CN106940415A - 带有测量端子和末屏接地端子的电容性套管的检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对带有电压测量端子和末屏接地端子的套管的电容性套管检测系统，包括套管、告警模块和断路器，还包括检测套管内电场和电流变化的电压和电流检测电路，所述电压和电流检测电路串联后接入套管的电压测量端子与接地点之间，电压和电流测量信号送到监测与保护处理模块进行处理；所述监测与保护处理模块输出端连接告警模块和断路器；所述监测与保护处理模块利用检测到的电压和电流的变化值来判断套管是否产生故障；采用本发明可实现对套管状态进行监测并提供可靠的保护。

Description

带有测量端子和末屏接地端子的电容性套管的检测系统

技术领域

本发明涉及电力系统输变电技术领域，尤其涉及的是一种带有测量端子和末屏接地端子的电容性套管的检测系统。

背景技术

变压器是电力系统变电站中广泛使用的核心设备。变压器内部绕组要通过高压套管才能联接到其它高电压设备，室内高压设备与室外高压设备进行电气连接时要通过穿墙套管。高压套管的结构请参见图1，套管1包括高电压大电流导电杆2，瓷瓶3，导电杆2与瓷瓶3之间的电容层4，电容层的末屏5和末屏接地端子6。电容层4采用铝箔和电绝缘纸介质以圆筒状交替卷制，主要作用是使导电杆2与瓷瓶3之间的电场均匀分布，以获取所要求的电位梯度。最外一层铝箔称为末屏5。导电杆2对末屏5之间呈现电容的性质，电容量一般在600～1300pF。末屏需要可靠接地，否则运行中会引起套管击穿爆炸。穿墙套管的结构与变压器套管的结构类似，其高压导电部分与地电位之间也是通过电容层来均匀分部内部场强，防止局部场强过大击穿损坏设备。

以变压器套管为例，套管事故是变压器事故的常见类型，有资料统计称占变压器损坏事故总数的40％。南方电网超高压输电公司近年的5起突发性变压器事故中，全部属于套管事故：事故造成套管爆炸着火，继而烧毁变压器本体，扩大事故并导致严重损失。套管事故主要是套管电容层由于绝缘老化、电场畸变等导致的纸质绝缘击穿引起。电容铝箔和绝缘纸在卷制过程中可能产生皱折，运行过程中绝缘的老化等，都将导致套管内部的电场畸变，造成局部击穿，继而贯穿放电引起爆炸起火等，其最后的击穿过程速度极快。而变压器目前本体保护中的差动保护、过流保护装置等基本是在套管完全击穿后才启动，不能对套管快速有效实施保护，最终使变压器严重受损。

为此，本发明人曾提出201010260463.3《一种电容性套管、电流互感器的检测系统及其检测方法》的发明专利，通过检测反映套管内电场和电流变化的电压和电流检测电路(图2)，对套管状态进行监测并提供报警和保护信号。

但是这样的检测电路结构有其缺陷，主要表现在测量末屏电流的电流互感器和用于测量电压的外接电容C₁必须串联在末屏接地端子与接地点之间，运行中可能由于振动等原因导致末屏开路，反而给套管带来风险。由于这种担心，已有部分套管监测装置被拆除，以保证套管末屏可靠接地。

市场已经出现图3结构的套管型式。图3中的套管1包括高电压大电流导电杆2，瓷瓶3，导电杆2与瓷瓶3之间的电容层4，电容层的末屏5和末屏接地端子6。除了末屏5和末屏接地端子6外，另增设测量套管电压的测量端子7。该测量端子7连接套管次外层的电容屏，末屏在该测量连接线的位置挖有一圆孔，方便该测量端子的引出并且不与末屏产生电气连接。该测量端子7在正常运行时也必须接地，只是在试验测量时才解除接地并测量套管的电压。这种结构的套管因为有两个接地点，可以更加可靠地防止末屏在运行中开路。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明对套管的电压和电流检测电路做了改进，提出了一种带有测量端子和末屏接地端子的电容性套管的检测系统，以方便对套管进行监测，同时保证末屏可靠安全接地。

为了实现以上目的，本发明的技术方案如下：

一种带有测量端子和末屏接地端子的电容性套管的检测系统，包括电压和电流检测电路、监测与保护处理模块、告警模块和断路器，

所述电压和电流检测电路包括串联的外接电容和电流互感器，外接电容高压端连接套管的测量端子，用于检测套管内电容层的电压信号，电流互感器接地，用于检测套管内电容层的电流信号，所述监测与保护处理模块根据外接电容检测的电压信号和电流互感器检测的电流信号判断套管内电容层的电场变化，并根据电场变化向告警模块和断路器发送相应的信号。

