电磁单元与电容式电压互感器(CVT)的联系

电容式电压互感器(CVT)相对于电磁式电压互感器具有不与系统构成铁磁谐振、不易造成恶性爆炸事故的优点和较高的性价比,故广泛用于≥110kV电压等级的线路和母线上。CVT由电容分压器和电磁单元组成,电容分压器直接接在高压线路上,是CVT的主绝缘部分;电磁单元接在电容分压器的中压部分,它承受的电压一般≤20 kV。但从运行经验来看,电磁单元引起的事故远远多于电容分压器部分,只是因其故障的破坏性小而一直未被重视。通过测量电磁单元的tanδ值,可发现其内部绝缘材料劣化等问题,但电力设备预防性试验规程[1]对其介损测试没有明确规定,故一般参照TV标准测试介损。因生产厂家执行的标准[2]未要求此项试验,正常的型式试验和出厂试验均无此项数据,故用户在新安装时必须测试电磁单元的介损,以便以后比较、分析 。

根据预防性试验规程的要求,CVT中压变压器介损的测试标准参照电磁式电压互感器(电压等级为35 kV及以下)的绕组绝缘标准值执行,但标准未注明测量试点及电压,故针对电磁单元的介损测试提出以下注意事项:

①介损测试时,测量耐电压等级高比低的地方的介损意义大,故测量重点应放在一、二次线圈间 。

②某些电容器油、变压器油、SF6介质是强电负性,低电压时偶极子偏转时间较长,被介损仪器误测为绝缘损耗;而高电压时偶极子偏转时间短,不影响介损测试。故测试时应尽量用较高电压,但不能超过设备的耐电压水平,以免损坏设备 。

③整体无法分拆测试时,要注意被测点的并联支路(包括通过杂散电容并联)和接线面板的影响 。

④同样的产品,某些部件可能因为满足生产厂家执行的标准要求而不太考虑装配位置的公差配合要求,在一定范围内影响到介损的测试结果,造成同一批产品的测试结果不同 。

⑤不同型号的产品,本来装配位置就不一致,更有可能造成介损测试结果分散 。

在现场,电容分压器与电磁单元不能分解,且某些型号没有A′端子,必须串联分压电容测试。经试验和计算,可将分压电容简化,且对电磁单元的电容及介损无影响,故试验线路未接入分压电容。常规测试线路即测量高压绕组对低压绕组及油箱壳之间的电容C及tanδ,高压绕组因存在层间电容、电感、直流电阻,测试时,分别对A′、XL及A′-XL进行加压测试以比较结果是否一致,测试时油箱壳未接地,测试电压均为1 kV 。

电磁单元主要由中压变压器一次线圈、多个二次线圈、铁心、补偿电抗器、油箱组成,其并联等效电路图及部件分布见图1,图中的部分电容未画出并联电阻。

一批TYD110/3 -0.01H型CVT的电磁单元进行绝缘电阻(200 GΨ,5000 V兆欧表)和电容表测杂散电容试验,其中tanδ=1/ωCR,RZ1～RZ4分别对应为CZ1～CZ4上的绝缘电阻 ,可得以下数据:

① 接线面板清洁干燥时各端子间绝缘电阻和电容参数:RZ>200 GΨ,CZ=10 pF,tanδ=0.16%;

② 断开中间变压器与补偿电抗器的连线,并将A′与XT连接,测试一次绕组对二次绕组的绝缘电阻为1/(1/(1/(1/RZ1 1/RZ3) RZ2) 1/RX)=120 GΨ,一次绕组对二次绕组的电容为1/(1/(CZ1 CZ3) 1/CZ2) CX)=200 pF,tanδ=0.013%;

③ 测试一次绕组对油箱壳的绝缘电阻为1/(1/(RX RZ2) 1/RZ1 1/RZ3)=100 GΨ,一次绕组对油箱壳的电容为1/(1/CX 1/CZ2) CZ1 CZ3=200pF,tanδ=0.016%;

④ 断开补偿电抗器与接线面板连线,测试补偿电抗器铁心不接壳时绕组对壳的绝缘电阻RZ4=130 GΨ,绕组对壳的电容CZ4=150 pF,tanδ=0.016%;铁心接壳时绕组对壳的绝缘电阻RZ4=120 GΨ,绕组对壳的电容为CZ4=300 pF,tanδ=0.009%;

⑤ 断开a-n、da -dn与接线面板连线,并一起短路,测试二次绕组对壳的绝缘电阻为1/(1/(1/(1/RZ1 1/RZ3) RX) 1/RZ2)=100 GΨ,二次绕组对壳的电容为1/(1/CZ1 CZ3) 1/CX) CZ2=370 pF,tanδ=0.009%;

