大唐南京發(fā)電廠 劉大源

1 電容式電壓互感器的結(jié)構(gòu)

220kV 電容式電壓互感器常采用疊裝式結(jié)構(gòu)，主要由電容分壓器、電磁單元盒及各個(gè)配件組成。圖1所示電容分壓器由上節(jié)電容C11、下節(jié)電容C12和分壓電容C2串聯(lián)組成，每個(gè)電容器均采用平底設(shè)計(jì)，安裝在充滿(mǎn)干燥空氣的鋁箱之上。上節(jié)電容C11、下節(jié)電容C12串聯(lián)構(gòu)成主電容C1，主電容C1與分壓電容C2串聯(lián)構(gòu)成電容分壓器總電容C。則有式1：C1=(C11×C12)/(C11+C12)；式2：C=(C1×C2)/(C1+C2)。

圖1 220kV 電容式電壓互感器原理圖

電磁單元即中間變壓器T、補(bǔ)償電抗器、諧振電抗器等一系列配套電磁元件。電容式電壓互感器的中間變壓器采用包封繞組式樹(shù)脂澆注干式變壓器，充分利用空氣實(shí)現(xiàn)變壓器本體的散熱。對(duì)于電容式電壓互感器會(huì)多一組da、dn 自激繞組端子，用于對(duì)其采用自激法測(cè)試使用。N 點(diǎn)作為電磁元件和分壓電容C2的公共端，可按照測(cè)試需要拆除。

介質(zhì)損耗和電容試驗(yàn)是高壓電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)必做項(xiàng)目，是測(cè)試電氣設(shè)備性能的重要試驗(yàn)之一。介質(zhì)損耗和電容能夠直接反應(yīng)絕緣介質(zhì)的結(jié)緣性能。如圖2，絕緣介質(zhì)可等效為絕緣電阻RJY與電容CJY并聯(lián)的等效電路。流過(guò)介質(zhì)的泄露電流由兩部分組成，即流過(guò)CJY的電容電流分量IC，流過(guò)RJY電流分量IR。通過(guò)絕緣的總電流相量I 與其無(wú)功分量(電容電流)IC的相角差稱(chēng)為介質(zhì)損失角δ，并用其正切值tanδ 來(lái)表征絕緣介質(zhì)的這一性質(zhì)，tanδ 即介質(zhì)損耗因數(shù)。

圖2 絕緣等值電路圖及向量圖

tanδ=IR/IC=(U／RJY)/(U／ωCJY)、tanδ=IR/IC=UIR/(UIC)=P/Q、P=U2/RJY，其中U 為試驗(yàn)電壓，P是總介質(zhì)損耗，Q 是總無(wú)功損耗，ω 為角頻率（ω=2πf，f 為工作電源頻率）。對(duì)于良好的絕緣介質(zhì)，P?Q，絕緣介質(zhì)的介質(zhì)損耗應(yīng)當(dāng)非常小，才具有足夠的絕緣效果。當(dāng)絕緣絕緣電阻RJY嚴(yán)重降低時(shí)，會(huì)引起介質(zhì)損耗的增大。電容式電壓互感器的簡(jiǎn)化原理圖如圖3所示。電容式電壓互感器需要對(duì)主電容C1和分壓電容C2的介質(zhì)損耗和電容量的測(cè)量分別進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)接線(xiàn)方式分為正接法、反接法和自激法，進(jìn)行試驗(yàn)前需要先將分壓電容C2的N 點(diǎn)接線(xiàn)引出。

圖3 電容式電壓互感器簡(jiǎn)化原理圖

在正接法測(cè)量接線(xiàn)中，對(duì)應(yīng)電容兩端不能接地，測(cè)量數(shù)值受對(duì)地電容影響較小。正接法測(cè)量時(shí)待測(cè)電容一端接加壓線(xiàn)、另一端接標(biāo)準(zhǔn)電容，需要斷開(kāi)所有的接地刀閘K1、K2。對(duì)上節(jié)電容C11和整體總電容C 的測(cè)試可采用正接法；反接法測(cè)量中，待測(cè)電容需要一端可靠接地、另一端加壓。反接法測(cè)試回路將被試電容與大地構(gòu)成回路，簡(jiǎn)化了測(cè)試接線(xiàn)。為了便于電容式電壓互感器采用反接法測(cè)量，在C2和中間變壓器的連線(xiàn)間加裝一副接地刀閘K2。在進(jìn)行反接法前應(yīng)將接地刀閘K2閉合。

