郭 一

（國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100095）

0 引言

電容式電壓互感器是新能源場站110 kV及以上配電系統(tǒng)常用的互感器類型，它將一次系統(tǒng)的高電壓轉(zhuǎn)換為二次系統(tǒng)的低電壓，直接用于電壓和功率測量、關(guān)口表計量裝置、靜止無功補償裝置等無功調(diào)節(jié)裝置、升壓站繼電保護裝置、本地及調(diào)度機構(gòu)測量系統(tǒng)等。電容式電壓互感器一旦發(fā)生異常，直接影響無功調(diào)節(jié)設(shè)備、保護裝置、計量表計和電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的正常工作，甚至造成巨大的經(jīng)濟損失，給企業(yè)的安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來巨大的隱患。本文對一起220 kV電容式電壓互感器異常問題進行深入分析，結(jié)合升壓站配電系統(tǒng)安全生產(chǎn)實際，提出電容式電壓互感器狀態(tài)監(jiān)測的策略建議。

1 電壓異常的分析和處置

1.1 電壓異常情況

某新能源場站2 2 0 kV 升壓站母線安裝的TYD220/ -0.01H型電容式電壓互感器工作原理如圖1所示。其中，載波耦合電容C額定容值為10 nF，高壓電容C1額定容值為11.89 nF，中壓電容C2額定容值為63.5 nF。2018-08-10，檢測到220 kV A母三相二次電壓不平衡，與B母同名相二次電壓存在顯著差距，且最大相和最小相差別近1.7 V，造成雙細則電壓合格率考核的同時，也給電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備、關(guān)口計量、繼電保護裝置等正常運行產(chǎn)生影響。A、B母二次電壓測量如表1所示。

表1 電壓互感器二次電壓（熔斷器前）

圖1 電容式電壓互感器電氣原理圖

1.2 電壓異常情況分析

1.2.1 分壓電容值實測

按照《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》，當電壓互感器二次電壓異常時，應(yīng)迅速查明原因并及時處理[1]。根據(jù)《DL/T 596—1996 電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》《DL/T 393—2010 輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》，電容分壓器電容值與出廠值相差不得超過±2[2]（警示值，即狀態(tài)量達到該數(shù)值時設(shè)備已存在缺陷并有可能發(fā)展為故障）；根據(jù)《電容式電壓互感器使用說明書》，電容分壓器的載波耦合電容C、高壓電容C1和中壓電容C2的電容偏差應(yīng)不超過其額定值的-5 ～+10 ，而C1及C2兩者偏差之差不超過5 ，同時介損值不應(yīng)大于0.001 5。為此，對220 kV升壓站A母線電容式電壓互感器最近一次電容值實測數(shù)據(jù)進行了檢查，檢查結(jié)果如表2所示。

表2 A母電容式電壓互感器電容值試驗數(shù)據(jù)

從表2可以看出，實際升壓站A母A、B相電容式電壓互感器容值變化超出行業(yè)標準“警示值”，其中A相接近廠家說明書限制值。

1.2.2 電容值異常數(shù)據(jù)分析

該型電容式電壓互感器的電容分壓器由208個單塊容值2.08 的電容元件串聯(lián)組成，其中上層分壓器C12由104塊電容元件疊裝而成，下層分壓器C11由71塊電容元件疊裝而成，下層分壓器C2由33塊電容元件疊裝而成。隨著互感器運行年限的增長，受早期制造工藝、運行過電壓沖擊和電容元件材料老化等因素影響，電容分壓器內(nèi)部電容元件絕緣老化受損、極板放電擊穿，一方面放電造成絕緣介質(zhì)劣化、電容分壓器介損值上升，影響剩余電容元件絕緣強度；另一方面，剩余電容元件承受的運行電壓升高，絕緣裕度進一步降低，加速剩余電容元件的劣化損壞。高壓電容C1內(nèi)部每N個電容元件被擊穿，高壓電容容值較初值上升N/（175-N）個百分點；中壓電容C2內(nèi)部每N個電容元件被擊穿，中壓電容容值較初值上升N/（33-N）個百分點。

為了了解互感器電壓異常具體原因，對2007年以來的試驗數(shù)據(jù)（如表3所示）進行了分析。自2011年起，A相和C相C12電容單元的介損值歷年均穩(wěn)定在0.001 3以上，接近產(chǎn)品說明書允許值，且高于其他單元0.000 3；2013年以來，三相電容式電壓互感器電容分壓器容值均較初值有升高，且呈現(xiàn)出加劇發(fā)展趨勢。因此，判斷電容分壓器內(nèi)部電容元件存在被擊穿現(xiàn)象。其中2013年A相高壓電容C1有1個電容元件被擊穿、2015年被擊穿元件數(shù)量增加至5個、2017年被擊穿元件數(shù)量增加至8個，2015年B相高壓電容C1有1個電容元件被擊穿、2017年被擊穿元件數(shù)量增加至5個，2015年C相高壓電容C1有2個電容元件被擊穿、2017年被擊穿的元件數(shù)量增加至3個。

表3 A母電容式電壓互感器近10 a電容值試驗數(shù)據(jù)

1.2.3 電壓異常情況驗證

電容式電壓互感器由電容分壓器和電磁單元組成，其中電容分壓器通過高壓電容C1和中壓電容C2串聯(lián)分壓，電磁單元的中壓變壓器并接在中壓電容C2兩側(cè)，將中間電壓變?yōu)槎坞妷?。電容式電壓互感器二次電壓?/p>

