一起35 kV電容式電壓互感器二次電壓異常升高故障分析

徐長海，王靜君

(1.南京供電公司，江蘇南京，210000；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103)

電容式電壓互感器兼有電壓互感器和電力線路載波耦合裝置中的耦合電容器的功能，主要用于測量、繼電保護、同步檢測、長距離通信、遙測和監控等。電容式電壓互感器在實際應用中不僅具有可靠的阻尼鐵磁諧振性能、優良的瞬變響應，而且絕緣性能好、價格便宜，因此近幾年在電力系統中得到廣泛應用。電容式電壓互感器除了在變電站線路出線側廣泛使用外，還代替電磁式電壓互感器大量應用在母線側和變壓器出線套管側。然而受設計制造經驗、工藝水平及原材料等因素的限制，電容式電壓互感器存在較多的質量問題，在實際運行過程中發生了不少故障。其最常見的故障主要有：中間電壓電磁單元的中壓端限壓避雷器擊穿、二次電壓異常升高或降低等[1-3]，威脅了電網的安全穩定運行。文中介紹了對1臺35 kV電容式電壓互感器在運行中出現二次電壓升高的分析過程，為類似故障的分析處理提供參考。

1 結構介紹

電容式電壓互感器在結構上一般由電容分壓器和電磁單元兩部分組成。電容分壓器包括高壓電容器C1（主電容）和中壓電容器C2（分壓電容），電磁單元包括中間變壓器、補償電抗器、阻尼裝置及保護裝置等元件，它利用電容分壓器將輸電電壓降到中壓（10～20 kV），再經過中間變壓器降壓到100 V或100V供給計量儀表和繼電保護裝置[4-6]。電容式電壓互感器工作原理可以概括為耦合電容器分壓、中間變壓器降壓、電抗器補償、阻尼器保護。其接線原理如圖1所示。

電容式電壓互感器由1組瓷套外殼的電容分壓器（包括主電容C1，分壓電容C2）以及安裝在下部油箱中的電磁單元組成，電容器的芯子由若干元件串聯組成，C1、C2的電容量均為20 000 pF左右，電磁單元中間變壓器的一次端A在C1與C2的中間抽頭處，3組二次繞組的接線端子a1x1、a2x2、anxn從分壓器底部的油箱側面引出到外部。

圖1 電容式電壓互感器接線原理

2 故障現象

2013年7月19日，某變電站35 kV母線C相電容式電壓互感器在電網正常運行條件下發生故障，二次電壓顯示值偏高。該電容式電壓互感器型號為TYD

發現上述異常后，首先對故障現象進行初步判別：由圖1可知，二次電壓的大小與中間變壓器的變比和分壓電容的大小有關，從故障現象來看，電容式電壓互感器的二次電壓僅是升高并未完全失壓，因此不可能是電磁單元變壓器一次引線斷線或接地、分壓電容器C2短路等故障所致。由此分析，引起二次電壓異常升高的故障原因可能會有以下3個方面：（1）電容單元損壞，引起分壓比變化，C1變大或者C2變??；（2）分壓電容接地端未接地，引起懸浮電位升高；（3）電磁單元損壞，電壓比發生變化。中間變壓器一次線圈匝數變小或者測量線圈匝數變大。

3 原因分析

3.1 試驗檢查

為了查清該電容式電壓互感器內部存在的問題，將此間隔的電容式電壓互感器退出運行后，首先在現場進行了外觀檢查和絕緣電阻測量、介質損耗及電容量測量等試驗。

3.1.1 外觀檢查

拆除一次引線后，該電容式電壓互感器外觀無損傷痕跡，分壓電容接地引出端接地良好。

3.1.2 絕緣電阻測量

檢測電磁單元二次出線端對地絕緣、繞組間的絕緣性能，A、B、C三相二次出線端的絕緣電阻均大于5000 MΩ，絕緣性能良好。

3.1.3 電容量及介質損耗測量

采用自激法測量主電容C1和分壓電容C2以及介損tanδ，檢驗結果如下表1所示?？梢夾、B、C三相的電容量、介損tanδ檢驗數值基本一致，可以判定該電容式電壓互感器的電容單元C1、C2及介損正常。

表1 電容量及介損tanδ檢測數據

3.1.4 變比檢測試驗

同樣采用自激法，對該電容式電壓互感器的二次出線端子（a1x1、anxn）分別進行加壓，將一次電壓升至額定電壓，檢查電容式電壓互感器的電壓比，結果如表2和表3所示。

表2 二次出線a1x1升壓試驗數據

表3 二次出線anxn升壓試驗數據

從表2、表3所測的試驗數據來看，A、B相的二次電壓試驗數據一致，C相的二次試驗電壓偏大60%左右，二次試驗電流偏小30%左右。該電容式電壓互感器絕緣電阻、電容量、介損tanδ等的試驗檢測結果可以排除電容單元C1、C2存在故障的可能，因此可以確定該電容式電壓互感器的電磁單元存在故障。

另外從二次電壓升高、二次電流減小的試驗情況來看，初步判斷C相的中間變壓器存在一次繞組匝間短路現象。

3.2 解體檢查

為了進一步分析故障原因，對該電容式電壓互感器進行了解體檢查。解體前對故障相C相進行了油色譜檢測，檢測結果如表4所示。

表4 C相油色譜檢測數據 μL/L

根據表4的油色譜檢測數據，故障相C相的絕緣油中 H2、C2H4、CH4、CO2、C2H6等各種特征氣體均已超標。如H2含量為2242 μL/L，遠大于規程要求的注意值 150 μL/L；C2H2含量為 800.8+ μL/L，遠大于規程要求的注意值1 μL/L。C2H2及H2等特征氣體的大量存在，表明故障相在運行過程中發生了電弧放電。通過三比值法分析，H2、C2H4等氣體是由于C相的中間變壓器存在匝間短路引起油、紙電弧放電，由此產生的高溫使絕緣油裂解生成各種特征氣體。因此可以判斷中間變壓器一次繞組存在匝間短路故障。

對中間變壓器的二次繞組anxn進行空載試驗，發現空載電流的實測值是正常值的2倍,試驗數據如表5所示。由此，可以明確肯定這是由于中間變壓器的一次繞組存在匝間短路故障，引起二次電壓升高。

表5 中間變壓器空載試驗數據

另外，檢查電磁單元內部元器件，發現中間變壓器二次繞組a1x1并聯的阻尼器電容單元已開路。

3.3 原因分析

根據試驗數據的分析和解體檢查的情況綜合判斷，造成中間變壓器一次繞組匝間短路的原因是：二次繞組的阻尼器電容單元發生開路，致使阻尼器失去阻尼作用，在運行過程中發生諧振，諧振引起的暫態過電壓使得中間變壓器一次繞組匝間絕緣擊穿燒損。短路電流所產生的熱量在短時間內使變壓器油分解產生大量的氣體。如果故障持續下去，極有可能造成電容式電壓互感器的下節油箱油氣噴出，或使高壓電容C1兩端所加電壓太高而發生爆炸等極其嚴重的故障。

4 結束語

電容式電壓互感器設備故障率較高，通過密切監測電容式電壓互感器二次電壓的變化情況來判斷該設備是否正常是一種簡單易行的有效方法。另外，可以通過定期紅外測溫檢測等有效手段，發現一些在線監測裝置難以發現的缺陷，保證設備的安全、可靠運行。

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