一起110 kV 母線電容式電壓互感器二次電壓異常分析

毛興華， 鄒學偉， 江明杰， 何建軍， 莫海平

(國網湖南省電力有限公司衡陽供電分公司， 湖南 衡陽421001)

0 引言

電壓互感器在電力系統中是實現一、 二設備連接的重要紐帶， 起著監控電網運行、 繼電保護、 計量的重要作用， 其運行可靠性關乎電網的安全穩定運行[1]。 目前系統中電壓互感器應用較為普遍的形式主要有電磁式與電容式 (以下簡稱CVT)，CVT 因具有優越的性能， 被廣泛應用在電力系統中。 與傳統的電磁式電壓互感器相比， CVT 能有效抑制鐵磁諧振， 同時分壓電容可以用作耦合電容器以實現通信載波。 近年來CVT 受制造工藝、 安裝水平及運行環境等因素影響故障頻發， 給整個電網穩定運行帶來安全風險[2]。

本文對一起110 kV 母線CVT 二次電壓異常故障案例進行分析， 并給出了CVT 故障分析及處理相應建議， 為現場故障診斷提供技術參考。

1 故障簡介

2020 年8 月6 日， 通過CVT 計量異常在線監測裝置發現某220 kV 變電站110 kV Ⅰ母TV 計量裝置異常， 該裝置于2002 年12 月投運， CVT 型號為TYD110/-0.02H， A、 B、 C 相二次電壓分別為60 V、 60 V、 59 V， C 相二次電壓低于A、 B 相電壓1 V。 對該CVT 進行停電試驗， 結果顯示電容量與變比偏大， 隨即對該母線電壓互感器進行了更換， 對設備進行解體， 并進行故障原因分析。

2 理論分析及停電試驗

2.1 C 相二次電壓偏低理論分析

CVT 原理如圖1 所示， 上下節電容串聯分壓，上節電容為C1、 下節電容為C2， 每部分電容由多個電容元件串聯組成[3]。

圖1 電容式電壓互感器原理

結合原理圖分析， C 相二次電壓降低說明極有可能是分壓電容器C2上的電壓U2降低， 而根據分壓公式U2的表達式為:

式中， U 為母線相電壓。

根據分壓公式， 若U2電壓降低可能是由C2增大所致， 而C2是由多個電容元件串聯組成， 根據電容串聯公式， 只有當C2串聯部分電容元件減小時， 總電容C2才會增大[5]。 因此， 初步懷疑下節電容C2內有電容元件擊穿， 造成該CVT 變比增大，從而導致C 相二次電壓降低。

2.2 停電試驗情況

對該CVT 進行了絕緣電阻、 介質損耗及電容量、 電壓比及油中溶解氣體分析、 油耐壓、 介損、 微水等試驗。 其中絕緣電阻、 介質損耗及電容量、 變比試驗、 油中溶解氣體分析數據分別見表1—4。

根據三比值法計算， 三比值 (C2H2/C2H4，CH4/H2， C2H4/C2H6) 代碼是102， 對應的故障類型為電弧放電， 說明該CVT 內部存在放電故障。

表1 絕緣電阻試驗數據 MΩ

表2 介質損耗及電容量試驗數據

表3 變比試驗數據

表4 C 相CVT 油中溶解氣體分析數據μL/L

通過停電試驗數據可以看出， 該CVT 的C 相總電容初值差達3.33%， 超過要求。 而造成總電容偏大的主要原因是下節電容C2明顯偏大， C2初值差達8.34%， 同時變比較A、 B 相CVT 有顯著差別。 結合電容量、 變比測試及油中溶解氣體分析結果， 初步判定該CVT 下節電容C2有電容元件被擊穿。

3 解體檢查分析

3.1 解體檢測情況

對該變電站110 kV Ⅰ母電壓互感器進行了緊急更換， 將CVT 移至高壓試驗大廳進行解體檢查。將外部套管取出， 檢查內部電容芯子情況， 通過檢查發現: 上節電容C1共有72 屏電容芯子， 下節電容C2共有34 屏電容芯子。 使用萬用表檢查每屏電容芯子兩極的導通情況， 上節電容C1檢測無異常，下節電容C2檢測至第30 屏電容芯子時， 發現兩極之間存在導通情況。

