220 kV電容式電壓互感器二次電壓異常的故障分析和消除

摘要：文章針對一起220 kV電容式電壓互感器（Capacitive Voltage Transformer，CVT）二次電壓異常故障進行分析。首先，對二次電壓異常原因進行了全面分析；其次，基于紅外測溫發現CVT的電磁單元異常高溫現象，進行介損、電容量測量和絕緣試驗分析，發現該CVT的二次線纜表皮破損，進而導致二次回路產生短路電流和鐵芯磁通飽和，最終導致避雷器擊穿和次級繞組電壓異常；最后，提出了預防CVT發生此類故障的措施。

關鍵詞：電容式電壓互感器；二次電壓異常；絕緣不良；鐵芯飽和

中圖分類號：G642.0" 文獻標志碼：A

0 引言

CVT在電力系統中主要實現電壓測量、電能計量、載波通信以及繼電保護的功能。CVT與傳統的電磁式互感器相比，主要區別在于其是由串聯電容器分壓，再經電磁式互感器降壓和隔離。串聯電容器除了分壓作用，還能對電壓互感器鐵磁飽和起到減緩抑制作用，從而對鐵磁諧振起到抑制作用［1］。

目前，變電站內 35 kV 及以上的電壓互感器（GIS除外）基本采用CVT。然而，受工藝水平、設計水平、現場運行環境等諸多因素影響，CVT會在運行過程中出現各種異常情況，輕則誤報信號，計量誤差增大，重則發生爆炸或引起保護誤動，影響電網安全運行。本文通過對一起220 kV CVT 二次電壓異常案例進行分析，找出異常原因，對CVT運維檢修給出建議。

1 CVT結構

圖1是CVT的電氣原理圖，其上節為電容分壓器，由分壓電容器C1和C2組成。當設備的電壓等級較高時，則需要更多的電容進行分壓。圖1中的C1由C11和C12所屬。得益于上節電容分壓器分擔了大部分高壓，CVT下節電磁單元的電壓較低，電磁單元做得較小，位于油箱內，由中間變壓器T、補償電抗器L、阻尼器Z0組成，次級繞組1a、1n，2a、2n等二次端子，電容分壓器低壓端N、氧化鋅避雷器BL等位于端子箱內。

2 220 kV CVT二次電壓異常的故障（案例）分析

2.1 設備故障情況

某變電站線路壓變采用日新電機（無錫）有限公司生產的WVL2-220-5H型電容式電壓互感器，具體設備銘牌如表1所示。投運時間10年，上次檢修日期為2年前，各項試驗數據合格，一次、二次檢修合格，正常投運。

該設備于夜間21時出現多個報警信號，具體是：線路931、603保護異常，電壓B相電壓采樣異常；2號主變保護A柜過勵磁；220 kV第一套母線保護pt斷線；220 kV第二套母線保護pt斷線。其中，220 kV錦鋼4X99線的電流電壓（2a-2n）如表2所示。a、c兩相電壓基本相等，b相電壓異常，幅值約為a相的73.9%。此外，該線路的保護側（3a-3n）的a相電壓上升約22%，b相電壓下降約44%，a、b相電壓相序基本相反，如表3所示。

發現異常后，檢修人員對壓變進行紅外測溫，發現錦鋼4X99線A、B、C相的電磁單元最高熱點溫度分別為69.9℃、64.4℃、28.3℃，如圖2所示。根據信號及溫度的異常信息判斷壓變存在高危隱患，應當立刻停電檢修。23時，將該壓變與電網連接的斷路器拉開后，所有信號消失，溫度異常也慢慢恢復。

2.2 二次電壓異常的初步分析

二次電壓異常的初步原因分析：

（1）一次側電壓異常，即CVT一次電壓由于短路等其他原因發生異常，CVT本身變比未發生變化，二次電壓正確地隨著一次電壓的變化而變化。在本案例中，查詢線路對側壓變電壓無異常，且異常發生時相關斷路器、刀閘連接良好，因此基本排除該原因。

（2）壓邊本體變比異常，即各節電容擊穿或異常、線圈繞組匝間短路、油箱電磁單元燒壞、進水、受潮、各元器件對地絕緣不良等其他故障引起的異常［2］。針對這個異常情況，需要進行電氣試驗綜合分析。

