一種利用零序電壓低頻振蕩幅值及持續時間在線檢測變壓器絕緣缺陷的方法

劉潤興

（云南電網有限責任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000）

0 前言

為防止電壓互感器在35 kV 及以下的非有效接地系統運行時發生鐵磁諧振[1-2]，Y 型接線電壓互感器的中性點一般裝有消諧裝置[3-4]，如圖1 所示。目前，消諧裝置一般為非線性碳化硅電阻器。一般認為，當一次消諧裝置的電阻值與電壓互感器在額定線電壓下的勵磁電抗之比大于0.06 時，可以消除鐵磁諧振。10 kV及以下一次消諧裝置的電阻值在60 kW 以上，35 kV 一次消諧裝置的電阻值在150 kW 以上。目前，基于鐵磁共振機理[13-19]，已經提出了許多抑制措施[5-12]。配電網中常用的有全絕緣電磁式電壓互感器和半絕緣電磁式電壓互感器。完全絕緣VT 是指一次繞組和二次繞組與地面之間的主絕緣承受100% 工頻試驗電壓。半絕緣電壓互感器是一種單相電壓互感器。

圖1 VT諧波消除器

一次繞組的一端直接接地。半絕緣電磁式電壓互感器具有成本低、體積小、重量輕等優點，廣泛應用于35 kV 及以下配電網系統。電壓互感器的兩個繞組之間以及繞組和鐵芯之間存在絕緣，因此兩個繞組之間以及繞組和鐵芯之間存在電氣隔離。根據絕緣類型的不同，電壓互感器可分為干式、鑄造式、油浸式和充氣式。干式電壓互感器的絕緣介質由絕緣紙、玻璃帶、聚酯薄膜等普通固體絕緣材料組成。結構簡單，無火災爆炸危險，但絕緣強度低。僅適用于6 kV 以下的室內設備。鑄造電壓互感器的絕緣介質由環氧樹脂或不飽和樹脂混合材料組成。結構緊湊，維修方便，適用于35 kV 及以下室內配電設備。油浸式電壓互感器的絕緣介質由絕緣紙和絕緣油組成。絕緣性能好，可用于10 kV 及以上戶外配電裝置。充氣式電壓互感器用于全封閉SF6電器。裝有一次消諧裝置的電壓互感器組，在單相接地（恢復）、輸電過電壓、雷電過電壓的作用下，容易在中性點（N 端）即一次消諧裝置尾部產生短時工頻過電壓，操作過電壓。過電壓的長期影響會使電壓互感器的絕緣性能逐漸惡化，直至絕緣完全破壞，變壓器損壞，如圖2 所示。電壓互感器與母線相連。如果保險絲不能迅速熔斷，故障不排除，變壓器將在開關柜內爆炸，導致母線短路。短路電流會沖擊變壓器，嚴重影響電力系統的安全穩定運行。

圖2 損壞的VT

一般來說，電壓互感器內部絕緣的劣化是不容易發現的。由于安裝了一次消諧裝置，變壓器二次電壓沒有異常，甚至絕緣被完全破壞。因此，本文提出了一種利用零序電路法的小電流擾動來實現繞組絕緣潛在故障檢測的方法[20]。該方法利用擾動后零序電壓低頻振蕩的特征參數來評價繞組的絕緣狀態，可以減少因變壓器爆炸引起的電網事故。

1 零序電路的小電流干擾

在變壓器的實際運行中，三相電壓的矢量和不為零。在本研究的方法中，在電壓互感器開口三角形繞組的兩端連接一個短路開關，并對零序電路施加一個小的電流擾動Di[21-22]。短路開關閉合一定時間后再斷開；采集測量繞組的三相電壓波形，合成零序電壓波形。然后，利用短路開關閉合時的零序電壓和短路開關斷開后零序電壓的波動來評價絕緣狀態。這種方法的原理如圖3 所示。