⑥ 二次绕组间绝缘电阻和电容分别为Ran-dadn=70 GΨ,Can-dadn=800 pF,tanδ=0.006%。

分析可知,测试杂散电容介损时,在并联等效回路中,如计算介损<10-4则将电阻支路开路,介损>104则将电容支路开路;在串联等效回路中,计算介损<10-4则将电阻短路,介损>104则将电容短路。接线面板接入线路后,CZ约为其它杂散电容的1/20,可忽略不计。当接线面板受潮或污秽,RZ降低较快,而CZ不变,故在等效电路中忽略CZ 。

a)CVT电磁单元的介损测试重要性不能与电容器、电磁式TV相提并论 。

b)电磁单元的介损测试更多地反映出各带电部件与油箱壳的杂散电容的介损;而测试两个二次绕组之间的介损,则反映油箱内的油及其他绝缘材料是否受潮或劣化 。

c)测试点不同对电磁单元介损测试影响不大 。

d)接线面板的绝缘电阻对电磁单元的介损测试影响很大 。

电容式电压互感器（CVT）是高压电网供电计量、保护、指示和同期用的重要设备，可兼作耦合电容器供电力载波通信线路、高频保护和远动通道之用。与电磁式电压互感器相比，CVT 可防止因铁心饱和引起的铁磁谐振，并具有优良的瞬变响应特性，因此在 110~500 kV 中性点直接接地系统中得到广泛应用。但受到设计#工艺和原材料等多种因素的影响，CVT 投运后故障率远远高于常规的电压互感器和耦合电容器， 严重影响了电网的安全运行。目前电网中正在运行的 CVT，除少数早期投运的产品外，大部分是电容单元和电磁单元集合一体式型号，此类 CVT 外部和端子箱中无电磁单元一次侧引出线，如该部分发生故障，在不对设备进行解体的情况下，难以直接对其进行单独试验以准确判断故障情况，遇到此类问题时，可通过排除法并结合其他关联试验结论来间接判断故障情况 。

通过试验排除上节耦合电容器和二次绕组发生故障的可能，其次通过自激法对下节耦合电容器进行介质损耗因数和电容量试验，通过异常信号判断该部分有电气联接开断情况，对下节耦合电容器与电磁单元一次部分进行整体绝缘测试并且对油箱中绝缘油化验分析， 发现油箱中有电弧放电现象，由此将故障锁定为 CVT 电磁单元一次侧断 线。

故障实况：220 kV 某变电站在正常运行中，突然出现220 kV 副母线压变 B 相二次侧失压故障，相关部门遂下令进行停电检查 。

故障相压变由 2 节瓷套外壳的电容分压器和安装在下部油箱中的电磁单元构成。 其中C11安装在上节瓷套内，C12分压电容和C2共装在下节瓷套内。其电容量分别为：C11=19 615 pF，C12和 C2串联后的电容量为 19 705 pF 。

故障发生后，在运行状态下，试验人员分别直接对 3 个二次电压绕组进行输出电压测量， 确认电压输出为 0，现场检查 CVT 外观正常，无异音现象 。

故障原因分析：

原理分析：

根据 CVT 结构特点和工作原理可知，可能导致CVT 二次侧失压故障的原因主要有：电磁单元一次引线、绕组断线或接地；分压电容C2短路；各分压电容之间的联结断线；油箱电磁单元烧坏、进水受潮等故障；接地端连接不牢固，N，P 连接不牢固或放电 。

电气试验分析：

针对可能导致故障发生的因素，在设备停电状态下对该 CVT 进行诊断试验， 分别测量了该 CVT上下节耦合电容器的绝缘电阻、介质损耗因数、电容量和中间变压器的二次绕组直流电阻、绝缘电阻以及绝缘油化验分析。 试验表明该 CVT 上节耦合电容器绝缘电阻、介质损耗因数和电容量均在合格范围内，因此可排除上节耦合电容器发生故障的因素 。

对下节耦合电容器和电磁单元试验时发现异常试验数据。下节整体绝缘电阻（含电磁单元）为4 000 M欧，小于合格标准的5 000 M。采用自激法测量。C12和C2的介质损耗因数和电容量时，仪器显示高压无信号，未出现输出过载等其他异常信号。在排除试验接线错误、试验仪器故障、现场电磁场环境干扰的因素后，初步判断该 CVT 一次侧、二次侧之间的电压关联已经被破坏 。