（3）非一次設備引起的異常，即由于二次回路故障（絕緣不良、短路）或后臺數據傳輸、系統軟件故障等原因引起的異常，通常將二次系統與一次切斷后進行針對性試驗判斷。

電磁單元發熱的初步原因分析：

造成電磁單元故障的原因有中間變壓器一次或二次線圈短路，N頭、E頭絕緣性能降低，元器件短路或損壞等［2］。電磁單元內元器件排布比較緊密，需找到發熱位置對應的元器件檢查分析。

2.3 電氣試驗檢查

將壓變的二次端子接線脫開后，對壓變進行絕緣電阻、介損、電容量測試。

2.3.1 絕緣電阻測試

（1）一次繞組接地，在低壓側采用500 V的兆歐表，將被試繞組短接加壓，非被試繞組短接接地，以加壓60s后兆歐表測得的數值作為試品的絕緣電阻。試驗結果如表4所示，表明壓變次級繞組對地絕緣良好。

（2）進一步絕緣電阻試驗。

結合紅外發熱圖譜，考慮到發熱點在電磁單元避雷器附近，對避雷器BL進行1000 V絕緣電阻試驗，使用5000 V絕緣搖表對一次繞組進行絕緣測試，測量結果如表5所示。可見，一次繞組絕緣電阻值合格，A、B相的避雷器對地絕緣分別為1.42MΩ、1.38MΩ，遠遠小于C相避雷器對地絕緣電阻。因此，推測A、B相避雷器出現閥片劣化等異常損壞情況［3］。

2.3.2 直阻試驗

采用電橋測量次級繞組直阻，測量結果：1a-1n、2a-2n和3a-3n繞組直阻均在29mΩ左右，da-dn繞組直阻均在175mΩ左右，測量結果合格。同時，為了檢驗阻尼電阻是否在不良工況下有所損壞，對三相阻尼電阻進行測量，結果均為3.4 Ω左右，測量結果合格。

2.3.3 油樣試驗

對油樣進行色譜、微水、耐壓試驗，試驗結果均在合格范圍內，且現場檢查未發現明顯的進水受潮痕跡，可基本判斷油絕緣沒有問題。由絕緣油試驗結果可知，絕緣油溶解性氣體含量、介損值、平均耐壓值均是正常的，即判斷絕緣油沒有進水受潮及放電痕跡，排除絕緣油對互感器介損值的影響。

2.3.4 變比測量

采用濟南泛華AI-6000K的變比測試功能開展變比測量，高壓側加壓10 kV，測量結果如表6所示。該項試驗并無試驗初值，于是同銘牌的額定變比進行對比，其中，1a-1n、2a-2n和3a-3n繞組對應的額定變比為2200，da-dn繞組對應的額定變比約為1270。試驗結果表明：在高壓側加10 kV電壓情況下，避雷器損壞并未對該CVT的變比造成影響；也可能避雷器的伏安特性雖然發生劣化，但由于所加電壓不夠高，尚未達到其拐點，因此變比測量未見異常。但由于現場短時間內無法搭建高壓測試平臺，因此只能到此為止。

2.3.5 測量壓變的介損及電容量值

測量壓變的介損及電容量值，拆頭后采用正接法進行測量。根據Q/GDW 1168—2013《輸變電設備狀態檢修試驗規程》要求，電容式電壓互感器的電容量初值差不超過±2%（警示值），介質損耗因數≤0.0025（膜紙復合），試驗結果合格，如表7所示。

2.4 二次電纜檢查

對二次電纜做絕緣電阻測試發現，da-dn端子二次引出電纜對地絕緣小于1MΩ，其余二次線對地絕緣均大于10MΩ。進一步對二次線纜進行外觀檢查，發現接地點位于錦鋼4X99線壓變C相開口三角次級首端（壓變接線盒至壓變端子箱，如圖3所示）。該接地點造成了壓變da-dn線圈兩點接地短路。

