電容式電壓互感器常見的幾種故障分析判斷方法

汪一波

摘要：介紹電容式電壓互感器（capacitor voltage transformer，CVT）的特點，針對目前運行中電容式電壓互感器常見故障，提出故障分析判斷的方法。結(jié)合現(xiàn)場案例分析因電容式電壓互感器（CVT）異常而發(fā)現(xiàn)的電容擊穿情況，并依據(jù)工作中CVT二次電壓幅值和波形的運行情況，探討了運行中CVT后臺電壓的監(jiān)測及分析方法。

關鍵詞：電容式電壓互感器;電壓曲線;常見故障判斷

引言

電容式電壓互感器（CVT）與電磁式電壓互感器（PT）相比，具有絕緣強度高、不產(chǎn)生鐵磁諧振、價格較低、可兼作耦合電容器用于載波通信（PLC）等優(yōu)點，在我國電力系統(tǒng)中得到廣泛應用。由于電容器元件設計場強高于其他電氣設備，故而容易擊穿，這又使電容量和介質(zhì)損耗增大，二次電壓偏高，嚴重時會導致主絕緣擊穿，引起高、中壓電容尤其高壓電容爆炸。電容元件的損壞必然會影響電力系統(tǒng)的安全運行，主要表現(xiàn)為運行中二次電壓異常或預防性試驗中電容分壓器電容量和介損超標。為提前發(fā)現(xiàn)或監(jiān)視CVT 的運行狀態(tài)，檢修人員對有問題的CVT 進行了試驗分析和解體檢查并進行了大量的數(shù)據(jù)分析，最終得出了一個CVT故障判斷的參考依據(jù)。

電容式電壓互感器是一種由電容分壓器（由高壓電容C1及中壓電容C2組成）和電磁單元（由中間變壓器、補償電抗器、保護間隙組成）組成的電壓互感器。通過電容分壓器的分壓，將分壓后得到的中間電壓（13kV）通過中間變壓器降為100/ √3V和100V 的電壓。在正常使用條件下工作時，電磁單元的二次電壓與加到電容分壓器上的電壓基本成正比，且相位接近于零，具有接地電壓互感器的功能。

1 故障現(xiàn)象

2017年3月2日，調(diào)度監(jiān)控發(fā)現(xiàn)110kV某站110kV1M電壓越限告警（B相采樣），某巡維中心班長立即組織現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)B相電壓（62.4V）比A、C兩相（58V）高出3-4V，不平衡度達6.8%，且紅外測溫B相（33.5度）整體較A、C相高出兩度（31.6度）（電壓型致熱），而10kV 1M51PT三相電壓平衡，證明電壓偏高為B相互感器自身原因。后現(xiàn)場測量該組PT開口三角形電壓達5V。后緊急申請停電試驗，發(fā)現(xiàn)B相電容量（31400pF）較上次測量值（29370pF）高7%（超出廠家要求的5%）。

結(jié)合停電試驗結(jié)果，基本可以判定為電容分壓單元的高壓臂電容發(fā)生擊穿，導致二次輸出電壓升高。該設備為桂林電力電容器總廠2002年產(chǎn)的電容式電壓互感器，運行年限為15年。

2 故障情況及現(xiàn)象分析

上述試驗數(shù)據(jù)初步判定為電容分壓單元的高壓臂電容發(fā)生擊穿，為進一步驗證故障的原因。將CVT進行了解體。設備解體檢查情況如下：

1）電容分壓單元與電磁單元間存在滲漏，導致電容分壓單元油位降低;

2）電容分壓單元存在絕緣油電解現(xiàn)象，高壓臂電容芯子被擊穿，絕緣紙電解、碳化，絕緣油污染嚴重;

3）電磁單元各零部件未見異常。

因此根據(jù)該電容式電壓互感器故障表象、試驗結(jié)果及解體檢查情況，可以判定故障原因為：

4）電容分壓單元與電磁單元間密封失效，存在滲漏油現(xiàn)象，電容分壓單元油位降低，露出頂部電容芯子，在強電場下產(chǎn)生電解效應，析出雜質(zhì)，絕緣油劣化;

5）雜質(zhì)進入絕緣油后附著在電容芯子上，在絕緣薄弱處導致電容芯子放電，進一步污染絕緣油，形成惡性循環(huán)，最終導致電容芯子擊穿。

3 故障分析判斷方法的研究

由于CVT是全密封設備，除發(fā)生滲漏油、異常聲響等較易發(fā)現(xiàn)，其他故障一般不易直觀發(fā)現(xiàn)，必須采取一定的技術手段才能發(fā)現(xiàn)運行中可能會出現(xiàn)的異常情況。

1）紅外測溫

值班員和檢修人員例行巡檢和常規(guī)高壓試驗方法不能有效地發(fā)現(xiàn)此類故障。定期開展紅外檢測對預知此類異常有很大幫助。因為絕緣破壞前期都伴隨著熱量產(chǎn)生和持續(xù)，用紅外檢測能及時發(fā)現(xiàn)設備過熱性和潛伏性故障。由于CVT為高阻抗接地，通常情況下制熱原因為電壓型制熱。