本发明通过在套管测量端子接地引线上串联一个外接电容和一个电流互感器，并通过一个监测与保护处理模块来监测外接电容两端的电压值和套管测量端子的接地电流值，从而实现对套管状态的监测，进而对套管提供可靠的保护。由于将原发明201010260463.3中串联在套管末屏端子与接地点之间的外接电容和小电流互感器改接至套管测量端子与接地点之间，即便是外接电容和小电流互感器之间开路，也能保证末屏被钳制在地电位，因此本方案可以有效消除人们对安装套管保护装置的顾虑，可有效防止由于套管故障爆炸导致的变压器损坏事故。

附图说明

图1是传统的套管的结构示意图；

图2是对传统套管进行监测和保护的检测电路接入方式示意图；

图3是同时带有末屏接地端子以及电压测量端子的套管结构示意图；

图4是套管与本发明带有测量端子和末屏接地端子的电容性套管的检测系统一个实施例的结构示意图；

图5是套管与本发明带有测量端子和末屏接地端子的电容性套管的检测系统另一个实施例的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的套管的电流和电压监测电路示意图；

图7是对图4的套管及检测电路的简化等效电路示意图；

图8是本方实施例中的监测和保护逻辑框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

如图3所示，套管1包括高电压大电流导电杆2、瓷瓶3，导电杆与瓷瓶之间还设置有电容层4，电容层的末屏5上设置有接地端子6，以及电压测量端子7及接地点。套管1发生事故后不但本身受损，其爆炸起火还将会烧坏变压器本体，同时瓷瓶3爆炸后还可能会击穿其它的变电设备，如临近的断路器等。因此，需要找到一种能够快速检测套管故障，并同时能够快速在套管完全击穿爆炸前发出告警甚至跳闸信号的保护方法。该方法能够有效避免爆炸发生，最大限度地保护变电站设备的安全，缩短变压器的检修成本和检修时间。

套管1的导电杆2对末屏5呈现电容的性质，运行中的电压全部加在该电容上。套管1发生击穿事故时，其发展过程也是由其中的某两层锡箔之间的介质层首先出现击穿，然后逐渐发展到贯穿式击穿并引起爆炸和起火燃烧。该击穿过程一开始发展较为缓慢，等发展到剩余完好电容层的某一极限电场值后则迅速击穿起弧，并导致套管爆炸，引燃变压器本体。因此，通过检测运行中套管电容量的变化，可以快速准确地判断套管是否出现故障。

基于上述思路，本发明提供一种电容性套管、电流互感器的检测系统，参见图4、5和6，包括检测套管内电场和电流变化的电压和电流检测电路，还包括：告警模块和断路器，对套管状态进行监测并提供报警和保护信号的监测与保护模块。

本发明与原发明(专利号201010260463.3)的重大区别在于：原发明中测量套管电流的电流互感器和测量电压的外接电容是串联在套管末屏端子与接地点之间；或者将电流互感器串联接入套管末屏端子与接地点之间，监测电压则直接从电压测量端子区信号。本发明中，测量套管电流的电流互感器和测量电压的外接电容串联在套管的测量端子与接地点之间，从而保证末屏直接可靠接地，保障套管的安全可靠运行，消除因为测量装置的不当接入带来的隐患。

本发明实施例提供的检测系统如图4所示，在套管的测量端子7与接地点之间串联一个测量用的外接电容C₁(标号8)，同时在测量端子接地引线上串联一个电流互感器9。

外接电容C₁电容量的设计选取原则是：在套管完好条件下，测量外接电容两端电压U₁的电压范围在5V～100V之间，具体根据电路设计而定。外接电容C₁的选择公式为：

其中，U₀为导电杆标称电压值，C₀为套管出厂时的导电杆对测量端子的初始电容值，C_d为套管出厂时测量端子对末屏接地端子的电容值。

本实施中，还在外接电容C₁和电流互感器串联电路两端并联一个放电间隙10(图5)，放电间隙10的放电起始电压值应该低于C₁的耐压水平，使套管在初始击穿放电时的大电流不至于损坏电容C₁。

在外接电容C₁和电流互感器的串联电路两端还并联一个避雷器11或压敏电阻(图5)，避雷器11的放电电压应该低于外接电容C₁的额定电压，持续运行电压应该按照系统最高电压下U₁的测量值选择，防止系统过电压损坏外接电容C₁。

