CN111175617A - 一种用于模拟确定高压套管电容层击穿故障的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟确定高压套管电容层击穿故障的方法及系统，属于高电压试验检测技术领域。本发明方法：将模拟电容层击穿的单个电容串联接入高压套管，并在高压套管高压侧施加交流电压，确定高压套管总电容；在套管末屏引出端子处外接分压电容后接地并确定分压电容与高压套管总电容的比例系数，根据比例系数测量高压套管承受的电压；在模拟电容层击穿的电容元件两端并联放电间隙，当放电间隙放电时使得电容元件短路，从而实现电容层击穿模拟。放电间隙击穿时，对比分析分压电容测得的电压与实际电压存在的偏差，根据此电压偏差确定高压套管是否发生电容层击穿故障。本发明为验证高压套管在线监测系统监测结果的有效性提供条件。

Description

一种用于模拟确定高压套管电容层击穿故障的方法及系统

技术领域

本发明涉及高电压试验检测技术领域，并且更具体地，涉及一种用于模拟确定高压套管电容层击穿故障的方法及系统。

背景技术

高压电容式套管由导电杆、电容层、外绝缘护套和连接法兰等构成，通过在绝缘内部将铝箔和绝缘纸交替卷制成多层电容芯体，使导电杆与连接法兰之间的径向和轴向电场均匀分布，电容芯体的最外层铝箔极板(末屏)通过导线与测量端子连接，测量端子在套管运行时与金属法兰连接后接地，在对套管进行试验或在线监测时，将测量端子与地断开并连接测量仪表。由电容式套管结构可知，电容芯体内部各层电容串联后形成芯体主电容C1，与末屏连接的测量端子对地形成电容C2。

由于高压套管设计制造工艺复杂，受到各种因素的影响，出厂试验并不能将套管潜在的所有缺陷检出。然而，高压套管在运行中需要承受高电压、大电流、机械应力及其他各种环境应力，套管在设计及制造过程中的缺陷将在运行中不断放大，导致套管性能下降甚至出现故障。据统计，高压套管故障约占变压器事故总数的30％，套管故障轻则导致套管本体损坏，严重时将导致变压器爆炸起火，烧毁变压器，造成电网停电，经济损失和社会影响极大。电容层击穿是套管严重故障之一，但由于电容层击穿过程可能出现在两个试验周期之间并快速发展，目前对套管进行的预防性试验并不能及时检测到这种故障。另外，变压器本体保护中的差动保护、过流保护等在套管完全击穿后才能启动，无法对套管击穿事故快速反应。因此，需要有方法和设备对套管本身进行在线监测。

目前，对高压套管的监测主要通过测量套管承受的电压和套管末屏泄漏电流波形数据，计算套管的主电容和介质损耗因数，根据电容量和介质损耗因数的变化来判断套管绝缘状态。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种用于模拟确定高压套管电容层击穿故障的方法，所述方法包括：

将模拟电容层击穿的单个电容接入高压套管，测量确定高压套管总电容；

在套管末屏引出端子处外接分压电容后接地，确定分压电容与高压套管总电容构成的电容分压器电压测量比例系数，根据比例系数测量高压套管的承受电压；

在模拟电容层击穿的单个电容两端并联放电间隙，调节模拟电容层击穿间隙的间隙距离或电极类型，并在高压套管高压侧增大交流电压，直至放电间隙击穿使模拟电容层短路，进行电容层击穿模拟；

对高压套管的实际承受电压和高压套管击穿后的通过分压电容测量的电压进行对比，当高压套管的实际承受电压和高压套管击穿后的分压电容测量电压不一致时，确定高压套管电容层发生击穿故障。