圖3 VT絕緣在線檢測方案

在圖3 中，標簽1a、1b和1c表示變壓器的二次端；2a、2b、2c為被測繞組；KM為短路開關；da和dn為電壓互感器開口三角形繞組的A 端和N 端；Rx是諧波消除裝置；R是電壓互感器（VT）接地端和二次端之間的絕緣電阻電壓互感器（VT）接地端和二次端之間的絕緣電阻。如果VT 繞組的絕緣性能惡化，將大大降低，等效模型。

在圖4 中，E0是小電流擾動D 的注入源，U 是VT 的一次側電壓，R1和jX1分別是變壓器的一次繞組電阻和漏抗，Rm和jXm分別是變壓器的勵磁電阻和勵磁電抗，R2′和jX2′分別為變壓器二次側的繞組電阻和漏抗，降為一次側，Rx為消諧裝置的電阻，R為絕緣電阻。

圖4 VT絕緣在線檢測的等效模型

在等效模型中，圖4 可以簡化為圖5。

圖5 變壓器絕緣在線檢測的簡化模型

在簡化模型中，從二次側測量的分閘電壓值為U1短路開關KM 閉合前，計算公式為：在簡化模型中，從二次側測量的分閘電壓值在短路開關KM 閉合前為U10，計算公式為：

等式（1）表明，由于消諧器的存在，即使絕緣完全劣化，也就是說，Z=0，U10幾乎沒有變化。此時三相二次側電壓為U1a0、U1b0、U1c0，零序電壓為3U00=U1a0+U1b0+U1c0，短路開關KM 閉合后，注入小電流擾動信號，從二次側測得的分閘電壓值為U20，如果流入Z1支路的電流為Di1，流入支路的電流為Di2，則：

短路開關KM 斷開后，小電流擾動信號D不會立即消失，并在VT 一次回路中形成循環，直到功率信號被吸收。此時，從二次側測得的電壓值為U3'，一次側電壓和小電流擾動信號dC 的疊加如下：

此時三相二次側分閘電壓為U3a'，U3b'、U3c'，零序電壓為：

公式（6）表明，當繞組絕緣損壞時，Z(orR)（或）減小，然后零序電壓最終消失，因為小電流擾動信號的振動減弱。

2 VT二次電壓值

當電壓互感器正常工作時，即零序電路未施加小電流干擾信號D，測量從電壓互感器二次端獲得的三相電壓和零序電壓。圖6 比較了變壓器繞組端部絕緣正常和擊穿（N 和1 之間的電阻為零）時獲得的值。絕緣正常時，三相電壓（二次）有效值分別為55.16 V、57.28 V和57.7 V，零序電壓為1.56 V。絕緣擊穿時，三相電壓（二次）有效值分別為57.07 V、56.08 V 和57.07 V，零序電壓為0.64 V。兩種狀態之間的振幅變化不明顯。

圖6 VT二次電壓波形的仿真結果

圖7 顯示了當VT 接地N 端的絕緣狀態正常和擊穿時，從VT 二次端獲得的三相電壓和零序電壓的測試結果。絕緣正常時，三相電壓（二次）有效值為61.33 V、59.57 V、59.72 V，零序電壓為4.3 V。絕緣擊穿時，三相電壓（二次）有效值分別為61.33 V、61.07 V 和58.92 V，零序電壓為1.08 V。兩種狀態之間的振幅變化也不明顯。

圖7 VT二次電壓波形的測試結果

仿真和試驗結果表明，無論變壓器繞組絕緣與否，由于消諧裝置的存在，電壓互感器運行正常。即三相電壓和零序電壓的幅值和波形沒有明顯變化。

3 VT絕緣試驗模擬分析

電壓互感器絕緣試驗仿真分析對該方法進行了仿真評價，模擬模型如圖8 所示。

圖8 PSCAD仿真模型

在電壓互感器的N 端和B 相電壓互感器的二次繞組1 端接上不同值的絕緣電阻，在電壓互感器的開口三角形處短接開關（K1），接上80 ms 后，斷開開關，分析了開關短路前后零序電壓的變化。圖8 中的電容是線路對地的電容，電容值為0.2 uf。由于配電網的鐵磁諧振發生在零序回路中，電網中的相間電容、母線電容器組和有功、無功負荷對諧振的貢獻不大，可以忽略不計。