在此基础上，对该 CVT 二次绕组绝缘电阻和直流电阻进行测量，试验结果表明其二次绕组绝缘电阻和直流电阻均合格，故可排除二次绕组故障的因素，由此故障范围缩小为下节耦合电容器和电磁单元一次侧部分 。

下节耦合电容器包括分压电容 C12和 C2，假设故障发生在该部位， 则应出现 C12断线或 C2短路的情况， 然而在测量 C12和 C2的介质损耗因数和电容量时仪器未出现输出过载信号， 表明 C2并未短路C又由于下节电容器与电磁单元整体绝缘电阻偏低，与 C12断线的情况不相符。因此故障部位很可能出现在电磁单元，且由于故障原因导致下节整体内部绝缘状况劣化，造成绝缘电阻偏低 。

绝缘油化验分析：

由于该类型 CVT 外部和端子箱中无电磁单元一次侧引出线，难以直接对其进行单独试验以准确判断故障情况，鉴于此通过关联试验来间接判断故障情况。电磁单元安装在 CVT 下部油箱中，当电磁单元一次侧引线发生非应力性断裂时（如高温烧灼或电弧放电等情况），绝缘油中会析出相应的故障气体，根据析出气体类型和产量可以判断故障性质。通过对该 CVT 绝缘油化验分析发现，油中氢气和总烃产量均超标，且油中含有 C2H2，表明中间变压器内部发生过电弧放电现象 。

CVT由电容分压器和电磁单元组成。其中，电容分压器由高压电容器C1和中压电容器C2组成。电磁单元由中间变压器，补偿电抗器，避雷器，二次回路等组成。二次回路一般包括2~4组二次绕组和一组辅助绕组，辅助绕组主要元件为阻尼器 。

电磁单元中阻尼器由用于产生并联谐振的电容器和电抗器并联，再和阻尼电阻串联。阻尼器并联在额定电压为100V的辅助绕组(即剩余电压绕组)上，电容C和电感 L在工频下调至并联谐振状态。此时回路阻抗很高，只有很小的电流流过阻尼电阻。当出现低频分次铁磁谐振时，回路的并联谐振条件遭到破坏。于是，阻抗下降，电流剧增，瞬时在阻尼电阻将会消耗殆尽该谐波功率，从而实现阻尼分频谐振 。

母线过电压往往导致与之相连的电压互感器电磁单元损坏。根据厂家故障统计，电磁单元中故障概率极高的部位是阻尼器电容器。阻尼器电容器厂家主要采用自愈式电容器，该电容器在发生内部击穿时，依靠击穿能量使得击穿点周围的金属极板涂层蒸发，从而使绝缘水平迅速得以恢复。但当击穿点较多或击穿面积较大时，其自恢复绝缘能力降低，并将加速内部介质的击穿直至电容器短路，从而导致 CVT测量电压发生显著变化 。

CVT电压异常分为二次失压"电压值偏高或偏低。如果中间变压器出现故障或避雷器击穿，或中压电容器C2击穿，将无电压输出，引起电压偏高或偏低的原因可能是电容分压器有局部击穿。另外，也可能由于质量问题或者系统过电压冲击导致阻尼器电容器击穿。通过高压试验测量阻尼回路电流可以及时、有效地发现CVT内部电磁单元阻尼器故障 。

具体分为两步: 第一，通过测量绝缘电阻和直流电阻是否符合规程来检定二次绕组是否损坏。若异常，则二次绕组故障; 若正常，转入下一步。第二，检查阻尼器状态。先短接da~dn，打开d1~d2连接片。同时，还需要打开N-X连接片，使得中间变压器在高压试验时空载运行，并构成独立的、可测试两端口的阻尼回路。再在阻尼器两端口d1~d2上施加有效值为 100V的工频电压，测试其阻尼电流!最后根据测试结果检定。判据为: 若阻尼电流为0，说明阻尼回路开路，则可能是阻尼电阻烧毁。若阻尼电流大于0且不大于 1A，则阻尼回路正常，否则超出范围判断为阻尼器电容器发生故障。现场多台设备测试表明，阻尼电流一般为0.6左右 。

值得注意的是，现场实测时，不同产品(不同类型和电压等级) 阻尼电流额定值有所不同，不能直接套用本方法中的标准值。本方法重点在于以高压试验为手段提出了一种解决问题的思路。因此，应参考厂家阻尼器电气原理图和设计参数，依据公式 (1) 的原理计算额定值。另外，该测试方法可以推广为从d1~d2端子施加工频电压10V，再测试阻尼回路电流。正常情况下，阻尼电流不大于0.1A。同时，测试要结合三相横向对比和历史数据的纵向对比来全面分析，保证判断的准确性 。