自激法測(cè)量，即利用中壓變壓器低壓勵(lì)磁提供試驗(yàn)電壓，通過(guò)測(cè)試儀器內(nèi)部轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的切換，將標(biāo)準(zhǔn)電容器Cn分別和C1、C2組成標(biāo)準(zhǔn)電容臂，測(cè)量分壓電容C2或主電容C1的介損及電容值。自激法測(cè)量時(shí)，需從自激繞組端子da、dn 加壓。在測(cè)試C2時(shí)的升壓過(guò)程中，C2與中間變壓器的電感及補(bǔ)償電感可能會(huì)產(chǎn)成諧振，一般自激法試驗(yàn)不能大于2.5kV[1]。

2 故障情況及試驗(yàn)過(guò)程

近期某火力發(fā)電廠220kV 升壓站的某220kV 出線(xiàn)開(kāi)展停電檢修。該線(xiàn)路僅A 相裝設(shè)一臺(tái)電容式電壓互感器，型號(hào)TEMP20050、總電容C5000pF、主電容C15587pF、分壓電容C263454pF。試驗(yàn)時(shí)正值秋雨期，氣溫29℃、大氣濕度80%。因調(diào)度工作安排需要，須在陰雨天氣的情況下對(duì)該電容式電壓互感器進(jìn)行停電預(yù)防性試驗(yàn)。根據(jù)《DL/T 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》和《GB50150電氣設(shè)備安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)電容式電壓互感器的預(yù)防性試驗(yàn)要求，首先需要對(duì)其各元件進(jìn)行絕緣測(cè)試后，然后進(jìn)行介質(zhì)損耗和電容量試驗(yàn)。

首先進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試。斷開(kāi)接地刀閘K1、合上接地刀閘K2，兆歐表采用2500V 檔位測(cè)量主電容C1、分壓電容C2絕緣電阻。斷開(kāi)接地刀閘K2、K1，解除中間變壓器二次接線(xiàn)，兆歐表采用1000V 檔位測(cè)量二次端子絕緣電阻。測(cè)試結(jié)果如下：主電容C1—地2500MΩ、分壓電容C2—地400MΩ、中間變壓器高壓側(cè)—地30MΩ、1a&1n—地100MΩ、da&dn—地100MΩ。

由上所示，絕緣電阻基本合格，可對(duì)主電容C1、分壓電容C2介質(zhì)損耗及電容量的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1所示。查詢(xún)上次試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)方法采用的是反接法。對(duì)比兩次試驗(yàn)結(jié)果并折算溫度系數(shù)，得到主電容C1和分壓電容C2的絕緣電阻、介質(zhì)損耗值tanδ和電容量的變化量，如表2所示。由表2可知，該電容式電壓互感器整體絕緣電阻降低，其整體的介質(zhì)損耗明顯增高。主電容介質(zhì)損C1的介質(zhì)損耗與上次測(cè)試結(jié)果相比高出一倍以上。據(jù)此判斷該電容式電壓互感器受大氣濕度影響，試驗(yàn)結(jié)果存在較大偏差。考慮在晴好天氣在進(jìn)行試驗(yàn)，并檢查絕緣受潮位置。

表1 電容式電壓互感器介質(zhì)損耗試驗(yàn)結(jié)果

表2 試驗(yàn)結(jié)果變化量

在第二天氣溫28℃、大氣濕度65%的情況下，再次進(jìn)行了測(cè)試。本次測(cè)試以檢查電容式電壓互感器絕緣性能為目標(biāo)，采用三種方式進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。絕緣電阻測(cè)試數(shù)據(jù)如下：上節(jié)電容C115000MΩ、下節(jié)電容C12100MΩ、分壓電容C2200MΩ，介質(zhì)損耗試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 第一次介質(zhì)損耗試驗(yàn)結(jié)果

