基于SCADA 系統的CVT 缺陷排查與分析

邱煒，林岑，郭超，羅楊，高竣，楊紅權，劉彥琴，劉鑫，陳佳，曾曉維

（1.國網四川省電力公司成都供電公司，成都 610000；2.四川宏業益森電力有限公司，成都 610000）

0 引言

電壓互感器可將電網一次電壓采集轉化供保護、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點，在110 kV 及以上電壓等級變電站內廣泛應用[4-6]。但是，受設計水平、制造工藝等多種因素的影響[5-8]，CVT 質量問題較多，在現場運行中故障率遠遠高于常規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，威脅電網的安全運行[9-12]。

目前，涉及CVT 固定式帶電檢測技術主要包括泄漏電流、本體介損、本體電容量檢測技術。但是上述3 種技術需要將信號從設備末屏中引出，往往要更改末屏結構，不僅工作量大，而且帶來一定的運行風險，且本體介損、電容量的固定式帶電檢測技術往往受到天氣、溫度的影響，導致結果波動較大，不能很好的發現設備的早期絕緣故障[13-15]。

據統計，目前某電網在役電壓互感器約3 000 臺，其中CVT 占比達47.1%，均全部用于常規站和半GIS 站，要實現如此龐大體量的CVT 設備狀態的評估，周期長且工作量大，難以獲得及時反饋。利用SCADA 系統的現有數據，可實現CVT 缺陷的提前發現和及時處理，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 系統的CVT 缺陷排查方法，分析了其中典型CVT 缺陷閉環檢修處理案例，可為今后其他電網設備缺陷的在線排查與及時處理提供參考經驗[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分別為一次側繞組的等值電阻和等值電抗；R2、X2分別為歸算到一次側的二次側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系統的CVT數據挖掘

電網調度控制系統整合了各個層級的數據，實現調度控制中心統一管控，其中一個重要的層級就是智能監控[22-31]，即數據收集層——數據采集與監視控制系統（supervisory control and data acquisition，SCADA），他依托電網已有的數據采集設備，實時地將電壓、電流等電力系統信息收集并匯總，通過訪問其數據庫即可獲得CVT 的電壓實時或歷史數據。結合前文理論分析可以知道，通過追蹤電壓數據的變化情況，就可以基于現有系統實現對CVT 狀態的在線監測，排查其潛在缺陷，達到精準消缺的目的[32]。文獻[32]也結合此理論，開展了基于SCADA 的在線監測系統的研究，側重于在線監測系統的理論構建。為了構建扎實的實踐基礎，本文依托SCADA 系統中數據，落腳于CVT 缺陷的現場排查，以此來完善此理論并驗證其有效性。

通過對同站同類型CVT 電壓數據的橫向和縱向比較，對某地區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，初步發現CVT 電壓異常8 組，如下表1 所示。

表1 異常CVT統計Table 1 Statistic of abnormal CVT

需要跟蹤監測26 組，已停電解體驗證4 組，均存在部分電容單元擊穿，應用成效顯著。下文結合其中一起典型案例詳細介紹基于SCADA 系統數據的CVT 缺陷發現與分析。

3 典型案例

3.1 缺陷排查

基于SCADA 系統對110 kV 甲站143 間隔二次側三相電壓監視，發現三相電壓不平衡，對站上源端電壓進行復測，數據一致，對該站所有二次端電壓進行篩選統計，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據見表2。

表2 甲站所有CVT二次電壓統計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，且同一組二次端子采集A，B，C 三相電壓的誤差更小，橫向對比相鄰間隔以及I 母、II 母二次側電壓，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，診斷試驗數據見表3。

表3 110 kV甲金線143 B相CVT診斷數據Table 3 Diagnostic data of CVT of phase B of 110kV Jiajin 143 line

3.1.1 電容量分析

根據銘牌數據計算出一次繞組C總出廠值為

根據自激法診斷數據結果計算出一次繞組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%，不滿足規程要求（初值差≤2%），因此懷疑CVT 內部電容元件存在擊穿缺陷。

3.1.2 變比分析

根據銘牌電容量計算一次繞組電容額定分壓比為

根據CVT 銘牌其總變比k=1 100，推算中間變壓器變比為

根據診斷試驗數據實測該異常CVT 一次繞組電容分壓比變為

假設中間變壓器無異常，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 二次側采集電壓U應為

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

綜合診斷試驗數據理論分析，排除中間變壓器和二次電壓采集回路故障，判斷該CVT 內部電容單元存在缺陷，建議后續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。中壓變壓器結構見圖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、勵磁特性等試驗數據均合格，與上述理論計算分析結果一致，排除中壓變壓器各設備故障。

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

該CVT 的電容器上下節分別由76 片電容元件串聯疊裝組成，再由絕緣支架固定，最后封裝在充油瓷瓶內部，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 結語

通過對SCADA 系統中CVT 電壓數據的排查與統計分析，發現多個變電站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據排查的有效性，一定程度上實現了對CVT 狀態的實時監控與預警，為精準檢修策略提供了依據，避免了缺陷進一步發展引發電網事故。同時該方法可及時有效發現潛在缺陷，克服了傳統例行試驗發現缺陷周期較長的問題。此外，由于CVT 一次側為幾十甚至上百個電容單元串聯而成，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，加大缺陷進一步發展的概率，最終引發CVT 爆炸等事故發生，因此更需要實時關注CVT 電壓值等信息的變化情況，建議后續進一步深化應用基于SCADA 系統的CVT 缺陷排查，結合站內巡視結果，主動排查缺陷，及時給出預警與檢修策略，避免缺陷劣化。