張志東，劉建月，薛趙紅

(1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司 檢修公司，山西太原030021; 2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司 技能培訓(xùn)中心，山西太原030024; 3.華能左權(quán)煤電有限責(zé)任公司，山西左權(quán)032600)

電容式電壓互感器電磁單元故障檢定方法

張志東1，劉建月2，薛趙紅3

(1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司 檢修公司，山西太原030021; 2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司 技能培訓(xùn)中心，山西太原030024; 3.華能左權(quán)煤電有限責(zé)任公司，山西左權(quán)032600)

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合檢修現(xiàn)場(chǎng)條件，提出了一種通過(guò)高壓試驗(yàn)對(duì)電容式電壓互感器電磁單元(包括中間變壓器和阻尼器等)進(jìn)行故障檢定的方法。通過(guò)剖析一起故障實(shí)例，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用和返廠解體分析，從而驗(yàn)證了該方法的正確性。這種方法可以及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)電容式電壓互感器內(nèi)部阻尼元件故障，無(wú)需解體，適合現(xiàn)場(chǎng)操作，便于運(yùn)檢人員及早采取對(duì)應(yīng)措施，避免擴(kuò)大事故范圍。

電容式電壓互感器；電磁單元；阻尼器；故障；檢定

0 引言

500 kV變電站電壓互感器絕大多數(shù)為電容式。此類(lèi)電容式設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)量包括介質(zhì)損耗因數(shù)、電容量、三相不平衡電流等[1]。但是，對(duì)于電容式設(shè)備的狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)尚不成熟[2]。通常，各種監(jiān)測(cè)特征量和設(shè)備狀態(tài)關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜[3]。而離線式、預(yù)防性高壓試驗(yàn)結(jié)果的分析已經(jīng)積累了大量經(jīng)驗(yàn)，據(jù)此制訂出了相應(yīng)規(guī)程[4]。因此，通過(guò)高壓試驗(yàn)全面地對(duì)設(shè)備內(nèi)部絕緣情況進(jìn)行判斷，成為現(xiàn)階段檢修現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用、有效的手段。

電容式電壓互感器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)CVT)在運(yùn)行中暴露出一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)為二次電壓輸出異常、二次端子排燒壞、電容器擊穿甚至爆炸等[4]。設(shè)備故障分析表明，其主要原因是電容分壓器和電磁單元絕緣水平下降、鐵磁諧振、內(nèi)部元器件擊穿、設(shè)計(jì)不合理等[6]。本文分析了某變電站CVT電磁單元故障情況，通過(guò)高壓試驗(yàn)分析異常原因，從而及時(shí)消除故障。作者由此提出參考CVT阻尼器電氣結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)測(cè)量阻尼電流來(lái)判斷電磁單元阻尼器故障的方法。

1 CVT電磁單元故障檢定方法

1.1 CVT電磁單元工作原理

CVT由電容分壓器和電磁單元組成(如圖1所示)。其中，電容分壓器由高壓電容器C1和中壓電容器C2組成[7,8]。電磁單元由中間變壓器、補(bǔ)償電抗器、避雷器、二次回路等組成[9]。二次回路一般包括2～4組二次繞組和一組輔助繞組。輔助繞組主要元件為阻尼器[10]。

圖1 CVT工作原理

圖中：C1為高壓電容；C2中壓電容；T為中

間變壓器；L’為補(bǔ)償電抗器；F為保護(hù)裝置；L為阻尼器電抗器；C為阻尼器電容器；R為阻尼電阻1a，1n為主二次繞組1號(hào) 2a，2n為主二次繞組2號(hào)da，dn為剩余電壓繞組。

CVT廣泛使用的諧振型阻尼器原理如圖1所示。電磁單元中阻尼器由用于產(chǎn)生并聯(lián)諧振的電容器和電抗器并聯(lián)，再和阻尼電阻串聯(lián)。阻尼器并聯(lián)在額定電壓為100 V的輔助繞組(即剩余電壓繞組da-dn)上，電容C和電感L在工頻下調(diào)至并聯(lián)諧振狀態(tài)。此時(shí)回路阻抗很高，只有很小的電流流過(guò)阻尼電阻。當(dāng)出現(xiàn)低頻分次鐵磁諧振時(shí)，回路的并聯(lián)諧振條件遭到破壞[11]。于是，阻抗下降，電流劇增，瞬時(shí)在阻尼電阻將會(huì)消耗殆盡該諧波功率，從而實(shí)現(xiàn)阻尼分頻諧振。