油浸式電壓互感器熱像特征：以整體溫升偏高，且中上部溫度大。

故障特征：介質(zhì)損耗偏大、匝間短路或鐵芯損耗增大

處理意見：進行介質(zhì)損耗、空載、油色譜及油中含水量測量

紅外測溫B相（33.5度）整體較A、C相高出兩度（31.6度）（環(huán)境溫度約為22度）

2）油位觀察

若電磁單元滿油 則有可能存在電容分壓部分漏油

我們認為造成此電壓互感器內(nèi)部漏油的原因是電容分壓器底部低壓端子連接處導桿螺絲松動， 密封面傾斜， 密封不嚴， 因此導致電容分壓器內(nèi)部缺油所致。少油的元件內(nèi)部會出現(xiàn)局部放電， 長期的放電可能使介質(zhì)內(nèi)部參與的油劣化， 出現(xiàn)部分導電微粒， 這就是電容分壓器局部發(fā)熱的主要原因。

3）Tan值

電介質(zhì)的tan δ值稱為介質(zhì)損耗因數(shù)，表征的是電介質(zhì)中流過電流的有功分量和無功分量的比值。介質(zhì)是絕緣試驗的主要項目之一。它在發(fā)現(xiàn)絕緣受潮、老化等分布性缺陷方面比較靈敏有效。在交流電壓的作用下，通過絕緣介質(zhì)的電流包括有功分量和無功分量，有功分量產(chǎn)生介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗在電壓頻率一定的情況下，與tan δ成正比。對于良好的絕緣介質(zhì)，通過電流的有功分量很小，介質(zhì)損耗也很小，tan δ很小，反之則增大因此通過介質(zhì)損失角正切值的測量就可以判斷絕緣介質(zhì)的狀態(tài)。

絕緣介質(zhì)在電壓作用下都有能量損耗，如果損耗較大，會使介質(zhì)溫度不斷上升，促使材料發(fā)熱老化以至損壞，從而喪失絕緣性能而擊穿。因此介質(zhì)損失角正切值（tan δ）的大小對判斷介質(zhì)的絕緣狀況有很大意義。

4）油色譜分析

根據(jù)DLT722，220kV及以下互感器油中溶解氣體含量（LルL）不應超過下列數(shù)值：

CVT 一般為組合式單柱結(jié)構(gòu)， 上半部為電容式，下半部電磁裝置。因此，影響CVT正常運行的常見故障有電磁單元故障和電容單元故障兩類。

如果是高溫過熱，將產(chǎn)生少量乙炔，如發(fā)生放電型故障，則產(chǎn)生大量乙炔。氫氣時油中發(fā)生放電分解的氣體，但其產(chǎn)生不完全時放電引起的，在伴隨氫氣含量超標時，同時一氧化碳、二氧化碳含量較大，則可能是固體絕緣受潮后加速老化的后果。局部放電、過熱等潛伏性故障均會使絕緣油分解出不同的烴類氣體，故障涉及固體絕緣，又會產(chǎn)生CO、CO2 氣體，逐漸溶解在油中形成油中溶解氣體，氣體的含量和組成與故障的性質(zhì)和嚴重程度密切相關。通過絕緣油中溶解氣體的色譜試驗可以有效分析互感器內(nèi)放電性故障、過熱故障。

5）二次電壓監(jiān)測

但是根據(jù)CVT的工作特點可知，其本身是計量器具，二次電壓的幅值、相位和波形能反映出設備本身的運行狀況。實際運行中可利用此，注意監(jiān)視，選定合理的比照對象，從而可以較早地發(fā)現(xiàn)CVT的異常情況。

高壓電容為C1等于單個電容C除以匝數(shù)N 即：

若高壓臂電容發(fā)生擊穿，則N減小，C1增大，由于電容芯子為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，電容兩側(cè)電量相等，可得：

可得：

由上式可知，電容擊穿會導致二次電壓升高。

1）電容單元擊穿個數(shù)與電容量變化關系

若擊穿1個電容芯子，則，電容變化率，當n=80時為0.0127，根據(jù)故障電壓互感器停電試驗實測電容量變化率，可知擊穿電容芯子個數(shù)大約為，結(jié)和高壓臂內(nèi)絕像油劣化導致電容量降低效應，可認為擊穿5個電容電容單元

2）電容擊穿個數(shù)與電壓變化關系根據(jù)上述分析及現(xiàn)場實測電壓，可認為：，擊穿5層電容子后，代入可得代入可得：基本與現(xiàn)場實測二次電壓62.4V相符合。

因為負荷影響出現(xiàn)的一次電壓波動，往往從100%～110%都有可能，但一般來說，A、B、C三相因負荷影響的電壓波動會相對同步，因此，相間差不會這么大，限值5%應該是可以的。關鍵是如果電容元件擊穿，造成的影響是單向變動，不會恢復，因此，如果相間差持續(xù)增大，就有可能發(fā)現(xiàn)故障。

系統(tǒng)波動導致電壓越上限

該站調(diào)度自動化系統(tǒng)母線電壓告警值設置電壓上限報警值設置為117.7是為了躲避躲避電壓波動，但是三相電壓波動往往是同步，由上圖可知，117.7這個值對于單相來說并不是一個安全值。因此可以設置一個程序來判斷電壓波動是三相同時變化還是某相或者某兩項的變化，然后在結(jié)合計算三相相間差來實現(xiàn)更加準確的報警。

結(jié)論

由于CVT 設備的特殊性，筆者結(jié)合實際工作經(jīng)驗，簡單介紹采用油位觀察、紅外測溫、二次電壓監(jiān)測、油色譜、介損和電容容量等判斷手段，對電容式電壓互感器故障進行分析，可及時發(fā)現(xiàn)設備異常，有利于設備故障的早發(fā)現(xiàn)。