電容式電壓互感器電容元件損壞分析

摘 要：通過對500 kV電容式電壓互感器故障原因進行分析，提出一種通過監測二次電壓相對變化情況來發現設備故障的方法。這種方法可以及時有效的發現電容式電壓互感器內部電容元件擊穿故障，便于運行人員及早采取對應措施。

關鍵詞：電容式電壓互感器 二次電壓 相對比較法 故障

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0141-02

電容式電壓互感器（Capacitor Voltage Transformer，以下簡稱CVT）是由電容分壓器和中間變壓器組成的電氣設備，它主要用于測量、繼電保護、同步檢測、長距離通信、遙測和監控等方面。隨著電網的快速發展，500kV主網的形成，500 kV電壓互感器基本上已全部采用電容式電壓互感器，但是，由于受設計水平、制造工藝等多種因素的影響，存在一定的質量問題，嚴重時將會導致主絕緣擊穿，甚至引起電容器爆炸，威脅電網的安全運行。由于容性設備的絕緣在線監測技術尚不成熟，而500 kV設備例行停電試驗周期又比較長，難以及時發現設備缺陷故障，因此對于運行中的500 kV電容式電壓互感器二次電壓的監測就顯得尤為重要。

1 CVT原理簡介

電容式電壓互感器，由電容分壓器（包括主電容器C1，分壓電容器C2）、中間變壓器（T）、補償電抗器L、保護裝置RP及阻尼器Z等元件組成，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100V或100/√3 V供給計量儀表和繼電保護裝置。

由電容分壓原理可知，中間變壓器一次測電壓為：

中間變壓器二次測電壓為：

上式中k為中間變壓器變比。由上式可以看出：主電容器C1和分壓電容器C2的變化直接影響CVT二次輸出電壓的變化。

2 CVT異常情況

2.1 發現異常

2010年9月16日，在對**500 kV開閉站**一線進行例行試驗工作中，測得**一線C相電壓互感器中節電容器介損0.289%（超過規程要求的最大值0.2%），且電容量比原始值增加2.86%，后臺二次電壓顯示偏高。同時發現**一線B相電壓互感器上節、中節電容量增大、且B相后臺二次電壓顯示偏高。該設備型號為TYD3500/-0.005H，2004年出廠。初步判斷介損超標、電容量增大有兩種可能：（1）部分元件被擊穿使電阻增大，從而導致介損增大，相應的電容量也增大；（2）內部元件有受潮現象，同樣引起電阻增大而使介損增大、電容量增大。而電壓互感器電容量增大導致其變比減小，所以一次和二次電壓都顯示偏高。隨后，聯系廠家對電壓互感器整體進行了更換。

2.2 返廠解體檢查

2011年1月將換下的CVT進行返廠解體檢查，分段測試各節電容以及介損，發現B相電壓互感器上節、中節、C相電壓互感器中節電容量全部超標（見表1）。

進一步對電容量超標的C相中節、B相上、中節進行解體檢查，使用火花間隙充放電儀逐個電容芯子進行測試，施加電壓2 kV。經過逐一檢查分別發現C相中節有5個芯子單元擊穿，B相中節有3個芯子單元擊穿，B相上節有4個芯子單元擊穿。

3 二次電壓變化與一次設備內部故障關系

3.1 電容元件擊穿對電壓比的影響

CVT二次電壓和一次電壓的關系，電壓比K：（忽略由于制造工藝引起的電容誤差，假設每只電容元件的電容量相等）

式中：n2為C2的個數；N為全部電容元件的個數；k為中間變壓器的變比。

由于雜散電容的原因，電容式電壓互感器內部串聯電容上電位近似指數分布，所以越靠近高電位處電容越容易發生擊穿。當C1發生電容元件擊穿時，n2和k不變，N變化，K變為：

K′與K的變化關系為：

設ΔN=N-N′，則公式變為：

由此可見，二次電壓的變化和電容元件的擊穿個數關系密切。且能看出：當電容元件的擊穿只發生在C1時，二次電壓升高。

3.2 電容元件擊穿對相電壓和線電壓的影響

假設相電壓為Ua，線電壓為Uab

CVT二次電壓和一次電壓比K：

當只有C1發生電容元件擊穿時，電壓比K變為：

相電壓Ua變為Ua：

Ua×KUaUa

變化率為：

△Ua

假設未擊穿時Ua=Ub，通過余弦定理：

發生擊穿時，線電壓變為：

以**站500 kV CVT為例，分壓電容結構上共三節，每節電容共有154個電容元件串聯構成，所以取N=462，經過計算可以得出元件擊穿對相電壓和線電壓的影響為：

C1擊穿1支時，N′=461，△Ua，△Uab

C1擊穿2支時，N′=460，△Ua，△Uab

C1擊穿3支時，N′=459，△Ua，△Uab

C1擊穿4支時，N′=458，△Ua，△Uab……

從上面計算結果可以看出，電容擊穿對線電壓的影響基本為相電壓的1/2。

4 采用相對比較法對二次電壓進行分析

通過以上計算可以看出電容式電壓互感器電容元件發生擊穿時會引起二次電壓的變化，但是當擊穿元件個數較少時，這種變化并不明顯，又由于系統電壓本身隨時間也在不斷變化中，這樣就會使元件擊穿引起的電壓變化量被湮沒，使我們無法通過監測二次電壓，直接發現它的變化情況。

5 結語

通過理論分析CVT電容元件故障和二次電壓對應關系，以及對實際電壓數據進行分析，可以得出以下結論：（1）CVT電容元件損壞與二次電壓關系密切。當電容元件的擊穿發生在C1時，二次電壓升高，而且對線電壓的影響基本為相電壓的1/2；（2）二次電壓相對比較法可以有效跟蹤CVT電容元件損壞情況；（3）二次電壓監測分析比定期停電檢測更能及時、有效發現CVT內部故障。

參考文獻

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