王 政，郭 峰，楊 錕，趙恒偉，馬霄霖

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256600）

0 引言

電容式電壓互感器（Capacitor Voltage Transformer，CVT）將電網(wǎng)一次側(cè)的高電壓轉(zhuǎn)化為便于測(cè)量的低電壓，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。CVT 運(yùn)行中常見故障有：本體故障造成保護(hù)及自動(dòng)裝置電壓失卻；三相或一相高壓熔斷器熔斷；高壓一次熔絲未熔斷等。其中，電壓異常故障包括CVT 二次電壓失缺及非正常升降［1］。CVT 二次回路缺失通常是由于二次側(cè)低壓斷路器存在跳閘、熔絲熔斷等造成，導(dǎo)致電網(wǎng)失去對(duì)電壓的正常監(jiān)測(cè)功能，可能引起保護(hù)失壓閉鎖等更嚴(yán)重情況［2］。造成CVT 電壓異常升降的原因包括電容器發(fā)生局部電容單元擊穿、電容失效或電磁單元等故障。本文分析某站110 kV 母線CVT 電壓異常缺陷，探討缺陷的試驗(yàn)測(cè)試方法、數(shù)據(jù)診斷，并通過(guò)解體驗(yàn)證分析的正確性。

1 事故概述

某變電站110 kVⅠ段母線CVT（型號(hào)：TYD2110／在運(yùn)行時(shí)，發(fā)出TV 斷線信號(hào)，檢查發(fā)現(xiàn)B 相母線無(wú)電壓值顯示。保護(hù)人員在運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)二次繞組和輔助繞組進(jìn)行電壓測(cè)量，反復(fù)測(cè)量判定該CVT 二次側(cè)輸出電壓為零，因此自動(dòng)化系統(tǒng)或儀表誤報(bào)引起故障的可能性基本排除。故障CVT 停電后，試驗(yàn)人員對(duì)CVT 取油樣，進(jìn)行絕緣油耐壓、含水量檢測(cè)及色譜試驗(yàn)分析，然后進(jìn)行電氣試驗(yàn)進(jìn)行檢查和分析。調(diào)取CVT 運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，故障時(shí)B 相母線電壓CVT 存在約30 min 的過(guò)電壓情況，如圖1所示。

2 CVT 電壓異常原理分析

CVT 電容分壓器的主要作用是將一次側(cè)的高電壓降到某一數(shù)值的中間電壓，即圖2 中壓端子所承受電壓，該電壓通過(guò)中壓套管由中壓連線發(fā)送至電磁單元，然后電磁單元將中間電壓減小至100 V、的二次電壓。當(dāng)CVT 處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其等效電容C 的容抗等于中間變壓器漏抗和補(bǔ)償電抗器L 的感抗之和［3］，確保CVT 二次輸出電壓滿足一定精度。

圖1 故障CVT 電壓波動(dòng)

圖2 CVT 電氣原理

圖3 CVT 等效電路

CVT 等效電路如圖3 所示，根據(jù)CVT 工作原理，其等效電路可以看作由C1、C2組成的電容分壓器。

其中，C1為由許多電容元件進(jìn)行串聯(lián)組合而成的等值電容。顯然，二次電壓U2與C1、C2的容抗及一次電壓有關(guān)。當(dāng)二次電壓U2出現(xiàn)異常升高時(shí)，可能出現(xiàn)：中間變壓器一次繞組匝間短路；C2部分存在漏油導(dǎo)致介質(zhì)常數(shù)減小，引起容抗升高；C1中某些串聯(lián)電容元件在電弧作用下燒蝕導(dǎo)致?lián)舸r(shí)引起電容值升高等。當(dāng)C1電容存在漏油情況引起容抗增大時(shí)，則帶來(lái)的后果是引起U2的異常降低。當(dāng)C2上存在過(guò)電壓時(shí)，保護(hù)元件F（結(jié)構(gòu)為：氧化鋅避雷器）會(huì)發(fā)生放電擊穿，給予補(bǔ)償電抗L、中間變壓器、分壓電容C2一定保護(hù)作用。