1.2 CVT電磁單元故障表征

母線過(guò)電壓往往導(dǎo)致與之相連的電壓互感器電磁單元損壞[12]。根據(jù)廠家故障統(tǒng)計(jì)，電磁單元中故障概率極高的部位是阻尼器電容器[13]。阻尼器電容器廠家主要采用自愈式電容器，該電容器在發(fā)生內(nèi)部擊穿時(shí)，依靠擊穿能量使得擊穿點(diǎn)周?chē)慕饘贅O板涂層蒸發(fā)，從而使絕緣水平迅速得以恢復(fù)。但當(dāng)擊穿點(diǎn)較多或擊穿面積較大時(shí)，其自恢復(fù)絕緣能力降低，并將加速內(nèi)部介質(zhì)的擊穿直至電容器短路，從而導(dǎo)致CVT測(cè)量電壓發(fā)生顯著變化。作者依據(jù)電磁單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)衍生出本文的檢定方法。

1.3 CVT電磁單元故障檢定方法的提出

CVT電壓異常分為二次失壓、電壓值偏高或偏低。如果中間變壓器出現(xiàn)故障或避雷器擊穿，或中壓電容器C2擊穿，將無(wú)電壓輸出，引起電壓偏高或偏低的原因可能是電容分壓器有局部擊穿[14]。另外，也可能由于質(zhì)量問(wèn)題或者系統(tǒng)過(guò)電壓沖擊導(dǎo)致阻尼器電容器擊穿。通過(guò)高壓試驗(yàn)測(cè)量阻尼回路電流可以及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)CVT內(nèi)部電磁單元阻尼器故障。

以圖1為例，根據(jù)歐姆定律，結(jié)合元件出廠參數(shù)計(jì)算阻尼電流額定值如式(1)所示：

(1)

式中：該產(chǎn)品各元件標(biāo)稱(chēng)值：R為5 Ω；L為50 mH；C為200 μF，則可得阻尼電流額定值有效值約為1 A。

本文由此提出試驗(yàn)方法如圖2所示。具體分為兩步：第一，通過(guò)測(cè)量絕緣電阻和直流電阻是否符合規(guī)程來(lái)檢定二次繞組是否損壞。若異常，則二次繞組故障；若正常，轉(zhuǎn)入下一步。第二，檢查阻尼器狀態(tài)。先短接da～dn，打開(kāi)d1～d2連接片。同時(shí)，還需要打開(kāi)N-X連接片，使得中間變壓器在高壓試驗(yàn)時(shí)空載運(yùn)行，并構(gòu)成獨(dú)立的、可測(cè)試兩端口的阻尼回路。再在阻尼器兩端口d1-d2上施加有效值為100 V的工頻電壓，測(cè)試其阻尼電流。最后根據(jù)測(cè)試結(jié)果檢定。判據(jù)為：若阻尼電流為0，說(shuō)明阻尼回路開(kāi)路，則可能是阻尼電阻燒毀。若阻尼電流大于0且不大于1A，則阻尼回路正常，否則超出范圍判斷為阻尼器電容器發(fā)生故障?，F(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)設(shè)備測(cè)試表明，阻尼電流一般為0.6 A左右。

圖2 CVT阻尼器試驗(yàn)檢定法原理圖

值得注意的是，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)，不同產(chǎn)品(不同類(lèi)型和電壓等級(jí))阻尼電流額定值有所不同，不能直接套用本方法中的標(biāo)準(zhǔn)值。本方法重點(diǎn)在于以高壓試驗(yàn)為手段提出了一種解決問(wèn)題的思路。因此，應(yīng)參考廠家阻尼器電氣原理圖和設(shè)計(jì)參數(shù)，依據(jù)公式(1)的原理計(jì)算額定值。

另外，該測(cè)試方法可以推廣為從d1～d2端子施加工頻電壓10 V，再測(cè)試阻尼回路電流。正常情況下，阻尼電流不大于0.1 A。同時(shí)，測(cè)試要結(jié)合三相橫向?qū)Ρ群蜌v史數(shù)據(jù)的縱向?qū)Ρ葋?lái)全面分析，保證判斷的準(zhǔn)確性。

該方法適用于停電檢修，根據(jù)儀器條件，可以靈活應(yīng)用。特別是目前例行試驗(yàn)中未對(duì)阻尼電流進(jìn)行考核，無(wú)法針對(duì)這類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)頻繁出現(xiàn)的由于電磁單元阻尼器損壞導(dǎo)致油箱發(fā)熱、二次電壓異常的故障進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)督。因此，本文提出的檢定方法具有重要的實(shí)際意義。

2 故障實(shí)例分析

2.1 故障發(fā)現(xiàn)

