35kV電容式電壓互感器電磁單元發熱故障分析

梁 靜，吳冬文

（江西省電力公司檢修分公司，江西 南昌 330029）

0 引言

電容式電壓互感器（CVT）是用來將高電壓按比例關系變換成標準二次電壓，供保護、計量、儀表裝置使用的電氣設備。如果電壓互感器存在故障，不但無法起到測量、保護作用，還可能會影響其他設備的運行，引發事故。因此，電壓互感器能否可靠運行，是關系到電力系統安全運行的一項重要因素。

35 kV電容式電壓互感器是500 kV主變壓器過電壓繼電保護不可缺少重要設備。500 kV變壓器低壓側母線連接有較多的無功補償設備，在投切設備過程中，母線可產生較大過電壓，往往導致與之相連的電壓互感器二次阻尼器元件損壞，進而阻尼器工頻諧振條件破壞，從而電氣發熱使阻尼器所處的互感器電磁單元溫度異常。

對運行中的電容式電壓互感器進行精確紅外診斷是電力設備狀態評估和帶電診斷行之有效的技術手段和重要方法。電力設備的紅外診斷工作具有不停電、不取樣、不接觸、直觀、準確、靈敏度高及應用范圍廣等優點，可以準確地判斷設備內部故障，對保證電網安全運行和提高設備運行可靠率有重要作用[1]。

在迎峰度夏大負荷期間江西省電力公司檢修分公司技術人員對所轄變電一次設備進行特巡，通過紅外精確測溫技術發現并及時處置了一起35 kV電容式電壓互感器電磁單元發熱故障。

1 故障情況

2012年8 月，在紅外測溫巡檢中發現500 kV夢山變電站2號主變35 kV側A相電磁單元過熱（最高溫度A相：36.65℃，B相：28.97℃，C相：28.77℃，環境溫度：21℃，濕度：65%），設備型號：TYD35√3-0.02FH。詳細圖譜見圖1。

圖1 35 k VCVT電磁單元發熱紅外圖譜

現場對35 kV電壓互感器外觀及油箱油位進行了停電檢查，A相無明顯放電痕跡，且油位正常。對2號主變壓器低壓側電壓和避雷器泄露電流及動作情況也進行檢測，除A相二次電壓值輕微增大外，其它無異常情況，由此可表明系統的一次電壓并無異常，其具體數據見表1。

表1 2號主變35 k V側母線電壓值和避雷器泄露電流

2 35 kV電容式電壓互感器母線電壓分析

在超高壓、大容量的電網中安裝一定數量的無功補償裝置（包括并聯電抗器和電容器組），其目的：一是補償容性充電功率；二是在輕負荷時吸收無功功率，控制無功潮流，穩定電網的運行電壓[2]。500 kV夢山變電站2號主變35 kV側母線集中連接的無功補償設備有干式電抗器2-1L、2-2L和電容器組2-1C，見圖2。根據系統無功補償的需要，可有選擇地投切電抗器或電容器，但由于無功設備的伏安特性曲線的非線性因素，斷路器在投切瞬間，并非出線在電流自然過零點瞬間，因此35 kV II母線將產生操作過電壓，此操作過電壓會對電容式電壓互感器內部元件造成損壞。

圖2 2號主變35 k V側母線一次設備接線

3 35 kV電容式電壓互感器電氣原理分析

3.1 電容式電壓互感器工作原理及等值電路

電容式電壓互感器是利用電容串聯分壓的原理來實現電壓變換，即將高壓施加于幾個串聯的電容上，從其中一個電容抽取較低電壓，然后利用中間變壓器來實現高壓與低壓間的電氣隔離，見圖3。

圖3 CVT的電氣工作原理

圖3為CVT的電氣工作原理，其主要元件有電容單元（C1、C2）、補償電抗器L、中間電磁式變壓器T及阻尼器ZD等。由于兩個電容為串聯，所以兩個電容上的電壓總和等于電源電壓，即：

根據電路理論有：

因此，圖3中δ點的電壓為，運行中的電壓互感器分壓電容器C2兩端可以看成一個有源二端口，利用戴維南等效定理，可等效成電路圖4、5。

圖4 戴維南等效定理

圖5 CVT等效電路

在圖5中，電路的等效電源為UC2，電源內阻抗為：

中間變壓器漏抗中的感抗為，由于漏抗分量電阻抗較小，可忽略其影響。為了減少接入負荷時在電源內阻抗和中間變壓器漏抗中產生壓降而形成電壓誤差，通常在中間變壓器一次側串聯一補償電抗L，其電抗值為，引入補償電抗器后，能有效地減少互感器的誤差，見式（4），此時回路的感抗基本上等于容抗。