外接电容C₁的电压信号和电流互感器的电流信号需要经过光电隔离变换器12(图5)。通过光电隔离后的电压信号和电流信号通过光缆13送到监测与保护处理模块，用于防止过电压传递到二次屏柜，保护人身和二次屏柜的安全。

电压和电流检测电路的综合介质损耗角应该接近套管末屏的介质损耗角，以防止检测回路与套管电容的阻抗角不一致导致瞬态电压的折射和反射，给测量精度带来误差。

外接电容C₁还可以为现场准确测量谐波电压提供方便。现有的电磁式电压互感器在高频下由于匝间电容的影响，幅频特性不能满足要求；而近年大量使用的电容式电压互感器更是不能用于谐波测量。

应用图4、图5和图6所示的套管电流和电压的检测电路，实现套管保护的原理如下：

首先将图4的一次电路简化，得到图7的简化原理图。

带有末屏接地端子和电压测量端子的套管电容层可等效为两个电容器的串联电路：高压导电杆与测量端子之间的电容C₀，套管测量端子与末屏接地端子之间的电容C_d，如图7所示，并在测量端子与接地点之间串联一个外接电容C₁和一个电流互感器，在外接电容C₁两端引出两个检测引脚，通过C₁和电流互感器检测套管的电压和电流是否正常。

通过检测外接电容C₁上的电压U₁。并与系统电压U_S(母线电压互感器的二次电压)比较，就可以推断套管电容C₀或者C_d的变化。

正常情况下导电杆上的一次电压U₀与测量电压U₁之间的关系为:

或者

如果U₁保持与母线电压互感器测量电压Us成正常的比例关系，则说明C₀和C_d正常，以及C₁正常。测量电压U₁的偏离程度基本反映了套管电容C₀和C_d偏离出厂值的程度。

正常条件下套管测量端子的接地电流为：

各种条件下测量电流I_C与测量电压U₁之间的比值即测量导纳为：

即测量到的外接电容C₁两端的电压U₁和末屏接地电流I_C满足其阻抗(导纳)比例关系。

如果外接电容C₁出现故障变化为C₁′，则两者之间的关系变化为ωC₁′。因此可以将测量导纳Y_C1M＝I_C/U₁是否等于ωC₁作为判断C₁故障的依据。

假设套管局部击穿后套管导杆对测量端子之间的电容值变为C'₀，或者测量端子对末屏接地端子之间的电容量变化为C'_d，则测量到外接电容C₁上的电压为U₁′。则此时推算到导电杆的电压为U′₀:

如果C₀保持不变，仅套管测量端子与末屏接地端子的电容C_d击穿，则C′_d＝∞，此时测量端子测量到的电压U′₀接近于0。

如果C_d保持完好，即C'_d＝C_d，但是套管导电杆与测量端子之间的电容层发生局部击穿，将使得电容量C₀增大变为C′₀，在系统电压U₀维持不变的条件下，将使得测量电压U₁增大。

由于C₀<<(C₁+C_d)，且在套管电容局部击穿的初期也满足此式。因此(6)式可以简化为：

即套管局部击穿后，通过测量U₁可以推算到的导杆电压U′₀大于实际的系统电压U₀。

为此，将套管正常时的电压U₁和电流I_C作为基准电压和基准电流。将实际测量电压和测量电流与基准电压和电流进行比较，判断套管的状态。

套管局部击穿，其导电杆与测量端子之间的电容量由C₀变为C′₀后，C₁上的测量电压U′₁与C₀不变条件下推算的电压(基准电压)U₁之比为：

与此同时，末屏接地电流互感器测量到的电流I′_C与C₀不变条件下的基准电流I_C之比为：

因此，只要监测到电流和电压相对于基准值均以同样的比例变化，即A_U/A_I是等于1，就说明检测回路自身的电流和电压均正常。即可以根据检测到的A_U/A_I是否在1附近来判断检测保护系统本身是否存在问题。

在C₀、C_d和C₁同时变化为C′₀、C′_d和C′₁的条件下，(8)和(9)式就变成为：

假设C₀′＝C₀(1+δ％)，且C₁′＝C₁(1+δ％)、C'_d＝C_d(1+δ％)，则(10)式的A_U将保持不变。但是(11)式中的A_I＝1+δ％，此时可以利用电流的变化率来作为套管故障的判断依据。

