基于SCADA 系統(tǒng)的CVT 缺陷排查與分析

邱煒，林岑，郭超，羅楊，高竣，楊紅權(quán)，劉彥琴，劉鑫，陳佳，曾曉維

（1.國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司，成都 610000；2.四川宏業(yè)益森電力有限公司，成都 610000）

0 引言

電壓互感器可將電網(wǎng)一次電壓采集轉(zhuǎn)化供保護、計量及測控等裝置使用，可分為電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器（capacitor voltage transformer，CVT）[1-3]。CVT 主要由電容分壓器和中間電壓電磁單元組成，由于其體積小、重量輕、維護方便和價格便宜等優(yōu)點，在110 kV 及以上電壓等級變電站內(nèi)廣泛應(yīng)用[4-6]。但是，受設(shè)計水平、制造工藝等多種因素的影響[5-8]，CVT 質(zhì)量問題較多，在現(xiàn)場運行中故障率遠遠高于常規(guī)的電磁式電壓互感器和耦合電容器，嚴重時導致主絕緣擊穿，引起電容器爆炸，威脅電網(wǎng)的安全運行[9-12]。

目前，涉及CVT 固定式帶電檢測技術(shù)主要包括泄漏電流、本體介損、本體電容量檢測技術(shù)。但是上述3 種技術(shù)需要將信號從設(shè)備末屏中引出，往往要更改末屏結(jié)構(gòu)，不僅工作量大，而且?guī)硪欢ǖ倪\行風險，且本體介損、電容量的固定式帶電檢測技術(shù)往往受到天氣、溫度的影響，導致結(jié)果波動較大，不能很好的發(fā)現(xiàn)設(shè)備的早期絕緣故障[13-15]。

據(jù)統(tǒng)計，目前某電網(wǎng)在役電壓互感器約3 000 臺，其中CVT 占比達47.1%，均全部用于常規(guī)站和半GIS 站，要實現(xiàn)如此龐大體量的CVT 設(shè)備狀態(tài)的評估，周期長且工作量大，難以獲得及時反饋。利用SCADA 系統(tǒng)的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)CVT 缺陷的提前發(fā)現(xiàn)和及時處理，相比紅外巡視、停電例行試驗等方法具有更強靈活性和及時性。本文介紹了基于SCADA 系統(tǒng)的CVT 缺陷排查方法，分析了其中典型CVT 缺陷閉環(huán)檢修處理案例，可為今后其他電網(wǎng)設(shè)備缺陷的在線排查與及時處理提供參考經(jīng)驗[16-18]。

1 CVT等效電路

CVT 主要由電容分壓器和中壓變壓器兩部分組成，其典型電氣接線見圖1。

圖1 CVT電氣接線圖Fig.1 Electrical wiring diagram of CVT

CVT 等效電路見圖2 所示。圖中：R1、X1分別為一次側(cè)繞組的等值電阻和等值電抗；R2、X2分別為歸算到一次側(cè)的二次側(cè)繞組的等值電阻和等值電抗；Rm、Xm分別為勵磁回路的等值電阻和等值電抗；RL、XL分別為補償電抗器的等值電阻和等值電抗；Zd為阻尼電阻的等值阻抗。

圖2 CVT等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of CVT

由于一、二次繞組的等值電阻R1、R2、RL遠小于其感抗，忽略R1、R2、RL，其余電抗之和為X總，根據(jù)電路基本原理可得到下列公式

綜合公式（1）-（3），推導得到

2 基于SCADA系統(tǒng)的CVT數(shù)據(jù)挖掘

電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)整合了各個層級的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)調(diào)度控制中心統(tǒng)一管控，其中一個重要的層級就是智能監(jiān)控[22-31]，即數(shù)據(jù)收集層——數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（supervisory control and data acquisition，SCADA），他依托電網(wǎng)已有的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實時地將電壓、電流等電力系統(tǒng)信息收集并匯總，通過訪問其數(shù)據(jù)庫即可獲得CVT 的電壓實時或歷史數(shù)據(jù)。結(jié)合前文理論分析可以知道，通過追蹤電壓數(shù)據(jù)的變化情況，就可以基于現(xiàn)有系統(tǒng)實現(xiàn)對CVT 狀態(tài)的在線監(jiān)測，排查其潛在缺陷，達到精準消缺的目的[32]。文獻[32]也結(jié)合此理論，開展了基于SCADA 的在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究，側(cè)重于在線監(jiān)測系統(tǒng)的理論構(gòu)建。為了構(gòu)建扎實的實踐基礎(chǔ)，本文依托SCADA 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)，落腳于CVT 缺陷的現(xiàn)場排查，以此來完善此理論并驗證其有效性。

通過對同站同類型CVT 電壓數(shù)據(jù)的橫向和縱向比較，對某地區(qū)100 多座變電站開展CVT 電壓差異排查，通過到變電站對源端電壓進行核實，排除二次部分缺陷及干擾，初步發(fā)現(xiàn)CVT 電壓異常8 組，如下表1 所示。

表1 異常CVT統(tǒng)計Table 1 Statistic of abnormal CVT

需要跟蹤監(jiān)測26 組，已停電解體驗證4 組，均存在部分電容單元擊穿，應(yīng)用成效顯著。下文結(jié)合其中一起典型案例詳細介紹基于SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的CVT 缺陷發(fā)現(xiàn)與分析。

