成低電壓、小電流，為電能計量和繼電保護提供信號源。按電流互感器結構形式分類，主要有正立式電流互感器和倒置式電流互感器2類，隨著電壓等級的不斷提高，倒置式電流互感器得到廣泛應用[5]，其中CTH-550型電流互感器是一種典型的油浸倒置式電流互感器。

CTH-550型電流互感器結構如圖1所示。互感器頭部頂端裝有不銹鋼膨脹器，頭部儲油柜采用鑄鋁件，其內裝有二次器身，用于傳輸一次電流的一次導桿從二次器身的鐵芯中穿過。主絕緣全部包在二次器身上，主絕緣分成頭部絕緣和直線段絕緣2部分，由若干個電容屏組成。互感器外絕緣采用高強瓷，二次端子板采用整體澆筑式結構，二次端子板上有末屏引出端子，正常運行時末屏引出端子處于接地狀態。

倒置式電流互感器的絕緣由主電容屏和末屏組成[6]，采用同軸結構，具有不畸變被測波形和分壓比穩定的特點[7]，沖擊電壓頻率響應特性良好，范圍可達2 MHz。基于CTH電流互感器的非開斷式操作電壓測試原理如圖2所示。

電流互感器一次側承受電壓為U時，流過末屏接地端子的電流i為：

式中：ic為電流i的容性分量，ic=ωcu；iR為電流i的阻性分量，iR=ictanδ，tanδ為互感器的介質損耗值。由式（1）可得到電流i的有效值I：

圖1 CTH-550型電流互感器結構示意

圖2 非開斷式操作電壓測試原理

由式（3）可知，流過電流互感器末屏接地端子的電流值與一次電壓值之間存在函數關系，對某一特定頻率的電壓來說，傳遞系數僅與電流互感器的電容量C和介質損耗值tanδ有關。

定義傳遞系數K如下：

2 絕緣性能對傳遞系數的影響分析

電容量和介質損耗值是影響互感器絕緣性能的主要參數，相同型號的電流互感器，設計時擁有相同的電容量和介質損耗值控制目標。由于制造工藝的差異，各臺互感器出廠時電容量和介質損耗值不完全相同，因此每臺互感器原始的傳遞系數存在細微差異。互感器原始的傳遞系數可以通過出廠電壓沖擊試驗準確獲得。

電流互感器投入系統運行后，在電、熱等因素的綜合作用下，絕緣性能可能發生劣化，測試結果表現在電容量和/或介質損耗值的改變[8]，通常是電容量往大、小兩個方向的雙向變化和介質損耗值往大方向的變化。

2.1 電容量變化對傳遞系數的影響

設某臺介質損耗值為tanδ的電流互感器，其電容量由初始狀態的C1改變為最終狀態的C2，相應的傳遞系數也由Kc1變化為Kc2。

定義電容量變化引起傳遞系數改變的相對偏差為Kc：

將式（4）和（5）代入式（6）可得：

由此可見，傳遞系數與電容量變化率呈線性關系。

2.2 介質損耗值變化對傳遞系數的影響

設某臺電容量為C的電流互感器，其介質損耗值由初始狀態的tanδ1改變為最終狀態的tanδ2，相應的傳遞系數也由 Ktanδ1變化為 Ktanδ2。

定義介質損耗值變化引起傳遞系數改變的相對偏差為 Ktanδ：

將式（8）和（9）代入式（10）可得：

因 tanδ1?1， tanδ2?1， 可式（11）可知， 介質損耗值變化對傳遞系數的影響非常小。

2.3 極限狀態下傳遞系數的偏差

對于投入電網運行的電流互感器，電力企業按照規程定時進行絕緣狀態的例行試驗[9]，當介質損耗值或電容量超出標準要求時，互感器的絕緣狀態進入極限狀態，通常的檢修策略是修復或更換[10]。

對500 kV電壓等級CTH型電流互感器而言，實測電容量與初始電容量的偏差不得超過±5%，實測介質損耗值不得超過0.007。極限狀態與初始狀態相比，假設電容量往大、小兩個方向變化5%，初始介質損耗值為tanδ。則傳遞系數的相對偏差DK分別見式（12）和（13），經計算得到不同初始介質損耗值時極限偏差見圖3。

