劉松美

（無錫日新電機(jī)，江蘇 無錫 214000）

0 引言

近年來隨著國家電力工業(yè)的大力發(fā)展和市場(chǎng)需求，110 kV 以上的電容式電壓互感器（capacitor voltage transformer，CVT）作為一種功率測(cè)量兼計(jì)量用的電壓信號(hào)取樣裝置，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品也凸顯出了一些問題，CVT 產(chǎn)品在運(yùn)行過程中二次電壓出現(xiàn)異常問題較為常見，給客戶現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品正常運(yùn)行帶來了很大困擾。本文所研究的是運(yùn)行于蘇州某變電站的500 kV 的CVT 產(chǎn)品。該產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)二次電壓異常，造成CVT 三相開口電壓保護(hù)動(dòng)作。本文從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理出發(fā)，對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生不良原因點(diǎn)逐項(xiàng)排除并通過解體分析，結(jié)合試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并從設(shè)計(jì)角度，進(jìn)行產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)改良。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

CVT 的構(gòu)造主要包括電容分壓器和電磁單元兩部分[1]，電容分壓器由高壓電容C1和中壓電容C2串聯(lián)而成，一次側(cè)的高電壓經(jīng)電容分壓器分壓后，從中壓端子引出中間電壓，再由電磁單元中的中間變壓器轉(zhuǎn)換為客戶需要的二次電壓，供二次回路的測(cè)量和繼電保護(hù)之用[2-4]。500 kV 電容分壓器為3 段式，電容分壓器的高壓電容C1由C11、C12、C13組成，其中C1、C12安裝在上節(jié)和中節(jié)瓷套中，C13和C2安裝在下節(jié)瓷套中[5-6]。

電容式電壓互感器電氣原理見圖1，圖1 中U1為系統(tǒng)運(yùn)行電壓，U2為轉(zhuǎn)變的中間電壓，電容分壓的原理為：

圖1 電氣原理圖Fig.1 Electrical principle diagram

2 故障情況描述

該500 kV CVT 產(chǎn)品在運(yùn)行中二次電壓出現(xiàn)異常，造成三相開口電壓異常，使繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，產(chǎn)品不能正常運(yùn)行，客戶緊急調(diào)換該產(chǎn)品后，對(duì)故障品進(jìn)行解體分析。

3 可能的故障原因及判斷方法

3.1 電磁單元部分

1）進(jìn)行二次繞組的直流電阻測(cè)量，判定是否存在匝間短路造成二次電壓輸出異常[7-8]。

2）通過從二次繞組加壓，利用電磁感應(yīng)對(duì)電磁單元進(jìn)行三倍頻試驗(yàn)，檢驗(yàn)一次中變變壓器線圈是否存在匝間短路，如有短路將會(huì)阻止磁通的變化，會(huì)造成二次感應(yīng)電壓降低，試驗(yàn)原理見圖2。

圖2 感應(yīng)耐壓試驗(yàn)電路Fig.2 Induction voltage test circuit

3）用于補(bǔ)償電抗器兩端并聯(lián)保護(hù)的氧化鋅避雷器如果發(fā)生擊穿將會(huì)使電容分壓器上的等值容抗分去一部分電壓，使U2變小，從而會(huì)使二次電壓降低，檢驗(yàn)避雷器是否內(nèi)部擊穿[9]。

3.2 電容分壓器

500 kV CVT 電容分壓器的元件參數(shù)見表1。

表1 電容分壓器的元件參數(shù)Table 1 Parameters of capacitive voltage divider

通過參數(shù)可以看出，高壓部分C1由241 個(gè)電容器元件組成，擊穿一個(gè)高壓部分元件，C1電容量變化量為1/241=0.4%，對(duì)二次電壓的變化量影響較小，而中壓部分C2部分由11 個(gè)元件組成，若擊穿一個(gè)元件，C2電容量變化量為1/11=9.1%，對(duì)二次電壓影響較大[10-11]，由于C1和C2中的電容元件都是串聯(lián)，如果C2有一個(gè)或多個(gè)元件擊穿，C2的值就會(huì)變化很大，根據(jù)U2=U1×C1/（C1+C2），U2輸出電壓會(huì)明顯降低，造成運(yùn)行中CVT 三相開口電壓低于正常值而引起保護(hù)動(dòng)作異常[12-16]。

3.3 開口三角電壓

產(chǎn)品中C1和C2損壞的情況，見表2 和表3，正常運(yùn)行情況下，CVT 三相保持平衡，由每相二次繞組中的保護(hù)繞組dadn 組成的開口三角電壓近似為0；當(dāng)繞組dadn 二次電壓發(fā)生異常時(shí)，會(huì)造成開口電壓異常。正常情況下產(chǎn)品的一次電壓U1為按照3.2 章節(jié)的參數(shù)計(jì)算得出一個(gè)元件承受的電壓為1.145 kV，中間電壓U2為12.6 kV。表2 和表3 給出了C1和C2分別損壞一個(gè)元件時(shí)對(duì)開口三角電壓的影響，可以看出，損壞C1中的一個(gè)元件對(duì)開口三角電壓的影響較小，損壞C2中的一個(gè)元件以上對(duì)開口三角電壓的影響較大，造成系統(tǒng)三相電壓不能夠平衡，繼而造成保護(hù)動(dòng)作。

表2 C1損壞一個(gè)元件的情況的開口三角電壓計(jì)算Table 2 Calculation of open triangle voltage in case of damage of one element of C1

表3 C2損壞一個(gè)元件的情況的開口三角電壓計(jì)算Table 3 Calculation of open triangle voltage in case of damage of one element of C2

