110 kV 電容式電壓互感器電磁單元發熱分析

劉 瀟

(廣東電網公司惠州供電局，廣東惠州516001)

0 引言

電容式電壓互感器(TYD)是通過串聯電容器分壓，再經電磁式互感器降壓和隔離，作為表計、繼電保護等的一種電壓互感器，電容式電壓互感器還可以將載波頻率耦合到輸電線用于長途通信、遠方測量、選擇性的線路高頻保護、遙控、電傳打字等。與常規的電磁式電壓互感器相比，電容式電壓互感器除可防止因電壓互感器鐵芯飽和引起鐵磁諧振外，在經濟和安全上還有很多優越之處。

運行中各種原因產生的過電壓或者長久的運行年限，往往導致與之相連的電壓互感器輔助二次阻尼器元件損壞或劣化，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］。

在進行變電站紅外測溫工作中，筆者通過紅外精確測溫技術發現并及時處理了一起110 kV 電容式電壓互感器電磁單元發熱故障。

1 故障情況

2014 年 4 月，對某 110 kV 線路 A 相 TYD 進行紅外測溫時，發現該TYD 中間變壓器部分中上部溫度較其余部分高出約4 K。2014 年7 月，對該TYD 進行復測，測溫結果與上次相同。為便于對比，以下為異常發熱的110 kV 線路A 相TYD(圖1)及正常運行的110 kV 線路 A 相TYD(圖2)的紅外測溫圖。

圖1 異常發熱110 kV 線路A 相TYD 紅外測溫圖譜

圖2 正常運行110 kV 線路A 相TYD 紅外測溫圖譜

圖3 為該異常發熱110 kV 線路A 相TYD 下部油箱紅外成像分析圖。從該分析圖可見，油箱最高溫與最低溫溫差為4.4 K。排除分析誤差，溫差預計在4 K 上下。

上述分析得出結果均不符合《DL/T 664 -2008 帶電設備紅外診斷應用規范》電壓致熱型設備診斷判據中“電壓互感器(含電容式電壓互感器的互感器部分)溫差不超過2 ～3 K”的要求［3］。

依據《DL/T 664 -2008 帶電設備紅外診斷應用規范》等相關規定的要求，2014 年7 月中旬，更換該TYD。隨后進行解體分析工作。

圖3 異常發熱110 kV 線路A 相TYD 下部油箱紅外成像分析圖

2 TYD 基本參數

2.1 該TYD 銘牌(如表1)

表 1 110 kV 線路 A 相 TYD 銘牌

2.2 該TYD 電氣原理圖見圖4

圖4 110 kV 線路A 相TYD 電氣原理圖

2.3 該TYD 二次接線端子圖見圖5

圖5 110 kV 線路A 相TYD 二次接線端子圖

3 TYD 解體分析情況

解體前分別對該TYD 進行常規高壓試驗、油化驗，使用排除法進行分析，詳細數據如下。

3.1 高壓試驗

3.1.1 絕緣電阻、tanδ 及電容量

表2 絕緣電阻、tanδ 及電容量

其中，測出C1、C2后再計算其總電容量C算:10 066 pF，電容量偏差為:0.66%。

整體測量 C1+C2總電容量 C總測:9 974pF，tanδ:0.178%。

結論:電容器方面無明顯異常，初步排除為發熱原因。

3.1.2 中間變壓器

表3 TYD 中間變壓器直流電阻、變比、空載試驗結果

結論:中間變壓器繞組方面無明顯異常，初步排除為發熱原因。

3.1.3 中間變壓器二次輔助繞組阻尼器單元(即圖4 中的Z單元)

電容:288.4 μF

電阻:9.038 Ω

電感:38.72 mH

伏安特性曲線:

圖6 中藍色曲線為該TYD 二次輔助繞組阻尼器伏安特性曲線。根據廠家提供的資料，同類型阻尼器在100 V 額定電壓下不應大于0.3A。以此為標準作曲線，為圖6 中的紅色曲線。