根据上述的计算，可以通过检测套管测量端子的电流I_C和外接电容C₁两端的电压U₁来构成完善的保护方式：即通过电流互感器的电流大小及其变化率，结合外接电容两端的电压大小及其变化率，综合判断套管的运行状态。

依据上述原理，对电力设备实现保护和监测的方法如下：

通过测量电压U₁和测量电流I_C，可监测到套管电容层的变化。

a).如果测量电流I_C或/和测量电压U₁增加，其增加量相对于基准值超出某一百分比数值时，发出告警信号；在进一步增加到更高的百分比数值时，则发出跳闸信号。

b).如果测量电流I_C或/和测量电压U₁减小，其减小量相对于基准值小于某一百分比值时，发出告警信号；在进一步减小到某一更低的百分比数值时，发出跳闸信号。

利用测量电压U₁和测量电流I_C推算出测量导纳或阻抗值与检测系统的初始导纳或阻抗值的比值是否是在相对误差整定值范围内，来判断外接电容C₁是否正常。

利用计算测量电压变化百分比与测量电流变化百分比的比值是否是在相对误差整定值范围内，即根据检测到的A_U/A_I是否在1附近，可以判断检测系统是否正常。

图8是本发明实施例提供的监测与保护处理模块的工作原理图，由于系统电压的变化将导致测量电压U₁和测量电流I_C出现波动。为此，需要动态跟踪系统电压U₀来修正U₁和I_C的基准值计算结果并将实际测量值与基准值进行比较。系统电压U₀可以通过母线电压互感器的二次回路提取：实际运行中母线的电压互感器的变比为k_s，因此导电杆的电压U₀＝k_SU_S。作为成套保护装置，外接电容C₁的出厂值是固定的，而各套管的电容值C₀不完全相同，需要对测量电压U₁进行修正，为此引入修正系数k_U，使套管正常时修正后的测量电压U_x＝k_UU₁与母线电压互感器二次值U_s相等，即正常时U_x＝k_UU₁＝U_S。

本实施例中设置有4个保护的整定值：跳闸值A₁、告警值A₂、告警值A₃、跳闸值A₄。这4个整定值需满足A₁>A₂>1>A₃>A₄的关系。A₁～A₄整定值的具体取值可以根据具体的条件进行确定，一般A₃＝1/A₂，A₄＝1/A₁。根据预防性试验规程，可以考虑将A₁设置为1.15，将A₂设置为1.05。

将修正后的测量电压U_x＝k_UU₁与母线测量电压(基准电压)Us进行比较，计算出A_U＝U_x/U_S。

根据母线电压U_S、套管出厂时导杆与测量端子间的电容量C₀、测量端子与末屏接地端子之间的电容量C_d和串联外接电容C₁，计算套管的基准电流值

将实际测量电流I_C与基准电流I_C0进行比较，计算出A_I＝I_C/I_C0。

计算出测量电流I_C与测量电压U₁的比值Y_C1m＝I_C/U₁(或Z_C1m＝U₁/I_C)，作为外接电容C₁的测量导纳(或阻抗)。

计算测量导纳(或阻抗)与外接电容初始导纳(或阻抗)的比值A_Y＝Y_C1m/ωC₁(或A_Z＝Z_C1m·ωC₁)。在串联电容C₁正常的条件下，A_Y(或A_Z)应该满足|A_Y-1|≤ξ₁(ξ₁为测量导纳的允许相对误差整定值)，将此作为判断C₁正常与否的条件；并在A_Y不满足|A_Y-1|≤ξ₁时作为保护的告警或者跳闸的条件。

如果A_U≥A₁，或(且)A_I≥A₁，说明电容绝缘介质已经严重击穿，发出跳闸信号。

如果A_U≥A₂，或(且)A_I≥A₂，说明电容绝缘介质已经部分击穿，发出告警信号；

如果A_U≤A₃，说明外接电容C₁部分击穿，发出告警信号；如果A_I≤A₃，说明检测系统与末屏之间的接触不良，通过告警的方式提醒注意。

如果A_U≤A₄，说明外接电容C₁严重击穿，通过跳闸来保护套管可能出现的故障；如果A_I≤A₄，说明检测电路与测量端子的接触可能脱落，通过跳闸的方式防止测量端子对地放电导致套管损坏。

如果|A_U/A_I-1|≤ξ₂,(ξ₂是检测装置的允许误差)，说明检测装置正常，如果|A_U/A_I-1|≥ξ₂,则说明外接电容C1或者检测装置本身出现问题，发出告警信号，通知相关人员进行检查。