可选的，模拟电容层击穿的单个电容接入高压套管的接入方式，包括：

将模拟电容层串联在高压套管末屏连接的测量端子上或将模拟电容层串联在高压套管高压端。

可选的，高压套管总电容的确定，包括：

根据如下公式确定：

其中，C为高压套管总电容、C₁为高压套管的主电容、C₂为高压套管末屏对地电容、C_m为高压套管的分压电容和C_X为模拟电容层击穿的单个电容元件的电容；

或，确定高压套管高压端电压和高压套管中心导杆的对地泄漏电流，根据对地泄漏电流确定，高压套管总电容，确定公式如下：

其中，I为高压套管高压端对地泄漏电流、ω为高压套管的电源角频率和U为高压套管高压端电压。

可选的，高压套管击穿后的高压套管总电容确定，根据如下公式确定：

其中，C^*为高压套管总电容；

或，确定高压套管高压端电压和击穿后的高压套管中心导杆的对地泄露电流，根据对地泄露电流高压套管总电容，确定公式如下：

其中，I^*为击穿后高压套管高压端的对地泄漏电流。

可选的，电容层不发生击穿时，所述比例系数的确定公式如下：

其中，k为套管电容层未发生击穿时的测量电压比例系数。

可选的，电容层击穿后，实际的分压比例系数的确定公式如下：

其中，k^*为电容层击穿后实际的分压比例系数。

可选的，根据比例系数确定高压套管的承受电压，确定公式如下：

U＝kU_m

其中，U为高压套管的承受电压，U_m为分压电容C_m两端电压。

可选的，在电容层击穿后，所述根据分压比例系数测量的高压套管实际承受的电压，确定公式如下：

U^*＝k^*U_m

其中，U^*为高压套管电容层击穿后的实际承受的电压。

本发明还提出了一种用于模拟确定高压套管电容层击穿故障的系统，包括：

电容量测量模块，模拟电容层击穿的单个电容串联接入高压套管，并在高压套管高压侧施加交流电压，测量确定高压套管总电容；

电压计算模块，确定分压电容与高压套管总电容的比例系数，根据比例系数测量高压套管的承受电压；

放电间隙调节模块，调节与模拟电容层并联的放电间隙的间隙距离或电极类型，并在高压套管高压侧增大交流电压，直至放电间隙击穿使模拟电容层短路；

电压对比模块，对高压套管的实际承受电压和通过分压电容测量的高压套管电压进行对比，当高压套管实际承受电压和分压器测量的电压不一致时，确定高压套管电容层发生击穿故障。

可选的，模拟电容层击穿的单个电容接入高压套管的接入方式，包括：

将模拟电容层串联在高压套管末屏连接的测量端子上或将模拟电容层串联在高压套管高压端。

可选的，高压套管总电容的确定，包括：

根据如下公式确定：

其中，C为高压套管总电容、C₁为高压套管的主电容、C₂为高压套管末屏对地电容、C_m为高压套管的分压电容和C_X为模拟电容层的电容；

或，确定高压套管高压端电压和高压端的对地泄漏电流，确定高压套管总电容，确定公式如下：

其中，I为高压套管中心导杆的对地泄露电流、ω为高压套管的电源角频率和U为高压套管高压端电压。

可选的，高压套管模拟电容层击穿后的高压套管总电容确定，根据如下公式确定：

其中，C^*为高压套管总电容；

或，确定高压套管高压端电压和击穿后的高压套管中心导杆的对地泄露电流，确定高压套管总电容，确定公式如下：

其中，I^*为击穿后高压套管高压端的对地泄漏电流。

可选的，比例系数的确定公式如下：

其中，k为比例系数。

可选的，模拟电容层击穿后的分压比例系数的确定公式如下：

其中，k^*为套管模拟电容层击穿后的分压比例系数。

可选的，根据比例系数测量高压套管的承受电压，确定公式如下：

U＝kU_m

其中，U为高压套管的承受电压，U_m为分压电容C_m两端电压。

可选的，模拟电容层击穿后实际的分压比例系数确定高压套管的承受电压，确定公式如下：

U^*＝k^*U_m

其中，U^*为高压套管击穿后的实际承受的电压。

本发明模拟电容层的击穿电压可控且易于观测，为验证高压套管在线监测系统监测结果的有效性提供条件。

附图说明

图1为本发明一种用于模拟确定高压套管电容层击穿故障的方法流程图；

图2为本发明一种用于模拟确定高压套管电容层击穿故障的方法接入方式一图；

图3为本发明一种用于模拟确定高压套管电容层击穿故障的方法接入方式二图；

图4为本发明一种用于模拟确定高压套管电容层击穿故障的系统结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