正常運行狀態下，中間變壓器T處于非飽和線性伏安特性下，勵磁阻抗較大，此時在電路中勵磁支路可以忽略為開路，并且負載阻抗遠大于勵磁阻抗，因此負載也為開路。當系統電壓受操作過電壓的影響，可使得中間變壓器鐵心飽和，此時中間變壓器處于非線性伏安特性曲線范圍內，勵磁阻抗迅速下降，此時可能出現頻率較低的分頻或高頻形成等效回路中容抗等于或接近于感抗情況，即，此時電路處于串聯諧振或接近串聯諧振狀況。在諧振條件下，回路中的電流和在中間變壓器T的電壓都將異常增大，將使電壓互感器嚴重受損甚至燒毀[3-5]。

3.2 消諧措施

為有效消除諧振，最有效的方法就是在互感器二次剩余繞組并聯接入一阻尼器ZD，如圖3所示。將其等值阻抗折算到中間變壓器的一次側，則阻抗為，見圖5虛線部分。由于阻尼電阻與勵磁變壓器并聯，且相對于勵磁電抗很小，并聯回路中阻尼起主要作用，能有效逆抑制鐵磁諧振的發生，但條件是中間變壓器伏安特性曲線的拐點應高于CVT二次側阻尼器伏安特性曲線的拐點，避免在過電壓下，中間變壓器先于阻尼器飽和形成諧振條件，失去阻尼器的阻尼作用[6-8]。

常見的阻尼器由產生并聯諧振的電容器C和電抗器L并聯后再串聯電阻R組成，見圖6。正常運行時，電感L、電容C在工頻電壓下處于并聯諧振狀態下而呈高阻抗，但當系統出現操作過電壓時，電流分頻或高頻分量較大，回路并聯諧振條件破壞，則電流劇增，流過電阻R的電流增大，消耗較大功率，可以有效阻止諧振的發生。

圖6 阻尼器等效電路

4 電磁單元發熱故障分析

如前所述，阻尼器是電容式電壓互感器內部電路中防止串聯回路中分頻諧振或高頻諧振必不可少的重要元件，但如果互感器運行電壓出現較大的操作過電壓時，電壓的峰值可擊穿阻尼器單元中的電容元件C，使得阻尼電路中電抗L、電容C并聯工頻諧振條件破壞，阻尼器流過的工頻電流劇增。

從而使得電磁單元溫度升高。可以采用合適的電路檢測阻尼器的諧振電流來判斷各元件的完好性，因互感器的阻尼器和二次剩余繞組并聯于電磁單元油箱中，檢測諧振電流的方法必須打開互感器下部電磁單元油箱，采用圖7電路進行諧振電流測量。由于阻尼器的額定工作電壓即為互感器的二次剩余繞組輸出電壓，為交流100 V，因此可直接使用滑刷式220/250 V型調壓器TR進行變壓，測量出電容元件故障時阻尼器伏安特性曲線電流值隨電壓增加而迅速增大，額定電壓交流100 V值時電流達6.3A。更換合格的電容元件后，阻尼器伏安特性曲線電流值隨電壓增加而增速平緩，形成明顯并聯諧振電路特性，額定電壓交流100 V值時電流為0.32 A，見圖8。阻尼器電阻元件R的阻值為10Ω，因此阻尼器電容元件故障后回路電流過大使得電阻元件異常發熱，是造成CVT電磁單元過熱的主要原因。更換合格的電容元件后（圖9），電壓互感器運行正常。

圖7 阻尼器工頻諧振電流測量電路圖

圖8 阻尼器伏安特性曲線

圖9 更換35 kVCVT電磁單元中的電容元件

5 結語

在超高壓、大容量的電網中的無功補償裝置并聯電抗器和電容器組集中安裝在主變低壓側母線上，用于補償容性充電功率或吸收無功功率，控制無功潮流，以穩定電網電壓。在投切無功補償裝置電抗器或電容器過程中，母線將產生操作過電壓，過電壓傳遞到互感器二次剩余繞組，會導致并聯在剩余繞組的阻尼器電容元件擊穿損壞。

阻尼器是電容式電壓互感器防分頻或高頻諧振重要的裝置，一般由電容器元件和電抗器元件并聯組成，在正常運行條件下，呈工頻并聯諧振狀態，但當電容元件受操作高電壓擊穿損壞后，工頻諧振條件破壞，流過阻尼器的工頻電流激增，造成電容器電磁單元發熱。

對運行中帶電設備進行精確紅外診斷是電力設備狀態評估和帶電診斷行之有效的技術手段和重要方法。能夠發現設備的先期缺陷，避免缺陷發展成設備停電事故，保障電網的安全運行。

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