3 典型案例

3.1 缺陷排查

基于SCADA 系統(tǒng)對110 kV 甲站143 間隔二次側(cè)三相電壓監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)三相電壓不平衡，對站上源端電壓進行復(fù)測，數(shù)據(jù)一致，對該站所有二次端電壓進行篩選統(tǒng)計，母線電壓均有兩組二次端子采集，所有二次端子采集的具體電壓數(shù)據(jù)見表2。

表2 甲站所有CVT二次電壓統(tǒng)計Table 2 All CVT secondary voltage statistics of station Jia

由上表可以看到，母線兩組二次端子采集的電壓誤差在0.8 V 以內(nèi)，且同一組二次端子采集A，B，C 三相電壓的誤差更小，橫向?qū)Ρ认噜忛g隔以及I 母、II 母二次側(cè)電壓，143 間隔二次電壓三相間存在明顯不平衡，相間二次電壓偏差達9.8 V，B 相電壓明顯偏低，判斷143 線路B 相CVT 存在缺陷。

3.2 診斷試驗

對線路143 B 相CVT 開展停電診斷試驗，診斷試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 110 kV甲金線143 B相CVT診斷數(shù)據(jù)Table 3 Diagnostic data of CVT of phase B of 110kV Jiajin 143 line

3.1.1 電容量分析

根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)計算出一次繞組C總出廠值為

根據(jù)自激法診斷數(shù)據(jù)結(jié)果計算出一次繞組C總實測值為

C1初值差為

C2初值差為

C總初值差為

對比2014 年總電容量歷史值以及C1、C2銘牌值，2020 年該CVT 電容量變化較大，其總的電容初值差達7.27%，不滿足規(guī)程要求（初值差≤2%），因此懷疑CVT 內(nèi)部電容元件存在擊穿缺陷。

3.1.2 變比分析

根據(jù)銘牌電容量計算一次繞組電容額定分壓比為

根據(jù)CVT 銘牌其總變比k=1 100，推算中間變壓器變比為

根據(jù)診斷試驗數(shù)據(jù)實測該異常CVT 一次繞組電容分壓比變?yōu)?/p>

假設(shè)中間變壓器無異常，變比不變，由此可推出該異常CVT 實際變比k′計算值為

k′=K′n=5.64×228.5=1 288.78（13）

可見，該CVT 變比計算值（1 288.78）與B 相變比實測值（1 282）基本吻合，證實中間變壓器變比正常，排除中間變壓器故障。

取一次側(cè)A 相電壓作為線路參考電壓67.1 kV，計算出該異常CVT 二次側(cè)采集電壓U應(yīng)為

可見，理論計算值52.07 V 與實際B 相二次側(cè)采集值52.4 V 相吻合，排除二次電壓采集回路故障。

綜合診斷試驗數(shù)據(jù)理論分析，排除中間變壓器和二次電壓采集回路故障，判斷該CVT 內(nèi)部電容單元存在缺陷，建議后續(xù)解體檢修要對電容單元進行重點檢查。

3.3 解體驗證

隨后對該CVT 開展解體工作，對各部件進行充分檢查。中壓變壓器結(jié)構(gòu)見圖3，分別對中間變壓器、補償電抗和避雷器進行檢查和測試，外觀無異常，且變比、直流電阻、絕緣電阻、勵磁特性等試驗數(shù)據(jù)均合格，與上述理論計算分析結(jié)果一致，排除中壓變壓器各設(shè)備故障。

圖3 中壓變壓器解體圖Fig.3 Disintegration diagram of medium voltage transformer

該CVT 的電容器上下節(jié)分別由76 片電容元件串聯(lián)疊裝組成，再由絕緣支架固定，最后封裝在充油瓷瓶內(nèi)部，兩個電容元件之間由鋁制引箔片連接，其中C1有61 片，C2有15 片，用容值表對解體之后的每一片電容元件進行電容量測量，如圖4 所示，正常電容元件的電容量為1.2 μF 左右，故障電容元件的電容量異常偏大。

圖4 電容單元電容量測試圖Fig.4 Capacitance test diagram of capacitor unit

圖5 C1電容元件燒蝕圖Fig.5 Burning trace of capacitor element C1

4 結(jié)語

通過對SCADA 系統(tǒng)中CVT 電壓數(shù)據(jù)的排查與統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)多個變電站CVT 存在異常，進一步診斷分析確定了CVT 電容單元可能存在擊穿等故障，利用一起解體案例驗證了理論分析與數(shù)據(jù)排查的有效性，一定程度上實現(xiàn)了對CVT 狀態(tài)的實時監(jiān)控與預(yù)警，為精準檢修策略提供了依據(jù)，避免了缺陷進一步發(fā)展引發(fā)電網(wǎng)事故。同時該方法可及時有效發(fā)現(xiàn)潛在缺陷，克服了傳統(tǒng)例行試驗發(fā)現(xiàn)缺陷周期較長的問題。此外，由于CVT 一次側(cè)為幾十甚至上百個電容單元串聯(lián)而成，單個電容單元的擊穿不會引起較為明顯的電壓不平衡率，但串聯(lián)電容的擊穿將導致其他電容單元承受的電壓增大，加大缺陷進一步發(fā)展的概率，最終引發(fā)CVT 爆炸等事故發(fā)生，因此更需要實時關(guān)注CVT 電壓值等信息的變化情況，建議后續(xù)進一步深化應(yīng)用基于SCADA 系統(tǒng)的CVT 缺陷排查，結(jié)合站內(nèi)巡視結(jié)果，主動排查缺陷，及時給出預(yù)警與檢修策略，避免缺陷劣化。