拆除該CVT 電容芯子兩側支撐件， 查看下節電容C2第30 屏電容芯子周圍情況。 通過觀察發現C2電容下部有明顯的放電擊穿痕跡， 且C2電容下部外側有清晰的灼燒現象， 灼燒面積覆蓋第30—32 屏， 如圖2—3 所示。

圖2 C2電容下部電容芯子

圖3 第30、 31 屏電容芯子放電痕跡

對每一屏電容芯子進行拆除， 檢測電容芯子內部情況， 通過圖2—3 可以看到該CVT 下節電容C2的第30、 31 屏電容芯子中間發生明顯的放電擊穿。利用萬用表電阻檔對每屏電容芯子進行電阻測量，結果顯示外觀良好的電容芯子其兩極電阻無限大，而第30、 31 屏電容芯子其兩極電阻分別為295.9 Ω、 369.5 Ω， 進一步驗證了該電容芯子確已發生擊穿現象。

3.2 故障原因分析

1) 通過停電試驗數據可以看出， C 相電壓互感器1a-1n 繞組的額定變比k1=1 100， 而實測變比k2=1 121。 后臺數據顯示該變電站Ⅰ母電壓為116 kV， 由此計算1a-1n 繞組在額定變比的二次電壓為:

1a-1n 繞組實測變比的二次電壓為:

這也是C 相二次電壓比A、 B 相低1 V 的原因。

2) 由圖1 可知， 1a-1n 繞組二次電壓U1a1n的表達式為:

式中， kT為中間變壓器對1a-1n 繞組的電壓比。

電壓互感器1a-1n 繞組的變比公式k 為:

根據實測的電容量， C 相與A 相的1a-1n 繞組變比之比Δk 為:

而實測變比之比Δk′為:

通過計算可以看出， 實測變比與理論計算變比基本一致(存在一定的儀器測量誤差)， 故C 相與正常相的電容量偏差是導致C 相變比增大的原因。

下節電容芯子有34 屏， 由電容量一致的電容芯子串聯組成， A 相C2的總電容量為63 480 pF，根據電容串聯公式， 其每一屏電容芯子的電容量為63 480×34=2 158 320 pF。 通過解體檢查發現C 相C2電容第30、 31 屏發生擊穿， 實際工作電容芯子僅為32 屏， 則對應的C 相C2總電容量計算值應為2 158 320÷32=67 447.5 pF， 計算的理論數據與實測數據保持一致。 進一步說明C 相二次電壓比A、B 相低1V 的根本原因是C 相電容式電壓互感器下節電容C2兩屏電容芯子被擊穿。

3) 結合解體檢查情況分析， 認為故障原因是:

①出廠制造過程中， 電容芯子制作工藝不良，第30 屏電容芯子下部極板不平整導致場強局部集中， 低能放電， 致使絕緣逐漸老化， 最終導致第30 屏電容芯子下部擊穿放電， 并延伸至其他電容芯子。

②通過解體發現C2下部電容芯子上存在少量污穢， 油耐壓數據為U=29.9 kV， 低于規程要求。因此推測此CVT 電容芯子被擊穿是由于油內存在污穢微粒， 因油流作用附著在下部電容屏上， 導致電容芯子兩極間絕緣降低， 在強電場作用下部分電容屏被擊穿。

4 結語

電壓互感器是變電站重要設備之一， 是否可靠運行直接關系到電網安全， 因此， 對于電壓互感器應引起足夠的重視。

結合本次110 kV CVT 二次電壓異常故障分析實例給出如下建議:

1) 110 kV CVT 若出現某相二次電壓偏低， 可能是下節分壓電容部分電容元件擊穿導致； 二次電壓偏高， 可能是上節分壓電容部分電容元件擊穿導致。

2) CVT 在運行中出現某相二次電壓異常的情況， 應引起必要的關注， 跟蹤二次電壓的變化情況， 并開展紅外精確測溫， 必要時進行停電診斷試驗。

3) 針對CVT 故障事故頻發的問題， 設備投運前應嚴格按照技術監督相關要求開展驗收， 對不符合要求的設備及時提出整改措施， 避免設備帶“病” 入網。