3 電氣試驗(yàn)分析

首先檢查CVT 是否有漏油情況發(fā)生，外部有沒(méi)有異常變化，然后采用自激法對(duì)該CVT 進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)檢測(cè)，包括電容量和介損因數(shù)。自激法是以CVT的中間變壓器作為試驗(yàn)變壓器，在其二次側(cè)施加一定的電壓進(jìn)行勵(lì)磁，通過(guò)在中間變壓器的一次側(cè)感應(yīng)出高壓作為試驗(yàn)電源來(lái)測(cè)量C1、C2及tan δ。但是當(dāng)CVT 的中間變壓器發(fā)生一定缺陷時(shí)，則通過(guò)自激法測(cè)得數(shù)值對(duì)于電容器單元實(shí)際所處狀態(tài)無(wú)法進(jìn)行有效體現(xiàn)。試驗(yàn)人員現(xiàn)場(chǎng)使用自激法對(duì)故障CVT 進(jìn)行測(cè)試時(shí)，儀器儀表提示存在電流過(guò)大情況，無(wú)法完成自激法測(cè)試。表明該CVT 中間變壓器或中壓電容C2部分可能有一定的缺陷存在，導(dǎo)致用自激法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試時(shí)無(wú)法完成。由于該CVT 高壓電容與中壓電容之間有抽頭引出，所以可以用正接線方式對(duì)其進(jìn)行電容量及介質(zhì)損耗因素測(cè)試，進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)中壓電容數(shù)據(jù)與上次數(shù)據(jù)對(duì)比存在明顯異常，數(shù)據(jù)如表1 所示。另外，CVT 極間絕緣大于10 000 MΩ，符合大于5 000 MΩ 的要求，同時(shí)對(duì)二次繞組間絕緣電阻進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果均大于10 000 MΩ，符合大于10 MΩ 的要求。

表1 電容量及介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

Q／GD 1168—2013 《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》中對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的要求是屬于膜紙復(fù)合類的CVT 應(yīng)不大于0.25%［4］，電容量初值差不超過(guò)±2%?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的C2的電容量、介損因數(shù)對(duì)比歷史數(shù)據(jù)都出現(xiàn)明顯增大的現(xiàn)象，通過(guò)計(jì)算，C2的電容量增大5.62%。一般情況下，受潮、老化或串聯(lián)電容單元發(fā)生元件擊穿都可能會(huì)引起電容介損因數(shù)和電容量的異常增大。由于高、中壓電容單元處于同一個(gè)瓷套管之內(nèi)且屬于同一個(gè)油室，而測(cè)試數(shù)據(jù)顯示C1的參數(shù)正常，因此排除C2受潮的可能性。另外，高、中壓電容各元件承受的電壓基本相同，也可排除老化導(dǎo)致C2異常的可能性。因此判斷C2介質(zhì)損耗及電容量異常的原因?yàn)槠浯?lián)電容元件存在放電燒蝕導(dǎo)致電容失效。

4 油樣試驗(yàn)分析

熱故障、電故障是充油類電力設(shè)備中比較常見的兩大類型故障。熱故障時(shí)油裂解產(chǎn)生C2H4和CH4，另外還有可能存在少量的H2和C2H6。當(dāng)故障發(fā)展的比較嚴(yán)重或者考慮存在電的作用時(shí)，也會(huì)有痕量的C2H2產(chǎn)生。過(guò)熱的固體纖維素絕緣生成CO 和CO2。電故障時(shí)，當(dāng)存在低能量放電是產(chǎn)生的氣體主要是H2、CH4，另外還伴隨較少量的C2H4和C2H2產(chǎn)生，當(dāng)設(shè)計(jì)固體纖維素絕緣時(shí)也可產(chǎn)生較高組分的CO、CO2。主要?dú)怏w是H2，可占可燃?xì)怏w的85%以上。高能量的電弧放電時(shí)產(chǎn)生較高比例的H2和C2H2，以及相當(dāng)比例的CH4和C2H4，假如缺陷涉及固體纖維素絕緣，也可生成CO、CO2，同時(shí)有游離碳存在，此時(shí)C2H2在氣體成分中占很大比例，可占可燃?xì)怏w的30%，同時(shí)有相當(dāng)比例的H2。

為便于對(duì)故障CVT 的缺陷分析，取CVT 中間變壓器的油樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)油具有焦味并且呈渾濁狀態(tài)。分別對(duì)油樣做耐壓試驗(yàn)、絕緣油中水分含量及色譜分析。表2 顯示油中水分含量為標(biāo)準(zhǔn)值的3.1 倍，表明CVT 中絕緣油存在受潮情況，也有可能存在放電產(chǎn)生游離碳，使其絕緣耐受強(qiáng)度大大降低。表3 給出了色譜分析結(jié)果，油中含有較高成分的C2H2，說(shuō)明該故障CVT 的中間變壓器部分確實(shí)存在嚴(yán)重的電弧放電，絕緣已經(jīng)被破壞。從數(shù)據(jù)中可以看出H2的體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（標(biāo)準(zhǔn)為150 μl／L）的數(shù)倍，說(shuō)明中間變壓器存在高能量放電，導(dǎo)致油在高溫下發(fā)生裂化反應(yīng)導(dǎo)致生成許多烴類氣體。另外，CO、CO2體積分?jǐn)?shù)較大，且與烴類氣體同步增長(zhǎng)，表明故障涉及固體絕緣，說(shuō)明繞組的絕緣已經(jīng)在電弧放電產(chǎn)生的高溫下碳化分解。

表2 油耐壓及微水含量測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 故障后CVT 油樣色譜分析數(shù)據(jù) μL／L

