一种利用零序电压低频振荡幅值及持续时间在线检测变压器绝缘缺陷的方法

刘润兴

（云南电网有限责任公司临沧供电局，云南 临沧 677000）

0 前言

为防止电压互感器在35 kV 及以下的非有效接地系统运行时发生铁磁谐振[1-2]，Y 型接线电压互感器的中性点一般装有消谐装置[3-4]，如图1 所示。目前，消谐装置一般为非线性碳化硅电阻器。一般认为，当一次消谐装置的电阻值与电压互感器在额定线电压下的励磁电抗之比大于0.06 时，可以消除铁磁谐振。10 kV及以下一次消谐装置的电阻值在60 kW 以上，35 kV 一次消谐装置的电阻值在150 kW 以上。目前，基于铁磁共振机理[13-19]，已经提出了许多抑制措施[5-12]。配电网中常用的有全绝缘电磁式电压互感器和半绝缘电磁式电压互感器。完全绝缘VT 是指一次绕组和二次绕组与地面之间的主绝缘承受100% 工频试验电压。半绝缘电压互感器是一种单相电压互感器。

图1 VT谐波消除器

一次绕组的一端直接接地。半绝缘电磁式电压互感器具有成本低、体积小、重量轻等优点，广泛应用于35 kV 及以下配电网系统。电压互感器的两个绕组之间以及绕组和铁芯之间存在绝缘，因此两个绕组之间以及绕组和铁芯之间存在电气隔离。根据绝缘类型的不同，电压互感器可分为干式、铸造式、油浸式和充气式。干式电压互感器的绝缘介质由绝缘纸、玻璃带、聚酯薄膜等普通固体绝缘材料组成。结构简单，无火灾爆炸危险，但绝缘强度低。仅适用于6 kV 以下的室内设备。铸造电压互感器的绝缘介质由环氧树脂或不饱和树脂混合材料组成。结构紧凑，维修方便，适用于35 kV 及以下室内配电设备。油浸式电压互感器的绝缘介质由绝缘纸和绝缘油组成。绝缘性能好，可用于10 kV 及以上户外配电装置。充气式电压互感器用于全封闭SF6电器。装有一次消谐装置的电压互感器组，在单相接地（恢复）、输电过电压、雷电过电压的作用下，容易在中性点（N 端）即一次消谐装置尾部产生短时工频过电压，操作过电压。过电压的长期影响会使电压互感器的绝缘性能逐渐恶化，直至绝缘完全破坏，变压器损坏，如图2 所示。电压互感器与母线相连。如果保险丝不能迅速熔断，故障不排除，变压器将在开关柜内爆炸，导致母线短路。短路电流会冲击变压器，严重影响电力系统的安全稳定运行。

图2 损坏的VT

一般来说，电压互感器内部绝缘的劣化是不容易发现的。由于安装了一次消谐装置，变压器二次电压没有异常，甚至绝缘被完全破坏。因此，本文提出了一种利用零序电路法的小电流扰动来实现绕组绝缘潜在故障检测的方法[20]。该方法利用扰动后零序电压低频振荡的特征参数来评价绕组的绝缘状态，可以减少因变压器爆炸引起的电网事故。

1 零序电路的小电流干扰

在变压器的实际运行中，三相电压的矢量和不为零。在本研究的方法中，在电压互感器开口三角形绕组的两端连接一个短路开关，并对零序电路施加一个小的电流扰动Di[21-22]。短路开关闭合一定时间后再断开；采集测量绕组的三相电压波形，合成零序电压波形。然后，利用短路开关闭合时的零序电压和短路开关断开后零序电压的波动来评价绝缘状态。这种方法的原理如图3 所示。

图3 VT绝缘在线检测方案

在图3 中，标签1a、1b和1c表示变压器的二次端；2a、2b、2c为被测绕组；KM为短路开关；da和dn为电压互感器开口三角形绕组的A 端和N 端；Rx是谐波消除装置；R是电压互感器（VT）接地端和二次端之间的绝缘电阻电压互感器（VT）接地端和二次端之间的绝缘电阻。如果VT 绕组的绝缘性能恶化，将大大降低，等效模型。

在图4 中，E0是小电流扰动D 的注入源，U 是VT 的一次侧电压，R1和jX1分别是变压器的一次绕组电阻和漏抗，Rm和jXm分别是变压器的励磁电阻和励磁电抗，R2′和jX2′分别为变压器二次侧的绕组电阻和漏抗，降为一次侧，Rx为消谐装置的电阻，R为绝缘电阻。

图4 VT绝缘在线检测的等效模型

在等效模型中，图4 可以简化为图5。

图5 变压器绝缘在线检测的简化模型

在简化模型中，从二次侧测量的分闸电压值为U1短路开关KM 闭合前，计算公式为：在简化模型中，从二次侧测量的分闸电压值在短路开关KM 闭合前为U10，计算公式为：

等式（1）表明，由于消谐器的存在，即使绝缘完全劣化，也就是说，Z=0，U10几乎没有变化。此时三相二次侧电压为U1a0、U1b0、U1c0，零序电压为3U00=U1a0+U1b0+U1c0，短路开关KM 闭合后，注入小电流扰动信号，从二次侧测得的分闸电压值为U20，如果流入Z1支路的电流为Di1，流入支路的电流为Di2，则：