由圖3可知，極限狀態與初始狀態相比，傳遞系數的相對偏差在5%以內，可以滿足現場操作過電壓測量要求。

圖3 DK與不同初始介損值的關系

3 試驗驗證

操作沖擊電壓作用下，倒置式電流互感器傳遞特性測試回路見圖4。

圖4 操作沖擊傳遞特性接線示意

沖擊電壓發生器用于產生標準操作沖擊電壓波形，通過電容分壓器對操作沖擊電壓進行直接測量，沖擊電壓施加于倒置式電流互感器的一次導桿上，互感器的鋁管和末屏接線端、二次接線以及底座均接地，通過高頻電流傳感器和數字示波器檢測接地線上的電流。

對某臺型號為CTH-550的倒置式電流互感器在實驗室進行了傳遞特性實測，測試結果如表1所示。

表1 CTH-550型電流互感器傳遞系數測試結果

由表1可知，不同幅值操作沖擊電壓作用下，傳遞系數計算結果略有差異，與平均值相比的最大偏差在6%以內，可滿足操作過電壓水平工程測量要求[11，12]。

4 結語

以CTH型倒置式電流互感器為對象，建立了傳遞關系計算模型，通過檢測末屏接地引下線電流，實現電流互感器一次側過電壓水平監測。研究結論可指導電容型套管等類似結構電力設備的過電壓監測。

（1）流過電流互感器末屏接地端子的電流值與一次電壓值之間存在函數關系，對某一特定頻率的電壓來說，傳遞系數僅與電流互感器的電容量和介質損耗值有關。

（2）傳遞系數與電容量變化率呈線性關系，介質損耗值變化對傳遞系數的影響較小。

（3）在電容量最大偏差±5%、介質損耗值達到0.007的極限狀態下，傳遞系數的相對偏差在5%以內，可以滿足現場操作過電壓測量要求。

[1]GB/T 16927.1-2011高電壓試驗技術 第1部分：一般定義及試驗要求[S].北京：中國標準出版社，2011.

[2]陳斌，朱亮，許蓬萊.油浸式電流互感器一次繞組故障實例分析[J].浙江電力，2009，28（6）∶76-79.

[3]喬豐稔.500 kV斷路器切空載線路重燃原因分析[J].浙江電力，2001，20（6）∶23-24.

[4]胡文堂，李君.500 kV溫州變電所開關合閘電阻選擇[J].浙江電力，1999，18（4）∶23-25.

[5]王世閣.倒置式電流互感器運行狀況分析及提高安全運行性能的建議[J].變壓器，2009，46（9）∶64-68.

[6]蔣良勝.倒置式電流互感器爆炸的原因分析[J].福建電力與電工，2005，25（3）∶30-31.

[7]張永輝，常安碧，甘延青，等.一種同軸高壓電容分壓器的設計[J].高電壓技術，2003，29（1）∶37-38.

[8]劉義華，張國強，金建國.油浸倒置式電流互感器的介質損耗測量方法[J].浙江電力，2007，26（2）∶59-61.

[9]Q/GDW 1168-2013輸變電設備狀態檢修試驗規程[S].北京：中國電力出版社，2014.

[10]趙志英，萬江文.LB-220型電流互感器爆炸的原因分析和防范措施[J].南昌水專學報，2001，20（4）∶23-25.

[11]岳功昌，劉衛東，陳維江，等.氣體絕緣開關設備中特快速瞬態過電壓的全過程測量方法[J].中國電機工程學報，2011，31（31）∶18-26.

[12]雷振，葉劍烽，郁哲亮.20 kV電網電壓暫降及其應對措施研究[J].浙江電力，2015，34（5）∶10-13.

Research on Testing Technology of Non-breaking Operating Voltage Based on Current Transformer

HE Wenlin1，WEI Zemin2，YANG Zhi1， CHEN Min1

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；2.State Grid Jiaxing Power Supply Company， Jiaxing Zhejiang 314033， China）

Taking CTH type inverted current transformer as the object，this paper establishes a calculation model of transitive relation between the current flowing through the end screen terminal and the primary voltage of the current transformer； besides， it analyzes the effect of the dielectric loss value and capacitance on the transfer coefficient.Finally，it gives the limit deviation of transfer coefficient of the current transformer with normal insulation and verifies the maximum deviation of transfer coefficient under different operating impulse voltages.

current transformer； transitive relation； non-breaking； overvoltage

10.19585/j.zjdl.201709005

1007-1881（2017）09-0024-04

TM452

B

2017-05-19

何文林（1963），男，教授級高工，從事電氣一次設備絕緣結構、試驗、故障診斷、處理及科學研究；輸變電設備狀態檢修；電氣設備在線監測及帶電檢測工作。

（本文編輯：方明霞）