实施例1

本发明提出了一种用于模拟确定高压套管电容层击穿故障的方法，如图1所示，包括：

将模拟电容层接入高压套管，并在高压套管高压侧施加交流电压，测量确定高压套管总电容；

将模拟电容层击穿的单个电容接入高压套管接入方式，包括：

如图2所示，将模拟电容层串联在高压套管末屏连接的测量端子上，或如图3所示，将模拟电容层串联在高压套管高压端。

高压套管总电容的确定，包括：

根据如下公式确定：

其中，C为高压套管总电容，C₁为高压套管的主电容，C₂为高压套管末屏对地电容，C_m为高压套管的分压电容，C_X为模拟电容层的电容；

或，确定高压套管高压端电压和高压套管高压端的对地泄漏电流，确定高压套管总电容，确定公式如下：

根据如下公式确定：

其中，I为高压套管高压端的对地泄漏电流、ω为高压套管的电源角频率，U为高压套管高压端电压。

确定高压套管的分压电容与高压套管总电容的比例系数，根据比例系数测量高压套管的承受电压；

比例系数的确定公式如下：

其中，k为比例系数。

根据比例系数确定高压套管的承受电压，确定公式如下：

U＝kU_m

其中，U为高压套管的承受电压，U_m为C_m两端电压。

调节与模拟电容层并联的放电间隙的间隙距离或电极类型，并在高压套管高压侧增大交流电压，直至放电间隙击穿使模拟电容层短路。确定高压套管模拟电容层击穿后的高压套管总电容；

高压套管击穿后的高压套管总电容确定，包括：

根据如下公式确定：

其中，C^*为模拟电容层击穿后的高压套管总电容；

或，确定高压套管高压端电压和模拟电容层击穿后的高压套管高压侧的对地泄漏电流，确定高压套管总电容，确定公式如下：

根据如下公式确定：

其中，I^*为模拟电容层击穿后高压套管高压端的对地泄漏电流。

确定分压电容与高压套管模拟电容层击穿后的高压套管总电容的分压比例系数，根据分压比例系数确定高压套管模拟电容层击穿后的承受电压；

分压比例系数的确定公式如下：

其中，k^*为套管模拟电容层击穿后的分压比例系数。

根据分压比例系数确定高压套管击穿后的承受电压，确定公式如下：

U^*＝k^*U_m

其中，U^*为高压套管模拟电容层击穿后的承受电压。

但是，测量系统并不能自动调整分压比例系数，电容层击穿后，仍按照击穿前的比例系数计算测量电压，确定公式如下：

Us＝kU_m

其中，Us为电容层击穿后通过分压电容测量的套管电压。

Us为测量显示值，其与套管实际承受的电压U^*存在偏差，以此可以判断套管是否存在电容层击穿。

实施例2

下面结合实施例对本发明进行进一步说明：

高压套管主电容量C₁为300pF，在套管高压端串接一个电容器C_x模拟套管的一层电容层，C_x电容量为5000pF，在C_x两端并联放电间隙G。在套管末屏上串接一个分压电容C_m＝0.281μF，套管末屏对地电容C₂＝1500pF(工程实际中C₁、C₂均可通过仪器测量得到)。

在主回路中串联一个电流表或安装电流传感器采集套管末屏泄漏电流信号I。

在分压电容C_m两端通过电压表或采用监测系统采集电压波形及参数。在套管高压端接入电压可调的工频电压源并采用标准分压器或电压互感器测量施加在套管高压端的电源电压信号U，逐步升高电源电压值,在升压过程中观察间隙G的放电击穿过程并同时记录电压、电流读数及波形数据。

(1)模拟电容击穿前

在模拟电容层未击穿即放电间隙G未击穿时，高压回路的总电容C＝282.7pF，分压电容C_m和末屏对地电容C₂并联后构成电容分压器的低压臂，分压比k，k＝1000(工程实际中分压比可通过标准分压器进行标定)。

设定与C_x并联的间隙G的击穿电压为2kV，即在间隙击穿前电容C_x两端的电压U_x＝2kV，则根据电容分压原理，电源电压即套管高压端电压:

回路中泄漏电流I＝UωC＝35370×314×282.7×10^-12＝0.0031A＝3.1mA

分压电容C_m两端电压:

此时

U＝U_s＝kU_m＝1000U_m

(2)模拟电容击穿后

当模拟电容层击穿即间隙G击穿后，保持外部电源电压U不变，则高压套管回路总电容C^*＝299.68pF。

I^*＝UωC^*＝35370×314×299.68×10^-12＝0.0033A＝3.3mA

此时，

如果在监测系统中不改变分压比，则通过分压电容测量显示的电压:

U_s＝kU_m＝1000U_m＝37.5kV

U_s较套管实际的电压U高出2.13kV。由此可见，同时测量并对比U和U_s可反映套管主电容的变化。

(3)电容层击穿检测

在实际工程应用中，通过与套管并联的电压互感器测量套管高压端电压U，电压互感器通过测量分压电容C_m两端电压U_m，通过标准分压器在套管未出现击穿故障前确定分压比k，在监测系统中计算U_s＝kU_m,对比U和U_s，当U和U_s相同时，套管未发生电容层击穿，当U_s明显大于U时，可以判断套管发生了电容层击穿。以上述参数的套管等效电路为例，分压比k＝1000，套管高压端电压U＝35.37kV时发生电容层击穿，击穿前通过分压电容测得的电压U_s与U相等，在U不变，电容层击穿后监测系统测量显示的电压U_s较实际电压U高2.13kV。

对于套管发生电容层击穿的另一种可同时进行的检测方式是：在监测U和U_s的同时，通过电流传感器监测套管中心导杆对地泄漏电流I信号，直接计算回路总电容，监测套管电容量的变化。以上述参数的套管等效电路为例，套管高压端电压U＝35.37kV时发生电容层击穿，击穿前测得的泄漏电流I＝3.1mA，通过式(5)计算获得的电容量C＝282.7pF，当电容层击穿后，泄漏电流I＝3.3mA穿后，电容量C*＝299.68pF，击穿前后套管电容量相差16.98pF。

实施例3

本发明还提出了一种用于模拟确定高压套管电容层击穿故障的系统200，包括：

电容量测量模块201，将模拟电容层接入高压套管，并在高压套管高压侧施加交流电压，测量确定高压套管总电容；

将模拟电容层击穿的单个电容接入高压套管接入方式，包括：

将模拟电容层串联在高压套管末屏连接的测量端子上或将模拟电容层串联在高压套管高压端。

高压套管总电容的确定，包括：

根据如下公式确定：

其中，C为高压套管总电容、C₁为高压套管的主电容、C₂为高压套管末屏对地电容、C_m为高压套管的分压电容和C_X为模拟电容层的电容；

或，确定高压套管高压端电压和高压套管中心导杆的对地泄露电流，确定高压套管总电容，确定公式如下：

根据如下公式确定：

其中，I为高压套管中心导杆的对地泄露电流、ω为高压套管的电源角频率和U为高压套管高压端电压。

电压计算模块202，确定分压电容与高压套管总电容的比例系数，根据比例系数测量确定高压套管的承受电压；

比例系数的确定公式如下：

其中，k为比例系数。

根据比例系数确定高压套管的承受电压，确定公式如下：

U＝kU_m

其中，U为高压套管的承受电压，U_m为C_m两端电压。

放电间隙调节模块203，调节模拟电容层放电间隙的间隙距离或电极类型，并在高压套管高压侧增大交流电压，直至放电间隙击穿，确定高压套管模拟电容层击穿后的高压套管总电容；

高压套管模拟电容层击穿后的高压套管总电容确定，包括：

根据如下公式确定：

其中，C^*为高压套管总电容；

或，确定高压套管高压端电压和击穿后的高压套管高压端的对地泄漏电流，确定高压套管总电容，确定公式如下：

根据如下公式确定：

其中，I^*为模拟电容层击穿后高压套管高压端的对地泄漏电流。

电压对比模块204，对高压套管的实际承受电压和通过分压电容测量的高压套管电压进行对比，当高压套管实际承受电压和分压器测量的电压不一致时，确定高压套管电容层发生击穿故障。

本发明模拟电容层的击穿电压可控且易于观测，为验证高压套管在线监测系统监测结果的有效性提供条件。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (16)

1.一种用于模拟确定高压套管电容层击穿故障的方法，所述方法包括：

将模拟电容层击穿的单个电容接入高压套管，测量确定高压套管总电容；

在套管末屏引出端子处外接分压电容后接地，确定分压电容与高压套管总电容构成的电容分压器电压测量比例系数，根据比例系数测量高压套管的承受电压；

在模拟电容层击穿的单个电容两端并联放电间隙，调节模拟电容层击穿间隙的间隙距离或电极类型，并在高压套管高压侧增大交流电压，直至放电间隙击穿使模拟电容层短路，进行电容层击穿模拟；

对高压套管的实际承受电压和高压套管击穿后的通过分压电容测量的电压进行对比，当高压套管的实际承受电压和高压套管击穿后的分压电容测量电压不一致时，确定高压套管电容层发生击穿故障。