短路开关KM 断开后，小电流扰动信号D不会立即消失，并在VT 一次回路中形成循环，直到功率信号被吸收。此时，从二次侧测得的电压值为U3'，一次侧电压和小电流扰动信号dC 的叠加如下：

此时三相二次侧分闸电压为U3a'，U3b'、U3c'，零序电压为：

公式（6）表明，当绕组绝缘损坏时，Z(orR)（或）减小，然后零序电压最终消失，因为小电流扰动信号的振动减弱。

2 VT二次电压值

当电压互感器正常工作时，即零序电路未施加小电流干扰信号D，测量从电压互感器二次端获得的三相电压和零序电压。图6 比较了变压器绕组端部绝缘正常和击穿（N 和1 之间的电阻为零）时获得的值。绝缘正常时，三相电压（二次）有效值分别为55.16 V、57.28 V和57.7 V，零序电压为1.56 V。绝缘击穿时，三相电压（二次）有效值分别为57.07 V、56.08 V 和57.07 V，零序电压为0.64 V。两种状态之间的振幅变化不明显。

图6 VT二次电压波形的仿真结果

图7 显示了当VT 接地N 端的绝缘状态正常和击穿时，从VT 二次端获得的三相电压和零序电压的测试结果。绝缘正常时，三相电压（二次）有效值为61.33 V、59.57 V、59.72 V，零序电压为4.3 V。绝缘击穿时，三相电压（二次）有效值分别为61.33 V、61.07 V 和58.92 V，零序电压为1.08 V。两种状态之间的振幅变化也不明显。

图7 VT二次电压波形的测试结果

仿真和试验结果表明，无论变压器绕组绝缘与否，由于消谐装置的存在，电压互感器运行正常。即三相电压和零序电压的幅值和波形没有明显变化。

3 VT绝缘试验模拟分析

电压互感器绝缘试验仿真分析对该方法进行了仿真评价，模拟模型如图8 所示。

图8 PSCAD仿真模型

在电压互感器的N 端和B 相电压互感器的二次绕组1 端接上不同值的绝缘电阻，在电压互感器的开口三角形处短接开关（K1），接上80 ms 后，断开开关，分析了开关短路前后零序电压的变化。图8 中的电容是线路对地的电容，电容值为0.2 uf。由于配电网的铁磁谐振发生在零序回路中，电网中的相间电容、母线电容器组和有功、无功负荷对谐振的贡献不大，可以忽略不计。

3.1 模拟结果和分析

图9 显示了绝缘电阻为时的电压波形0 Ω,200 Ω,和5 kΩ 时的电压波形仿真结果与分析。

图10 显示了K1 关闭和打开后1 秒内的值。左栏是对数据的傅里叶分析，右栏显示截止频率为30 Hz 的低通滤波后的信号。

图10 零序电压分析结果

根据图10 所示的滤波波形，当R 为0 时Ω，200 Ω，和5 kΩ 而K1 是闭合和开放的，具有约10 Hz 的低频振荡。最大振幅分别为1.5 V、1.4 V 和0.5 V。振荡持续时间分别约为670、620 和320 ms。持续时间定义为从第一次振荡的峰值到相对于第一次振荡具有1/10 或更小的最大振幅的峰值的时间。图11 显示了当R=∞，也就是说，VT 的N 端绝缘正常。

图11 分析结果

根据图11 中的滤波波形，当R=¥ 当K1 工作时，发生30 hz 左右的低频振荡，最大振幅为0.09 V，振荡持续时间约80 ms。

3.2 分析讨论

图12 显示了K1 闭合和打开后，随着绝缘电阻的变化，最大低频振荡幅度和持续时间为0的模拟结果

图12 零序电压变化

从零序电压的变化可以看出，当绝缘电阻值为0～40 kW 时，会发生持续时间约为几百毫秒的低频振荡，振荡频率约为10hz。电压幅值和振荡时间与绝缘电阻成反比，与VT 绕组的绝缘劣化程度成正比。当绝缘电阻值在10 kW至绝缘击穿时，零序电压低频振荡特征参数变化明显。当电阻从40 kW 减小到10 kW 时，低频振荡参数变化相对平稳。当绝缘电阻超过40 kW 时，电压幅值和振荡时间与正常绝缘相差不大。当电压互感器绝缘正常时，零序电压出现的低频振荡频率约为30hz，振荡幅度小于0.1v。因此，为了避免VT 绝缘劣化而引起较大的电网事故，可以用这种方法来评价VT 绕组的绝缘，即VT 零序电压低频振荡的不同特性。