由于套管从轻度击穿到严重击穿的时间过程将持续数个周波乃至数小时，在检测装置正常的条件下监测到C₀变化为A₂C₀之际，通过本监测保护装置可以发出告警，并在监测到C₀变化为A₁C₀之际快速跳闸，可以有效地防止套管事故爆炸导致的变压器本体严重烧损的情况发生。

本检测系统还可用于电流互感器、高压穿墙套管等电容性设备，其前提是，在电流互感器、穿墙套管增加一个电压测量端子。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种带有测量端子和末屏接地端子的电容性套管的检测系统，其特征在于，

包括电压和电流检测电路、监测与保护处理模块、告警模块和断路器，

所述电压和电流检测电路包括串联的外接电容和电流互感器，外接电容高压端连接套管的测量端子，用于检测套管内电容层的电压信号，电流互感器接地，用于检测套管内电容层的电流信号，所述监测与保护处理模块根据外接电容检测的电压信号和电流互感器检测的电流信号判断套管内电容层的电场变化，并根据电场变化向告警模块和断路器发送相应的信号。

2.根据权利要求1所述的带有测量端子和末屏接地端子的电容性套管的检测系统，其特征在于，

所述监测与保护模块根据外接电容检测的电压信号和电流互感器检测的电流信号判断套管内电容层的电场变化，具体过程为：

通过外接电容获取测量电压U₁，通过电流互感器获取测量电流I_C；

通过修正系数k_U将测量电压U₁修正为U_X，其中修正系数k_U的整定按照套管正常时的测量电压U₁和母线电压互感器的二次电压U_S来确定：

k_U＝U_S/U₁

同时利用母线电压互感器的变比k_S及其二次电压U_S，并结合套管导电杆与测量端子之间的出厂电容值C₀、套管测量端子与末屏接地端子之间的出厂电容值C_d和外接电容的安装值C₁，计算出套管完好状态下的基准电流I_C0；

设定发出告警或跳闸信号的四个整定值A₁、A₂、A₃、A₄，其中，A₁>A₂>1>A₃>A₄；

若U_x/U_S≥A₁，或I_C/I_C0≥A₁，则向所述断路器发送跳闸信号；若U_x/U_S≥A₂，或I_C/I_C0≥A₂，则向所述告警模块发送告警信号；若U_x/U_S≤A₃，或I_C/I_C0≤A₃，则向所述告警模块发送告警信号；若U_x/U_S≤A₄，或I_C/I_C0≤A₄，则向所述断路器发送跳闸信号。

3.根据权利要求2所述的带有测量端子和末屏接地端子的电容性套管的检测系统，其特征在于，

所述监测与保护模块还利用测量电压U₁和测量电流I_C推算出测量导纳或阻抗值与外接电容的初始导纳或阻抗值的比值是否在相对误差整定值范围内，来判断外接电容是否正常；并利用计算测量电压变化百分比与测量电流变化百分比的比值是否在相对误差整定值范围内，判断二次电路是否正常。

4.根据权利要求1或2或3所述的带有测量端子和末屏接地端子的电容性套管的检测系统，其特征在于，

所述电压和电流检测电路还包括放电间隙，所述放电间隙并联在外接电容的高压端子与电流互感器的接地端子之间。

5.根据权利要求1所述的带有测量端子和末屏接地端子的电容性套管的检测系统，其特征在于，

所述电压和电流检测电路还包括避雷器或压敏电阻，所述避雷器或压敏电阻并联在外接电容的高压端子与电流互感器的接地端子之间。

6.根据权利要求1所述的带有测量端子和末屏接地端子的电容性套管的检测系统，其特征在于，

所述电压和电流检测电路还包括光电隔离器，所述光电隔离器的输入端引入外接电容的电压信号和电流互感器的电流信号，输出端通过光纤将电压信号和电流信号送到所述监测与保护模块。

7.根据权利要求1所述的带有测量端子和末屏接地端子的电容性套管的检测系统，其特征在于，

所述外接电容的选择公式为：

$C_1=(\frac{U_0}{U_1}-1)C_0-C_d$

其中，U₀为套管的导电杆的标称电压值，C₀为套管导电杆与测量端子之间的出厂电容值，C_d为套管测量端子与末屏接地端子之间的出厂电容值，U₁为通过外接电容C₁两端的测量电压值，所述测量电压值U₁的选取依据设计要求来选择。