以一起500 kV某變電站的35 kVA母線CVT(型號(hào)為T(mén)YD35/√3-0.02FH)電磁單元中阻尼器電容器擊穿故障為例，分析故障處理情況。

表1 現(xiàn)場(chǎng)高壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)(環(huán)溫：23℃，濕度：40%)

500 kV某變電站的35 kVA母線在運(yùn)行中發(fā)出“母線接地報(bào)警”和“PT斷線報(bào)警”，后臺(tái)顯示CVT工作電壓異常，B相、C相油箱溫度偏高(達(dá)到50℃左右)。后經(jīng)紅外測(cè)溫跟蹤發(fā)現(xiàn)溫度持續(xù)升高(B相最高達(dá)到75℃、C相最高達(dá)到83℃)，從視窗可見(jiàn)油箱內(nèi)部絕緣油變?yōu)樽睾稚y(cè)量三相二次繞組電壓(正常為57.7 V)，分別為A相58.2 V、B相45.4 V、C相45.6 V，三相二次繞組電壓明顯不平衡，且B相、C相電壓明顯偏低?，F(xiàn)場(chǎng)排查判定CVT存在故障。經(jīng)過(guò)外觀檢查，CVT絕緣瓷瓶外表清潔、連接可靠、接地正常，未發(fā)現(xiàn)閃絡(luò)痕跡，初判是內(nèi)部故障。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)理論分析，二次電壓僅是降低并未完全失壓，故不可能是中間電壓變壓器一次引線斷線或接地、分壓電容器C2短路等故障所致[15]。推斷幾種可能的原因：一是電容分壓器故障，可能高壓電容C1減小或中壓電容C2增大[16]；二是電磁單元故障。電磁單元故障原因：一是電磁單元損壞，電壓比發(fā)生變化[17]，中間變壓器一次線圈匝數(shù)變大或二次線圈匝數(shù)變??；二是阻尼器電容器擊穿。

(1)油氣試驗(yàn)

在停電檢修中，對(duì)其進(jìn)行油樣簡(jiǎn)化、油色譜試驗(yàn)。取油樣時(shí)有氣體從取油口噴出。油化驗(yàn)結(jié)果表明，絕緣油含有懸浮雜質(zhì)，導(dǎo)致油品質(zhì)劣化，有揮發(fā)性刺鼻氣味。絕緣油的含氣量超標(biāo)，內(nèi)部發(fā)生過(guò)放電。

(2)電氣試驗(yàn)

該CVT電容分壓器由一節(jié)獨(dú)立的電容器組成，一部分組成高壓電容C1，其余部分為中壓電容C2，通過(guò)引出抽頭與電磁單元一次繞組連接，此抽頭與電磁單元一次繞組均密封在電磁單元?dú)んw內(nèi)，無(wú)法直接檢查中壓電容C2。因此，首先對(duì)獨(dú)立的單節(jié)電容進(jìn)行檢查，測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)及電容量。利用自激法測(cè)得B相、C相電壓互感器高壓電容器和中壓電容器電容值和介損值均正常。試驗(yàn)結(jié)果表明，一次部分正常，排除電容分壓器故障的可能，那么可能是電磁單元故障。電磁單元中，中間變壓器一次繞組、補(bǔ)償電抗器及避雷器均密封在殼體內(nèi)無(wú)法直接檢查，因此，先檢查二次繞組，進(jìn)行絕緣電阻和直流電阻測(cè)量。各二次繞組絕緣電阻高于規(guī)程規(guī)定值10 MΩ[18]，直阻與出廠值相比無(wú)明顯變化，可以排除二次繞組故障的可能，應(yīng)檢查一次繞組和其他元件。

該CVT結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)如上文所述。根據(jù)本文提出的檢定方法，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得在100 V電壓下，da～dn繞組阻尼電流均大于1A，檢修人員判定這兩臺(tái)CVT阻尼器電容器存在故障，無(wú)法繼續(xù)投運(yùn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示(故障相和正常相設(shè)備對(duì)比，標(biāo)準(zhǔn)合格值依據(jù)狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程)。由于場(chǎng)現(xiàn)無(wú)法解體，一次繞組和其他內(nèi)部組部件是否仍存在故障需要返廠解體檢查。因此，檢修人員對(duì)這兩臺(tái)故障CVT進(jìn)行了整體更換。

2.3 返廠解體

2.3.1 解體試驗(yàn)