4 VT绝缘方法

4.1 试验方法

VT 绝缘实验通过实验验证了仿真结果。试验的基本示意图如图13 所示。将电压互感器组连接至10 kV 母线，并安装谐波消除装置。在A 相电压互感器一次绕组的N 端和二次绕组的1a 端连接一个固定电阻器，以模拟电压互感器N 端绝缘的损坏。一个可控开关KM 连接到VT开口的三角形端。此外，对KM 进行远程控制，使其闭合约50 ms。在VT 二次绕组的 2a端和2n端测量三相电压波形。将三相电压合成为零序电压，并在KM 关闭前和KM 打开后观察该电压的变化。

图13 测试示意图

现场测试设置如图14 所示。

图14 在线检测设备测试

4.2 测试结果与分析

图15 显示了当绝缘电阻R=¥, 也就是说，当VT 绕组的绝缘正常时。

图15 绝缘正常时的电压波形。绝缘正常时的电压波形

在波形图中，电压U0显著降低的时间段是KM 闭合时。KM 运行前后1 s 的实验数据光谱如图16 所示

图16 相电压频谱的振幅

将KM 分闸后测得的零序电压通过截止频率为30 Hz 的低通滤波器，结果如图17 所示，表明KM 分闸前后电压无明显差异。至A相VT端子。KM在闭合50 ms后打开。图18显示电阻R=5 kΩ时的电压波形，如图18所示，KM被破坏后，波形明显振荡。KM前后1 s实验数据的频率振幅有明显的振荡。KM运行前后1 s实验数据的频率振幅如图19所示。

图18 KM动作前后的电压波形

图19 相电压频谱的振幅

比较图16 和19（R=¥在KM 闭合前，三相电压和零序电压的基波幅值没有显著差异。此外，三次谐波分量显著减小。当R=¥，三相电压的三次谐波幅值为4.9 v、5.2 v 和5.0 v，零序电压的三次谐波幅值为5.7 v。当R=5 kW 时，三次谐波振幅的电压为0.01 V、0.3 V、0.17 V（三相电压）和0.18 V（零序电压）。KM 断开后，三相电压和零序电压的基波幅值没有显著差异，三次谐波分量显著降低。当R=¥，三次谐波振幅为5 V、5.2 V、5.0 V（三相电压）和5.7 V（零序电压）。当R=5 kW 时，三次谐波振幅为0.03 V、0.28 V 和0.17 V（三相电压）以及0.19 V（零序电压）。比较KM=5 kW 运行前后的电压谱，可以看出三相电压的基频幅值和三次谐波分量没有实质性的变化。KM 断开后的低通滤波零序电压如图20 所示。

图20 零序电压滤波器波形

当=5 kΩ 时，零序电压发生频率约为10 Hz，最大振幅为0.82 v 的低频振荡，振荡持续时间约为520 ms。

4.3 分析讨论

用KM 短接VT 开口三角形，然后将其断开，使零序电压出现明显的低频振荡。随着绝缘电阻的变化，滤波后的零序电压会出现不同的U0 低频振荡的最大幅值和持续时间。这一趋势如图21 所示。

图21 与绝缘电阻有关的零序电压变化

当VT 的N 端子和1a 端子之间的绝缘电阻降低到5 kW 或以下时，与正常绝缘条件相比，每相电压的三次谐波分量显著降低。当VT 的N端子和1a 端子之间的绝缘电阻降低到5 kW 或以下时，VT 开口三角形短路并释放，并且在闭合前和断开后，各相电压的三次谐波分量没有明显变化。图21 显示，通过试验获得的VT 绕组绝缘电阻与零序电压低频振荡之间的关系与通过模拟获得的基本相同。VT 绕组的绝缘损坏更严重会导致绝缘损坏抵抗力下降。当VT 开三角短路开关断开时，零序电压低频振荡幅度较大，持续时间较长。在试验中，当模拟VT 接地N 端子的绝缘损坏时，从VT 二次端获得的三相和零序电压中的每一个的三次谐波分量都大大减少。然而，由于实际系统中三次谐波的幅值不仅取决于电压互感器的零序回路，而且还取决于系统的负载特性，因此仿真并未对这一趋势进行建模。用三相零序电压的三次谐波幅值来评价电压互感器接地N 端绝缘的损坏是不合理的。相比之下，零序电压的低频振荡具有明显的特征：最大振幅和持续时间与VT 绕组的绝缘损坏程度成正比，因此可以作为评估VT 绕组绝缘损坏的标准。

5 结束语

在现场试验中，当VT 绝缘损坏时，VT 二次端各相电压和零序电压的三次谐波含量明显降低，但模拟试验不能得到这种趋势。仿真和现场试验结果表明，三相电压和零序电压的三次谐波不适用于VT 绕组绝缘损伤的评估。在仿真中，当电压互感器绕组的绝缘电阻值在0～40 kW 范围内时，对电压互感器的零序回路施加较小的电流扰动，零序电压上可检测到10 Hz 左右的低频振荡。电压互感器正常绕组和劣化绕组零序电压的低频振荡表现出明显的特征，用这种方法可以评价电压互感器绕组的绝缘性能。具体来说，零序电压的低频振荡幅度和持续时间与VT 绕组绝缘损坏的程度成正比，因此它们可以作为评估VT 绕组绝缘损坏的标准。