带有测量端子和末屏接地端子的电容性套管的检测系统的制作方法

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。

技术实现要素：

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，cd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cd，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us(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cd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cd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cd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ic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ic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yc1m＝ic/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cd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cd保持完好，即c'd＝cd，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+cd)，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ic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ic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au/ai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au/ai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、cd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＝cd(1+δ％)，则(10)式的au将保持不变。但是(11)式中的ai＝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ic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ic，可监测到套管电容层的变化。

a).如果测量电流ic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ic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ic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au/ai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ic出现波动。为此，需要动态跟踪系统电压u0来修正u1和ic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ks，因此导电杆的电压u0＝ksus。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ku，使套管正常时修正后的测量电压ux＝kuu1与母线电压互感器二次值us相等，即正常时ux＝kuu1＝us。

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ux＝kuu1与母线测量电压(基准电压)us进行比较，计算出au＝ux/us。

根据母线电压us、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cd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ic与基准电流ic0进行比较，计算出ai＝ic/ic0。

计算出测量电流ic与测量电压u1的比值yc1m＝ic/u1(或zc1m＝u1/ic)，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ay＝yc1m/ωc1(或az＝zc1m·ωc1)。在串联电容c1正常的条件下，ay(或az)应该满足|ay-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ay不满足|ay-1|≤ξ1时作为保护的告警或者跳闸的条件。

如果au≥a1，或(且)ai≥a1，说明电容绝缘介质已经严重击穿，发出跳闸信号。

如果au≥a2，或(且)ai≥a2，说明电容绝缘介质已经部分击穿，发出告警信号；

如果au≤a3，说明外接电容c1部分击穿，发出告警信号；如果ai≤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au≤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ai≤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|au/ai-1|≤ξ2,(ξ2是检测装置的允许误差)，说明检测装置正常，如果|au/ai-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。