3.1 模擬結果和分析

圖9 顯示了絕緣電阻為時的電壓波形0 Ω,200 Ω,和5 kΩ 時的電壓波形仿真結果與分析。

圖10 顯示了K1 關閉和打開后1 秒內的值。左欄是對數據的傅里葉分析，右欄顯示截止頻率為30 Hz 的低通濾波后的信號。

圖10 零序電壓分析結果

根據圖10 所示的濾波波形，當R 為0 時Ω，200 Ω，和5 kΩ 而K1 是閉合和開放的，具有約10 Hz 的低頻振蕩。最大振幅分別為1.5 V、1.4 V 和0.5 V。振蕩持續時間分別約為670、620 和320 ms。持續時間定義為從第一次振蕩的峰值到相對于第一次振蕩具有1/10 或更小的最大振幅的峰值的時間。圖11 顯示了當R=∞，也就是說，VT 的N 端絕緣正常。

圖11 分析結果

根據圖11 中的濾波波形，當R=￥ 當K1 工作時，發生30 hz 左右的低頻振蕩，最大振幅為0.09 V，振蕩持續時間約80 ms。

3.2 分析討論

圖12 顯示了K1 閉合和打開后，隨著絕緣電阻的變化，最大低頻振蕩幅度和持續時間為0的模擬結果

圖12 零序電壓變化

從零序電壓的變化可以看出，當絕緣電阻值為0～40 kW 時，會發生持續時間約為幾百毫秒的低頻振蕩，振蕩頻率約為10hz。電壓幅值和振蕩時間與絕緣電阻成反比，與VT 繞組的絕緣劣化程度成正比。當絕緣電阻值在10 kW至絕緣擊穿時，零序電壓低頻振蕩特征參數變化明顯。當電阻從40 kW 減小到10 kW 時，低頻振蕩參數變化相對平穩。當絕緣電阻超過40 kW 時，電壓幅值和振蕩時間與正常絕緣相差不大。當電壓互感器絕緣正常時，零序電壓出現的低頻振蕩頻率約為30hz，振蕩幅度小于0.1v。因此，為了避免VT 絕緣劣化而引起較大的電網事故，可以用這種方法來評價VT 繞組的絕緣，即VT 零序電壓低頻振蕩的不同特性。

4 VT絕緣方法

4.1 試驗方法

VT 絕緣實驗通過實驗驗證了仿真結果。試驗的基本示意圖如圖13 所示。將電壓互感器組連接至10 kV 母線，并安裝諧波消除裝置。在A 相電壓互感器一次繞組的N 端和二次繞組的1a 端連接一個固定電阻器，以模擬電壓互感器N 端絕緣的損壞。一個可控開關KM 連接到VT開口的三角形端。此外，對KM 進行遠程控制，使其閉合約50 ms。在VT 二次繞組的 2a端和2n端測量三相電壓波形。將三相電壓合成為零序電壓，并在KM 關閉前和KM 打開后觀察該電壓的變化。

圖13 測試示意圖

現場測試設置如圖14 所示。

圖14 在線檢測設備測試

4.2 測試結果與分析

圖15 顯示了當絕緣電阻R=￥, 也就是說，當VT 繞組的絕緣正常時。

圖15 絕緣正常時的電壓波形。絕緣正常時的電壓波形

在波形圖中，電壓U0顯著降低的時間段是KM 閉合時。KM 運行前后1 s 的實驗數據光譜如圖16 所示

圖16 相電壓頻譜的振幅

將KM 分閘后測得的零序電壓通過截止頻率為30 Hz 的低通濾波器，結果如圖17 所示，表明KM 分閘前后電壓無明顯差異。至A相VT端子。KM在閉合50 ms后打開。圖18顯示電阻R=5 kΩ時的電壓波形，如圖18所示，KM被破壞后，波形明顯振蕩。KM前后1 s實驗數據的頻率振幅有明顯的振蕩。KM運行前后1 s實驗數據的頻率振幅如圖19所示。