4 產(chǎn)品的解體分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 產(chǎn)品解體分析

對(duì)產(chǎn)品的電容分壓器和電磁單元部分進(jìn)行解體，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)電磁單元中間變壓器的高壓引線因連線過長而與箱殼接觸，并有明顯的燒傷放電痕跡，紙包外包線已經(jīng)燒焦發(fā)黑，電磁單元部分可能進(jìn)行了短接，使電壓不能反向傳遞，與箱殼接地形成了回路造成二次電壓異常，進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證電磁單元中部件是否損壞[17-19]。

通過對(duì)電容分壓器電容量的實(shí)際測(cè)量與額定值比較，見表4，中壓電容量C2明顯偏大，分析認(rèn)為是內(nèi)部元件擊穿，輸出電壓隨之降低。

表4 電容量變化量比較Table 4 Comparison of capacitance variation μF

為進(jìn)行論證進(jìn)一步對(duì)電容分壓器部分進(jìn)行解體，放完油后將電容器心子抽出，對(duì)單個(gè)元件逐個(gè)進(jìn)行電容量的測(cè)試，正常單個(gè)元件的電容量為1.26 μF，經(jīng)解體發(fā)現(xiàn)C2中有1 個(gè)元件擊穿損壞，與測(cè)試容量變化相符。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照3.1 節(jié)描述的判斷方法對(duì)電磁單元部分進(jìn)行試驗(yàn)。

1）進(jìn)行二次繞組的直流電阻測(cè)量，經(jīng)測(cè)算，見表5，直流電阻都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，說明二次繞組間無匝間短路[20-21]。

表5 二次繞組的直流電阻測(cè)量Table 5 DC resistance measurement of secondary winding

2）對(duì)一次繞組感應(yīng)耐壓試驗(yàn)：頻率150 Hz，時(shí)間40 s，電壓38 kV，通過，電壓沒有回落，證明一次繞組匝間無短路現(xiàn)象。

3）經(jīng)測(cè)量氧化鋅避雷器絕緣電阻在10 000 MΩ以上，屬于正常情況，可以排除避雷器引起的隱患。

4.3 故障原因總結(jié)

從以上電磁單元部分試驗(yàn)驗(yàn)證來看排除電磁單元內(nèi)部部件損壞原因。二次電壓輸出異常的原因?yàn)镃2中壓電容增大引起，而C2中壓電容增大的原因應(yīng)是一次高壓引線外部絕緣損壞，接觸箱殼并出現(xiàn)擊穿放電的現(xiàn)象，在一次引線與C2、箱殼直接形成了充放電回路。因一次引線外絕緣是油紙介質(zhì)，他的絕緣性能不可恢復(fù)的，弧道電阻較大，運(yùn)行中引線與箱殼間容易形成間歇性高頻電弧。一方面系統(tǒng)電源對(duì)C2進(jìn)行不斷供電，另一方面C2通過箱殼構(gòu)成的回路放電的弧道電阻又較大，使之無法充分放電，殘留有部分電荷。當(dāng)高頻振蕩電弧電流對(duì)它反向充電時(shí)，使其端電壓疊加，絕對(duì)值增大。在不斷交替進(jìn)行過程中，導(dǎo)致C2兩端的電壓達(dá)到數(shù)倍額定電壓，在這種情況下就會(huì)有一個(gè)或幾個(gè)元件因兩端承受的電壓過高而導(dǎo)致?lián)舸?，從而使中變一次分得的電壓變低，進(jìn)而使二次感應(yīng)的電壓變小，基于其他2 臺(tái)互感器的剩余繞組電壓是正常的，必然會(huì)導(dǎo)致開口三角電壓不平衡。

5 產(chǎn)品設(shè)計(jì)改善

5.1 一次高壓引線設(shè)計(jì)改善

對(duì)高壓端子外絕緣進(jìn)行設(shè)計(jì)改良，對(duì)原來紙包外絕緣改為用高絕緣強(qiáng)度設(shè)計(jì)的硅膠材質(zhì)護(hù)套線，根據(jù)各產(chǎn)品油面高度不同對(duì)電容分壓器連接C2的距離進(jìn)行連接線距離控制，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝制作要求進(jìn)行改進(jìn)，嚴(yán)格控制高壓端子引線長度，對(duì)不同產(chǎn)品箱體，防止高壓引線碰觸箱殼和電容分壓端子用白紗帶進(jìn)行扎緊固定位置[22-23]。

5.2 二次引線設(shè)計(jì)改善

為防止隱患并對(duì)電磁單元內(nèi)其他二次連線進(jìn)行外絕緣保護(hù)加套1 層高絕緣的自熄管，并用白紗帶進(jìn)行扎緊固定位置，以免二次繞組引出在運(yùn)輸晃動(dòng)中與箱殼碰觸，造成絕緣不良[24-29]。

6 結(jié)語

通過本次對(duì)CVT 故障原因的異常分析及驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)開口三角電壓發(fā)生異常的原因?yàn)橐淮胃邏憾俗优c箱殼接觸放電形成間隙性回路造成二次電壓異常，并在過電壓的情況下造成C2元件擊穿，對(duì)一次高壓引線和元件引出線進(jìn)行設(shè)計(jì)改良后，杜絕了類似問題發(fā)生，通過本次故障事故總結(jié)，產(chǎn)品制造應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)制作工藝，對(duì)設(shè)計(jì)改良加強(qiáng)工藝的跟蹤確認(rèn)，以確保產(chǎn)品技術(shù)性能穩(wěn)定。