圖6 TYD 二次輔助繞組阻尼器伏安特性曲線

同時在加壓過程中利用紅外成像測溫儀進行測溫，當加至100 V 時，阻尼器中的電阻元件發熱明顯，且與現場紅外測溫情況吻合、紅外測溫圖譜如圖7 所示。

圖7 TYD 二次輔助繞組阻尼器紅外測溫圖譜

結論:初步懷疑阻尼器中的電阻元件為發熱源。

3.2 油樣試驗(單位:μL/L)(見表4)

表4 油樣化驗結果

結論:總烴含量接近標準要求值(按油浸式電壓互感器標準)。通過三比值法初步判斷該TYD 油箱內部存在低溫范圍的過熱故障。

4 試驗結果分析

從上述試驗結果分析，排除其余元件，初步鎖定為中間變壓器二次輔助繞組阻尼器單元異常。

該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8，實物圖見圖9。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［2］。

圖8 TYD 二次輔助繞組阻尼器原理圖

圖9 TYD 二次輔助繞組阻尼器實物圖

正常情況下，阻尼器單元因呈高阻抗狀態而幾乎沒有電流流過，但是經測試得出阻尼器并聯部分阻抗為:

XL=jωL=j12.15 808 Ω

XC=1/(jωC)= -j11.042 7 Ω

Xb=(XL* XC)/(XL+XC)= -j120.37 Ω(呈容性)

上式中，XL為阻尼器并聯部分的電感的感抗，XC為阻尼器并聯部分的電容的容抗。Xb為阻尼器并聯部分的阻抗。

阻尼器阻抗為:

此時，運行中電壓為:

U=100 V

電流為:

I=U/Xz=0.828 A

與伏安特性曲線吻合(注:伏安特性曲線的測試是在放油前，而上述計算值為放油后測得值，故存在一定偏差)。

根據廠家提供的資料，在額定電壓100 V 下的電流不超過0.3 A，設 In= 0. 3 A，U = 100 V，則 Xzn= 333. 33Ω，XCn=-j11.73Ω，Cn=271.5 μF。

即與正常情況相比:電容量增大了8.9 μF，電容偏差為+6.225%。

根據實際運行經驗，電容器電容量變化的概率遠超電感的電感量變化概率，故初步推斷為電容器劣化導致電容量變大。

由此可以看出，隨著阻尼器單元中的電容器電容量增大，其容抗XC絕對值變小，阻尼器單元中的并聯部分阻抗絕對值變小，阻尼器單元總阻抗Xz變小，導致回路中的電流I 變大，導致阻尼器的電阻持續發熱。

我們假設電容量增大到一定程度，電感不變，使運行中電阻兩端的電壓為10 V，反推計算出這種情況下電流I' =1.106 A，電容量將增大至C'= 297.3 μF，較目前所測增大量ΔC=8.9 μF，電容偏差為+2.994%，則容抗Xc' = -j10.710 9Ω，并聯部分阻抗Xb'= 89.96Ω，阻尼器單元的阻抗Xz' = 90.415 9Ω。通過紅外成像測溫儀拍攝的紅外圖譜如圖10 所示。

圖10 模擬電容量增大紅外測溫圖譜

整個加壓過程中，大約5 min 時間內，電阻R 從室溫32℃左右升至超過100℃，并且溫度還在持續上升中。由此可見，隨著電容器的劣化，電容量上升，電阻溫度會急劇上升。此外，因為電阻的位置在油箱上部，此位置較熱的絕緣油不會進行循環，冷卻效果不佳。勢必造成絕緣油劣化、零部件過熱損壞等后果。

5 結語

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，但當電容元件應運行時限長等原因老化致電容量變化，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，能夠及時發現設備的隱患，避免缺陷發展成設備停電事故，保障電網的安全運行。

［1］李長慶，敬江彬，趙春捷，等.淺談紅外診斷技術在變電站電力設備中的應用［J］. 黑龍江電力，2008，30(2):11 -15.

［2］梁靜，吳冬文.35 kV 電容式電壓互感器電磁單元發熱故障分析［J］.江西電力，2013(2):65 -68.

［3］DL/T 664 -2008 帶電設備紅外診斷應用規范［S］.

［4］Q/CSG 114002 -2011 電力設備預防性試驗規程［S］.