圖18 KM動作前后的電壓波形

圖19 相電壓頻譜的振幅

比較圖16 和19（R=￥在KM 閉合前，三相電壓和零序電壓的基波幅值沒有顯著差異。此外，三次諧波分量顯著減小。當R=￥，三相電壓的三次諧波幅值為4.9 v、5.2 v 和5.0 v，零序電壓的三次諧波幅值為5.7 v。當R=5 kW 時，三次諧波振幅的電壓為0.01 V、0.3 V、0.17 V（三相電壓）和0.18 V（零序電壓）。KM 斷開后，三相電壓和零序電壓的基波幅值沒有顯著差異，三次諧波分量顯著降低。當R=￥，三次諧波振幅為5 V、5.2 V、5.0 V（三相電壓）和5.7 V（零序電壓）。當R=5 kW 時，三次諧波振幅為0.03 V、0.28 V 和0.17 V（三相電壓）以及0.19 V（零序電壓）。比較KM=5 kW 運行前后的電壓譜，可以看出三相電壓的基頻幅值和三次諧波分量沒有實質性的變化。KM 斷開后的低通濾波零序電壓如圖20 所示。

圖20 零序電壓濾波器波形

當=5 kΩ 時，零序電壓發生頻率約為10 Hz，最大振幅為0.82 v 的低頻振蕩，振蕩持續時間約為520 ms。

4.3 分析討論

用KM 短接VT 開口三角形，然后將其斷開，使零序電壓出現明顯的低頻振蕩。隨著絕緣電阻的變化，濾波后的零序電壓會出現不同的U0 低頻振蕩的最大幅值和持續時間。這一趨勢如圖21 所示。

圖21 與絕緣電阻有關的零序電壓變化

當VT 的N 端子和1a 端子之間的絕緣電阻降低到5 kW 或以下時，與正常絕緣條件相比，每相電壓的三次諧波分量顯著降低。當VT 的N端子和1a 端子之間的絕緣電阻降低到5 kW 或以下時，VT 開口三角形短路并釋放，并且在閉合前和斷開后，各相電壓的三次諧波分量沒有明顯變化。圖21 顯示，通過試驗獲得的VT 繞組絕緣電阻與零序電壓低頻振蕩之間的關系與通過模擬獲得的基本相同。VT 繞組的絕緣損壞更嚴重會導致絕緣損壞抵抗力下降。當VT 開三角短路開關斷開時，零序電壓低頻振蕩幅度較大，持續時間較長。在試驗中，當模擬VT 接地N 端子的絕緣損壞時，從VT 二次端獲得的三相和零序電壓中的每一個的三次諧波分量都大大減少。然而，由于實際系統中三次諧波的幅值不僅取決于電壓互感器的零序回路，而且還取決于系統的負載特性，因此仿真并未對這一趨勢進行建模。用三相零序電壓的三次諧波幅值來評價電壓互感器接地N 端絕緣的損壞是不合理的。相比之下，零序電壓的低頻振蕩具有明顯的特征：最大振幅和持續時間與VT 繞組的絕緣損壞程度成正比，因此可以作為評估VT 繞組絕緣損壞的標準。

5 結束語

在現場試驗中，當VT 絕緣損壞時，VT 二次端各相電壓和零序電壓的三次諧波含量明顯降低，但模擬試驗不能得到這種趨勢。仿真和現場試驗結果表明，三相電壓和零序電壓的三次諧波不適用于VT 繞組絕緣損傷的評估。在仿真中，當電壓互感器繞組的絕緣電阻值在0～40 kW 范圍內時，對電壓互感器的零序回路施加較小的電流擾動，零序電壓上可檢測到10 Hz 左右的低頻振蕩。電壓互感器正常繞組和劣化繞組零序電壓的低頻振蕩表現出明顯的特征，用這種方法可以評價電壓互感器繞組的絕緣性能。具體來說，零序電壓的低頻振蕩幅度和持續時間與VT 繞組絕緣損壞的程度成正比，因此它們可以作為評估VT 繞組絕緣損壞的標準。