將這兩臺(tái)CVT進(jìn)行返廠解體檢查，測(cè)試電容分壓器電容值、介損值，避雷器絕緣電阻，中間變壓器空載試驗(yàn)，阻尼器電容器電容值，油樣試驗(yàn)等項(xiàng)目。返廠解體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示(故障設(shè)備和同型號(hào)待出廠新產(chǎn)品對(duì)比，標(biāo)準(zhǔn)合格值依據(jù)出廠規(guī)定)。試驗(yàn)結(jié)果表明，中間變壓器和阻尼器電容器存在故障。

表2 返廠解體試驗(yàn)數(shù)據(jù)(環(huán)溫：20℃，濕度：25%)

圖3 電磁單元解體對(duì)比

2.3.2 解體檢查

解體試驗(yàn)完畢后，對(duì)故障組部件進(jìn)行了拆卸檢查。

(1)中間變壓器

打開(kāi)電磁單元后發(fā)現(xiàn)，CVT變壓器油已變色并存在異味，如圖3所示。

(2)阻尼器

圖4 阻尼器電容器解體對(duì)比

拆除阻尼器電容器發(fā)現(xiàn)，外殼鼓脹，如圖4所示。打開(kāi)電容器外殼，清晰可見(jiàn)元件起皺損壞，殼體內(nèi)仍殘留有變壓器絕緣油。利用電容量測(cè)試儀測(cè)試，電容值持續(xù)大幅度變化，無(wú)法穩(wěn)定。

返廠解體結(jié)果表明：

(1)CVT電容分壓器、避雷器正常。

(2)CVT油質(zhì)變色并有異味，油樣分析乙炔含量、氫氣含量、總烴含量、介損值、耐壓值均超標(biāo)，判斷油已變質(zhì)，故障屬于高能量放電。

(3)CVT中間變壓器空載試驗(yàn)無(wú)法加電流，判斷高壓繞組擊穿。

(4)CVT阻尼器電容器實(shí)測(cè)電容無(wú)法獲得穩(wěn)定數(shù)據(jù)，判斷電容器損壞。

這兩臺(tái)CVT阻尼器組部件電容器已經(jīng)損壞。因此，這也驗(yàn)證了本文提出的CVT電磁單元故障檢定方法的正確性。

2.4 故障分析

CVT解體和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，由于電容器質(zhì)量差或系統(tǒng)過(guò)電壓(包括工頻過(guò)電壓和操作過(guò)電壓)沖擊，首先是諧振電容擊穿，電容量大幅變化，導(dǎo)致阻尼諧振回路失諧，引起阻尼電流大幅增加，中間變壓器一次繞組電流大增，溫升過(guò)高而匝間擊穿。擊穿后匝內(nèi)電流更大，溫升急劇增高，使匝間短路迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致內(nèi)部油質(zhì)碳化。阻尼器電容器和中間變壓器的高能量放電最終導(dǎo)致變壓器油變色、產(chǎn)生大量氣體。同時(shí)，引起二次電壓偏低。

3 結(jié)論

本文提出了一種通過(guò)高壓試驗(yàn)對(duì)CVT電磁單元中阻尼器進(jìn)行故障檢定的方法。這種方法無(wú)需解體，適合現(xiàn)場(chǎng)操作，可以及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)CVT內(nèi)部阻尼元件故障，便于運(yùn)檢人員及早采取對(duì)應(yīng)措施，避免擴(kuò)大事故范圍。另外，建議產(chǎn)品出廠試驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)給出阻尼回路電流范圍以便參考。

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Test Method for Capacitor Voltage Transformer Electromagnetic Unit Fault

Zhang Zhidong1, Liu Jianyue2, Xue Zhaohong3

(1. Maintenance Company of State Grid Shanxi Province Electrical Power Company, Taiyuan 030021, China; 2. Skill Training Center of State Grid Shanxi Electrical Power Company, Taiyuan 030024, China;3. Huanengzuoquan Coal and Electricity LLC, Zuoquan 032600, China)

Based on the characteristics and design parameters of the device structure, combined with the maintenance field conditions, a test method for capacitor voltage transformer electromagnetic unit (including intermediate transformers and damper component, etc.) fault detection through high voltage tests is proposed in this paper. Analysis of an actual fault case and comparison between field test applications and depot disintegration analysis verified the correctness of the method. This method can be timely and effective in detecting without disintegration the capacitor voltage transformer internal damper component fault, suitable for field operation, and easy for electricity maintenance staff to take countermeasures as early as possible to avoid expansion of the scope of an accident.

capacitor voltage transformers; electromagnetic unit; damper component; fault; detection

2015-07-06。

張志東(1984-)，男，工程師，主要從事高壓電氣設(shè)備檢修、試驗(yàn)方面的研究，E-mail:zzd695@163.com。

TM451

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.09.012