2.根据权利要求1所述的方法，所述模拟电容层击穿的单个电容接入高压套管的接入方式，包括：

将模拟电容层串联在高压套管末屏连接的测量端子上或将模拟电容层串联在高压套管高压端。

3.根据权利要求1所述的方法，所述高压套管总电容的确定，包括：

根据如下公式确定：

其中，C为高压套管总电容、C₁为高压套管的主电容、C₂为高压套管末屏对地电容、C_m为高压套管的分压电容和C_X为模拟电容层击穿的单个电容元件的电容；

或，确定高压套管高压端电压和高压套管中心导杆的对地泄漏电流，根据对地泄漏电流确定，高压套管总电容，确定公式如下：

其中，I为高压套管高压端对地泄漏电流、ω为高压套管的电源角频率和U为高压套管高压端电压。

4.根据权利要求1所述的方法，所述高压套管击穿后的高压套管总电容确定，根据如下公式确定：

其中，C^*为高压套管总电容；

或，确定高压套管高压端电压和击穿后的高压套管中心导杆的对地泄露电流，根据对地泄露电流高压套管总电容，确定公式如下：

其中，I^*为击穿后高压套管高压端的对地泄漏电流。

5.根据权利要求1所述的方法，所述电容层不发生击穿时，比例系数的确定公式如下：

其中，k为套管电容层未发生击穿时的测量电压比例系数。

6.根据权利要求1所述的方法，所述电容层击穿后，实际的分压比例系数的确定公式如下：

其中，k^*为电容层击穿后实际的分压比例系数。

7.根据权利要求1所述的方法，所述根据比例系数确定高压套管的承受电压，确定公式如下：

U＝kU_m

其中，U为高压套管的承受电压，U_m为分压电容C_m两端电压。

8.根据权利要求1所述的方法，所述电容层击穿后，根据分压比例系数测量的高压套管实际承受的电压，确定公式如下：

U^*＝k^*U_m

其中，U^*为高压套管电容层击穿后的实际承受的电压。

9.一种用于模拟确定高压套管电容层击穿故障的系统，所述系统包括：

电容量测量模块，用于测量确定高压套管总电容；所述高压套管预先接入有模拟电容层击穿的单个电容；

电压计算模块，用于确定在套管末屏引出端子处外接的分压电容与高压套管总电容构成的电容分压器电压测量比例系数，根据比例系数测量高压套管的承受电压；所述分压电容另一端接地；

放电间隙调节模块，用于调节在模拟电容层击穿的单个电容两端并联的放电间隙的间隙距离或电极类型，并在高压套管高压侧增大交流电压，直至放电间隙击穿使模拟电容层短路，进行电容层击穿模拟；

电压对比模块，用于对高压套管的实际承受电压和高压套管击穿后的通过分压电容测量的电压进行对比，当高压套管的实际承受电压和高压套管击穿后的分压电容测量电压不一致时，确定高压套管电容层发生击穿故障。

10.根据权利要求9所述的系统，模拟电容层击穿的单个电容接入高压套管的接入方式，包括：

将模拟电容层串联在高压套管末屏连接的测量端子上或将模拟电容层串联在高压套管高压端。

11.根据权利要求9所述的系统，所述高压套管总电容的确定，包括：

根据如下公式确定：

其中，C为高压套管总电容、C₁为高压套管的主电容、C₂为高压套管末屏对地电容、C_m为高压套管的分压电容和C_X为模拟电容层的电容；

或，确定高压套管高压端电压和高压端的对地泄漏电流，确定高压套管总电容，确定公式如下：

其中，I为高压套管中心导杆的对地泄露电流、ω为高压套管的电源角频率和U为高压套管高压端电压。

12.根据权利要求9所述的系统，所述高压套管模拟电容层击穿后的高压套管总电容确定，根据如下公式确定：

其中，C^*为高压套管总电容；

或，确定高压套管高压端电压和击穿后的高压套管中心导杆的对地泄露电流，确定高压套管总电容，确定公式如下：

其中，I^*为击穿后高压套管高压端的对地泄漏电流。

13.根据权利要求9所述的系统，所述比例系数的确定公式如下：

其中，k为比例系数。

14.根据权利要求9所述的系统，所述模拟电容层击穿后的分压比例系数的确定公式如下：

其中，k^*为套管模拟电容层击穿后的分压比例系数。

15.根据权利要求9所述的系统，所述根据比例系数测量高压套管的承受电压，确定公式如下：

U＝kU_m

其中，U为高压套管的承受电压，U_m为分压电容C_m两端电压。

16.根据权利要求9所述的系统，所述模拟电容层击穿后实际的分压比例系数确定高压套管的承受电压，确定公式如下：

U^*＝k^*U_m

其中，U^*为高压套管击穿后的实际承受的电压。

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