2.5 電壓等異常原因分析

經過查閱原理圖，發現上述圖3所示壓變的da-dn接線是開口三角接線。當B相線圈尾端接地短路時，此時A相、B相電壓的相量和不為零，而內阻ra、rb很小，所以將在該閉合回路中產生較大短路環流I2，在中間變壓器一次側感應出超過額定的電流I1（見圖4—5）。該電流使得補償電抗器上的電壓UL急劇上升，導致避雷器導通放電，短時間內多次導通后避雷器損壞，出現發熱的異常現象［4］。

da-dn次級繞組短路引起中間變壓器、補償電抗器的電流增大，導致鐵芯磁通量增大、鐵芯飽和，一定工況下造成了電壓畸變并產生大量諧波，使得電壓異常［5］。保護、測控、計量裝置雖然采用的是壓變的其他次級，但鐵芯飽和同樣會對其他繞組產生影響，造成保護及計量次級中產生一個去磁電壓，該去磁電壓疊加在正常的Ea和Eb上，引起A、B兩相二次電壓發生畸變。短路時線路保護二次電壓變化情況及其對應的相量，如圖6所示。

在錦鋼4X99線C相電壓開口繞組首端發生接地后，該接地點與原N600接地之間形成回路，使得站內500 kV母線電壓及220 kV母線電壓中性點電壓發生了偏移。

綜上，判斷系C相壓變開口三角次級首端二次線絕緣能力降低，外皮破壞并接地導致了上述保護信號異常、CVT內避雷器擊穿的故障情況。

2.6 故障消除

短路電流很可能對壓變電磁單元一次線圈、補償電抗器的匝間絕緣以及鐵芯造成了損傷，現場條件無法滿足后續停電檢查，為避免再次強迫停運的發生，對整組壓變進行了更換。更換后該間隔投運成功，無異常信號，故障消除。

為避免其余二次線纜絕緣破壞的情況，對其余線路壓變端子箱內與電纜緊密接觸的螺絲用絕緣膠帶進行包裹處理，適當調整電纜位置，使之遠離螺絲等尖銳物體。

3 總結

CVT在電力系統中應用越來越多，但是由于其內部元件多且都密封在內，不易觀察，因此，出現異常后需要通過電氣試驗的方法進行診斷。被試品的故障往往有多種表現形式，可以從多個試驗中發現端倪。因此，一方面診斷性試驗要盡量做多做全；另一方面要針對性地設計試驗，多搜集數據，多進行數據比對。電氣試驗與變電一次檢修、二次檢修專業交叉較深，因此遇到故障時，需要“總-分-總”綜合考慮，即統籌分析故障原因，分開調查研究，再匯總比對。在日常運行過程中，應加強設備紅外測溫，開箱檢查線纜外觀、表皮完整情況。

參考文獻

［1］陳璐，李光茂，張夢慧，等.一起110 kV電容式電壓互感器異響原因分析［J］.變壓器，2023（12）：68-72.

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［4］丁騫.電容式電壓互感器電磁單元故障分析［J］.廣西電力，2021（1）：95-100.

［5］王法順，周剛，李偉琦，等.一起500 kV電容式電壓互感器二次電壓異常的故障分析［J］.電氣開關，2022（2）：105-108.

（編輯 姚 鑫編輯）

Fault analysis and removal of secondary voltage anomaly of 220 kV capacitive voltage transformer

XU" Chenkai1， WU" Wenjie1， CHEN" Zhongxian2

（1.State Grid Jiangsu Power Company Limited Suzhou Power Supply Branch， Suzhou 215000， China;

2.School of Intelligent Manufacture， Huanghuai University， Zhumadian 463000， China）

Abstract： An abnormal secondary voltage fault of 220 kV Capacitive Voltage Transformer （CVT） was analyzed and diagnosed. Firstly， the causes of secondary voltage anomaly are analyzed comprehensively. Secondly， through infrared temperature measurement， it is found that the electromagnetic unit of CVT has abnormal high temperature （temperature difference 41.6°）. Subsequently， dielectric loss， capacitance measurement and insulation test were carried out， and it was found that the secondary cable skin of the CVT was damaged， the ground insulation was damaged， the secondary circuit generated short circuit current， the core magnetic flux was saturated， and the arrester breakdown and other secondary winding voltage anomalies were caused. Finally， the measures to prevent this kind of failure in CVT are put forward.

Key words： CVT；secondary voltage anomaly; poor insulation; core saturation