由表3中反接法測(cè)試數(shù)據(jù)，帶入式1、式2，得主電容C1的計(jì)算值為5630.0pF、 總電容C 的計(jì)算值為5171.9pF。由所測(cè)自激法測(cè)試數(shù)據(jù)帶入式2，得主電容C1的計(jì)算值為5106.9pF。將表3中反接法測(cè)試數(shù)據(jù)帶入介質(zhì)損耗計(jì)算公式tanδ=(tanδ1C1+tanδ2C2)/C1+C2)，主電容C1介質(zhì)損耗的計(jì)算值為0.056%、總電容C 介質(zhì)損耗的計(jì)算值為0.088%。由表3中數(shù)據(jù)可知，下節(jié)電容C12進(jìn)行自激法測(cè)試數(shù)據(jù)遠(yuǎn)高于反接法測(cè)式數(shù)值?？傠娙軨的正接法測(cè)試介質(zhì)損耗值相對(duì)較高，與上次測(cè)量值相比增長(zhǎng)了4倍之多。查詢(xún)歷史測(cè)量方法，多采用反接法進(jìn)行試驗(yàn)。與歷史測(cè)試值相比反接法測(cè)試結(jié)果更接近歷史值，自激測(cè)試結(jié)果存在較大偏差。

3 電容式電壓互感器故障分析

電壓互感器已運(yùn)行十年，調(diào)閱檢修記錄得知其上節(jié)電容C11及下節(jié)電容C12外部絕緣套管進(jìn)行過(guò)三次RPV 絕緣涂料噴涂。仔細(xì)檢查電壓互感器外觀，發(fā)現(xiàn)套管表有很多明顯的小凸起。小凸起的端部絕緣材料相對(duì)較薄，仔細(xì)觀察存在細(xì)小裂紋。說(shuō)明每次噴涂前并未對(duì)套管表面進(jìn)行仔細(xì)清灰處理。在主電容C 上下節(jié)的連接處存在多處裂紋，有些裂紋被絕緣材料覆蓋的，有些明顯暴露在空氣中。同時(shí)，在試驗(yàn)前已發(fā)現(xiàn)在電壓互感器220kV 高壓接線(xiàn)端存在少許絕緣油滲出跡象。介質(zhì)損耗和電容試驗(yàn)結(jié)束后，絕緣油滲出量明顯增多。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)正值陰雨天氣。套管表面的雜質(zhì)和裂紋及絕緣油的滲漏處必然會(huì)滲入大量水分。經(jīng)過(guò)協(xié)商后，決定于晴好天氣后再次進(jìn)行試驗(yàn)。

兩天后雨過(guò)天晴，再次進(jìn)行試驗(yàn)。首先對(duì)該電容式電壓互感器中間變壓器分別進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如為：上節(jié)電容C11、下節(jié)電容C12、分壓電容C2均為10000+MΩ，中間變壓器高壓側(cè)—地0.05MΩ、1a&1n—地0.2MΩ、da&dn—地0.1MΩ，顯示在晴好天氣時(shí)電容式電壓互感器各電容套管明顯提高，中間變壓器各部位絕緣電阻因前幾日的潮氣滲透明顯降低。再對(duì)電容式電壓互感器進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)下節(jié)底座縫隙處以及電磁元件接線(xiàn)盒內(nèi)均有明顯的水跡。再次對(duì)電容式電壓互感器采用三種方式進(jìn)行介質(zhì)損耗和電容試驗(yàn)（表4）。