根據(jù)三比值法對(duì)該CVT 中可能存在的缺陷類型進(jìn)行診斷分析計(jì)算，如表4 所示。

表4 三比值法編碼計(jì)算

根據(jù)計(jì)算得到的編碼，初步判斷該CVT 內(nèi)部發(fā)生了電弧放電。

結(jié)合故障時(shí)CVT 電壓波動(dòng)圖形，及油色譜試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)、電氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步判斷CVT 故障時(shí)，二次回路出現(xiàn)不穩(wěn)定的短路負(fù)荷，反復(fù)諧振導(dǎo)致CVT電壓升高，最終因?yàn)樨?fù)荷電流大，導(dǎo)致CVT 分壓電容器發(fā)生放電燒蝕，另外中間變壓器在電弧放電生成的高熱量下?lián)p壞。

5 解體檢查及原因分析

對(duì)CVT 進(jìn)行解體檢查，吊出電容分壓器部件，發(fā)現(xiàn)大量黑色顆粒物（游離碳）存在，如圖4 所示。

圖4 CVT 底部附著黑色顆粒物

使用萬(wàn)用表測(cè)試C1電容量為29 100 pF，C2電容量為65 800 pF，C1電容量正常，C2電容量明顯大于于初始值62 380 pF。高壓電容C1共有74 個(gè)電容元件串聯(lián)組合而成，測(cè)試各個(gè)串聯(lián)元件電容數(shù)值［5］，均位于合理的范圍之內(nèi)，顯示為2.20 nF 左右。中壓電容C1共有34 個(gè)電容元件串聯(lián)組合而成，同樣測(cè)量各個(gè)串聯(lián)的元件的電容值，發(fā)現(xiàn)前32 個(gè)電容元件測(cè)試數(shù)值處于合理的范圍之內(nèi)，均為2.20 nF 左右。最后2 個(gè)電容單元測(cè)試值為0。檢查發(fā)現(xiàn)，該兩片電容元件電容膜紙已燒蝕碳化擊穿，如圖5 所示。

圖5 第33、34 電容單元電容膜紙已燒蝕碳化擊穿

對(duì)CVT 中間變壓器進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，中間變壓器表面有燒蝕痕跡，如圖6 所示。

如圖7 所示，對(duì)中間變壓器一次繞組串聯(lián)的過(guò)電壓保護(hù)元件，即氧化鋅避雷器，進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試。該保護(hù)元件的主要作用為：抑制鐵磁諧振過(guò)電壓并限制二次側(cè)外部或內(nèi)部存在短路等情況引起的過(guò)電壓，測(cè)試發(fā)現(xiàn)其絕緣電阻為0 MΩ，證實(shí)該避雷器已經(jīng)發(fā)生擊穿短路進(jìn)而造成絕緣電阻數(shù)值異常。過(guò)電壓保護(hù)元件發(fā)生擊穿，說(shuō)明該CVT 二次繞組有內(nèi)部短路或外部短路負(fù)荷，由于內(nèi)部短路時(shí)造成的損壞程度較為嚴(yán)重，從解體情況看CVT 的損壞程度較輕，而且CVT 故障時(shí)承受的過(guò)電壓時(shí)間較長(zhǎng)。因此，判斷CVT存在外部二次短路負(fù)荷，因?yàn)槎搪冯娮璐笠稽c(diǎn)或比較大，CVT 在承受較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)電壓后導(dǎo)致絕緣損壞，造成分壓電容器燒蝕。CVT 油箱中絕緣油存在一定程度受潮，絕緣等級(jí)下降，中間變壓器絕緣在高電壓下被擊穿，導(dǎo)致一次繞組出現(xiàn)匝間、層間短路情況。

圖6 中間變壓器燒蝕碳化

圖7 CVT 過(guò)電壓保護(hù)元件

6 結(jié)語(yǔ)

CVT 發(fā)生電壓異常后，應(yīng)檢查二次回路電壓，根據(jù)CVT 二次電壓的異常變化能夠反映其部分缺陷、故障的特征，可以通過(guò)監(jiān)視曲線的變化或波動(dòng)進(jìn)行CVT 運(yùn)行工況的初步分析和判斷。其電容量、介質(zhì)損耗因數(shù)的細(xì)微變化都體現(xiàn)了其內(nèi)部的絕緣狀況且具有很高的靈敏度。CVT 作為充油類電氣設(shè)備，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，在熱、電作用下其內(nèi)部的有機(jī)絕緣材料與絕緣油會(huì)分解產(chǎn)生CH4等各種氣體，在進(jìn)行缺陷種類診斷分析時(shí)根據(jù)特征氣體法以及三比值法等進(jìn)行分析。另外，設(shè)備在運(yùn)行中，能夠?qū)е缕淙毕?、故障的因素有很多，而且缺陷的形成和發(fā)展比較復(fù)雜。在對(duì)故障進(jìn)行分析時(shí)要根據(jù)多項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)診斷，同時(shí)結(jié)合設(shè)備運(yùn)行時(shí)的情況及設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，參考制造廠家同類產(chǎn)品相似的缺陷案例，結(jié)合產(chǎn)品的工藝和設(shè)計(jì)特點(diǎn)等情況進(jìn)行綜合的分析診斷。