该方法适用于停电检修，根据仪器条件，可以灵活应用。特别是目前例行试验中未对阻尼电流进行考核，无法针对这类现场频繁出现的由于电磁单元阻尼器损坏导致油箱发热、二次电压异常的故障进行状态监督!因此，本文提出的检定方法具有重要的实际意义 。

从图1可以大致了解标准单元的种类。一般来说各种门电路，触发器及各种I/O单元是一个标准单元库所必须的配置，这些配置可以满足一个纯数字电路ASIC电路的设计需要，其他宏单元（含模拟宏单元）在许多工艺线往往有作为IP形式提供，所以也可以不完全纳入标准单元库中 。

图1 单元库种类

a）标准单元

标准单元包括反相器、与门、寄存器、选择器、全加器等多种基本单元，每一个标准单元对应着多个不同尺寸(W/L)、不同驱动能力的单元电路，而且不同驱动强度电路都是基本尺寸或最小尺寸的整倍数。 单元库的多样性可以有效提髙综合工具和自动布局布线工具的效率，同时也使得设计者可以更加自由地在性能、面积、功耗和成本之间进行优化。

为了实现工具的自动布局布线，建库时即在标准单元版图设计时有许多特殊的设计规则，大致如下：

1. 所有单元都是等髙的矩形,或者髙度是基本高度的整数倍，以确保电路设计阶段不会使用其他非常规的尺寸。

2. 为保证各单元与其他单元放置时不引起 DRC错误,所有版图要用预先定义的模板进行设计，

3. 由于经典布线器采用基于网格的方法进行布线连接，这一方法可以简化布线工具的算法，减小计算机占用的内存资源。 因此所有单元的输人输出端口的位置、大小、形状都尽童满足网格间距的要求，以提高布线器的效率.

4. 电源线和地线一般位于单元的上下边界，以便于连接共享，减小芯片面积。

b) 模块单元

模块单元(block)包括各种规模的数字模块:RAM、ROM、COT、IP、电压比较器等，也包括模拟模块:运算放大器、ADC/DAC、锁相环、振荡器等。

模块单元的版图实现及其物理建库与标准单元相似。对于 RAM 或 ROM模块单元的建库，可以仿照标准单元的过程，先建立RAM或ROM基本单元，再根据比特(bit)长和字(word)长，用半自动化的方法自底向上堆砌生成版图。对于具有特殊要求的数字模块，如IP和COT 模块，则通过全定制的方法建立版图供建库使用。

c）I/O单元

芯片与印刷电路板通信的接口电路统称为 I/O 电路。它作为芯片与外界通信的接口必须具有较大的驱动能力，抵御静电放电的能力，抗噪声干扰的能力以及足够的带宽和过电保护功能。 I/O 的种类包括输入 1/0、输出 I/O、双向输人输出 I/O、供电 I/O 和接地 I/O。I/O的组成大致可分为三部分，即 PAD接口、信号缓冲电路和静电放电保护电路 ESD。

作为"多通道大功率电法勘探仪"子项目的重要课题之一，本课题旨在研制M-TEM电磁数据采集与控制系统，包括主控分系统研制、200道电磁数据采集站的研制。为M-TEM系统的研制提供接收机和主控制器。 其中电磁数据采集站研制负责完成模拟信号的调理，信号采集、采集通道标定以及信号相干解码和数据质量评价等关键任务。主控单元研制负责完成多站配置与管理、人机交互、时间同步、分区算法与分区管理及数据通信协议设计等任务。 通过本课题的实施，预期完成M-TEM大功率电法勘探系统主控机一台，数据采集站200道，达到如下技术指标：动态范围160dB、同步精度5μs、最高采样率16Ksps、最小可检测电压50nV、最大带道能力1000道。,作为"多通道大功率电法勘探仪"子项目的重要课题之一，本课题旨在研制M-TEM电磁数据采集与控制系统，包括主控分系统研制、200道电磁数据采集站的研制。为M-TEM系统的研制提供接收机和主控制器。 其中电磁数据采集站研制负责完成模拟信号的调理，信号采集、采集通道标定以及信号相干解码和数据质量评价等关键任务。主控单元研制负责完成多站配置与管理、人机交互、时间同步、分区算法与分区管理及数据通信协议设计等任务。 通过本课题的实施，预期完成M-TEM大功率电法勘探系统主控机一台，数据采集站200道，达到如下技术指标：动态范围160dB、同步精度5μs、最高采样率16Ksps、最小可检测电压50nV、最大带道能力1000道。