表4 第二次介質(zhì)損耗試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比表3和表4數(shù)據(jù)可知，采用正接法測(cè)試所得數(shù)據(jù)基本不變，說(shuō)明正接法能夠有效避免雜散電容影響；采用反接法測(cè)試數(shù)據(jù)整體略微減小，說(shuō)明潮氣會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成一些影響，但并不是主要影響；采用自激法的測(cè)試數(shù)據(jù)，介質(zhì)損耗值明顯增大、電容值基本沒(méi)變。因此潮氣對(duì)電容式電互感器各電容本身的電容值影響較小，其影響可忽略。

表3中數(shù)據(jù)為電容式電壓互感器受潮初期，下節(jié)電容C12自激測(cè)量和主電容C1正接法測(cè)量時(shí)介質(zhì)損耗明顯偏高。此時(shí)接地刀閘K2打開(kāi)時(shí)a 點(diǎn)處于絕緣狀態(tài)，會(huì)因水分的影響造成a 點(diǎn)局部介質(zhì)損耗嚴(yán)重增大。在惡劣的運(yùn)行環(huán)境中a 點(diǎn)至中間變壓器之間的絕緣老化，也會(huì)對(duì)中間變壓器的絕緣性能產(chǎn)成嚴(yán)重影響。分壓電容C2、中間變壓器、過(guò)電壓保護(hù)器、電抗器位于二次接線(xiàn)盒內(nèi)部，單獨(dú)對(duì)中間變壓器進(jìn)行匝間絕緣測(cè)試如下：中間變壓器高壓側(cè)—1a&1n0.02MΩ、中間變壓器高壓側(cè)—da&dn0.02MΩ、1a&1n—da&dn0.5MΩ。

由以上數(shù)據(jù)可知，中間變壓器內(nèi)部已存在嚴(yán)重的潮氣滲透，內(nèi)部絕緣嚴(yán)重降低。雖然樹(shù)脂澆筑干式變壓器本體的故障率相對(duì)較低[2]，但隨著潮氣和水分的滲透，中間變壓器絕緣介質(zhì)表面泄漏電流增大，內(nèi)部嚴(yán)重受潮，介質(zhì)損耗增大。采用自激法測(cè)試時(shí)，測(cè)試回路和測(cè)試儀器內(nèi)部計(jì)算中均包含中間變壓器本體的介質(zhì)損耗數(shù)值，必然導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的失真。所以表4數(shù)據(jù)中主電容C1和分壓電容C2自激法測(cè)試介質(zhì)損耗結(jié)果，比陰雨天氣時(shí)（表3數(shù)據(jù)）還要大。在自激法測(cè)試前，需對(duì)中間變壓器的整體絕緣性能進(jìn)行測(cè)試。如果絕緣測(cè)試不合格則不能采用自激法進(jìn)行試驗(yàn)。

采用反接法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，接地刀閘K2閉合、a點(diǎn)處于接地狀態(tài)。采用反接法進(jìn)行試驗(yàn)，避免了a點(diǎn)或中間變壓器高壓側(cè)的絕緣性能的影響，提高了工作效率。因此介質(zhì)損耗和電容試驗(yàn)中應(yīng)首選反接法。但采用反接法時(shí)，會(huì)因外絕緣套管的絕緣性能及雜散電容的變化對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)造成一定的影響。對(duì)于高壓電容式電壓互感器的主電容C1，根據(jù)電壓等級(jí)會(huì)分為多段電容串聯(lián)成一體。與a 點(diǎn)不相連的各段電容宜采用正接法測(cè)量數(shù)據(jù)更為真實(shí)。為避免外界環(huán)境的影響，必要時(shí)采用反接法與正接法結(jié)合的方式測(cè)量，能夠保障數(shù)據(jù)真實(shí)合理，更利于試驗(yàn)工作的進(jìn)行。

綜上，進(jìn)行電容式電壓互感器的介質(zhì)損耗試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)首選反接法，因?yàn)榇朔椒軠?zhǔn)確反應(yīng)介質(zhì)損耗測(cè)量值，降低內(nèi)部接線(xiàn)和電磁單元的影響，提高工作效率。為提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，建議盡量在晴好天氣進(jìn)行時(shí)試驗(yàn)，并采用反接法與正接法結(jié)合的方式測(cè)量。