其中，U2為二次電壓；U1為一次電壓；K為中壓變壓器變比。

由此可知，電容式電壓互感器運行中如果因電容元件被擊穿造成高壓電容C1或中壓電容C2電容量發(fā)生變化，二次電壓則會發(fā)生變化。高壓電容C1有電容元件被擊穿，則高壓電容C1容值變大，二次電壓將升高；中壓電容C2有電容元件被擊穿，則中壓電容C2容值變大，二次電壓將降低。

分別將2017年實測電容值和出廠電容值帶入以上式（1），與初值相比較，A相二次電壓將升高3.11個百分點，B相二次電壓將持平，C相二次電壓將升高0.96個百分點；設(shè)實時二次電壓為59.1 V，則三相電壓分別為A相60.9 V、B相59.1 V、C相59.7 V，與表1中A母三相電壓實測值基本一致。因此，判斷二次電壓異常是由于相應(yīng)電容分壓器內(nèi)部電容元件被擊穿引發(fā)，印證了前述的判斷。

1.3 異常情況的處置

由前述可知，三相電容式電壓互感器的分壓電容器內(nèi)部電容元件不同程度存在被擊穿問題，A、B相電容元件被擊穿數(shù)量分別為8個和5個，電容元件被擊穿后剩余電容元件的電壓變化為

其中，m為電容分壓器中電容元件總數(shù)，為208塊；n為被擊穿電容元件的數(shù)量。

在部分電容被擊穿后，剩余電容元件承擔的電壓將升高。按照《電容式電壓互感器使用說明書》中“互感器可在1.2倍額定電壓下長期運行，用于中性點有效接地系統(tǒng)的互感器可在1.5倍額定電壓下運行30 s”的說明，A、B相電壓互感器剩余電容元件承受的正常運行電壓已超出允許水平，在過電壓作用下極易出現(xiàn)絕緣事故，亟須進行處置，防止出現(xiàn)220 kV母線區(qū)內(nèi)故障。另外，無論是“高壓電容C1容值變大引起的二次電壓升高”，還是“中壓電容C2容值變大引起的二次電壓降低”，二次電壓均不能正確反映一次系統(tǒng)真實電壓值，給電能質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定、繼電保護和電量計量等均產(chǎn)生影響，亟須進行處置，提升系統(tǒng)安全可靠性。

為此，對A母三相電容式電壓互感器進行更換，并對同批次的B母三相電容式電壓互感器進行更換，更換后A、B母二次電壓恢復(fù)正常，具體情況如表4所示。

表4 A、B母電壓互感器更換后二次電壓測量值

1.4 異常情況發(fā)生的原因分析

1.4.1 技術(shù)監(jiān)督的關(guān)鍵環(huán)節(jié)應(yīng)合規(guī)

對新能源場站而言，現(xiàn)階段均能夠規(guī)范開展量值檢測和傳遞，但對電容值等關(guān)鍵指標分析上把關(guān)不嚴，將“初值差分析”變?yōu)椤巴炔罘治觥?；二次電壓和紅外成像分析不規(guī)范，溫升細微變化和電壓一致性不好未能及時發(fā)現(xiàn)，造成緩慢發(fā)展的問題，錯過最佳發(fā)現(xiàn)、處置時機，最終演變?yōu)楫惓Ｊ录?/p>

1.4.2 不同專業(yè)的差異性影響決策

大多數(shù)電力企業(yè)一次和二次專業(yè)由不同專業(yè)工程師負責，由于一次、二次專業(yè)規(guī)程制定原則的差異性，以及生產(chǎn)經(jīng)營訴求的差異性，造成對設(shè)備狀態(tài)的認知判斷、問題后果的接受程度不盡相同，因此設(shè)備管理存在較大差異性，導(dǎo)致問題互感器形成隱患后仍長時間在網(wǎng)運行。

1.4.3 剛性計劃影響檢修策略實施

當前各級調(diào)度對涉網(wǎng)電氣系統(tǒng)檢修計劃管控趨嚴，受多重因素影響，檢驗逾期、項目漏檢等問題不同程度存在，造成設(shè)備狀態(tài)存在不可控的運行風險。

2 建議

2.1 電力技術(shù)監(jiān)督宜系統(tǒng)考慮并把握關(guān)鍵環(huán)節(jié)

一是量值獲取、分析處置環(huán)節(jié)必須嚴格執(zhí)行國家、行業(yè)、企業(yè)標準，檢測方法、數(shù)據(jù)分析、處置策略必須合法合規(guī)，摸清設(shè)備真實狀態(tài)。二是要建立并規(guī)范包括日常巡檢、例行試驗在內(nèi)的數(shù)據(jù)庫，從二次電壓幅值波形變化、紅外熱像設(shè)備異常溫升、分壓電容容值介損變化趨勢綜合分析判斷互感器狀態(tài)，達警示值時及時開展局部放電、電壓比校核等診斷性試驗，確定主絕緣強度和電壓轉(zhuǎn)換的準確性，存在異常的必須采取果斷措施。

2.2 電力企業(yè)要結(jié)合實際制定嚴于行業(yè)標準的企業(yè)標準

隨著新版《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程（DL/T 596—2021）》《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程（DL/T 393—2021）》等規(guī)程的發(fā)布，電容式電壓互感器電容量檢測周期大幅延長，且提出了“額定電壓下的誤差特性滿足誤差限制要求的，可以替代介質(zhì)損耗因素及電容量測量”[3]的條款。需要指出的是，互感器誤差特性試驗一般分工在電氣二次專業(yè)，一是試驗結(jié)果對電容式電壓互感器絕緣影響的判斷會因?qū)I(yè)間溝通不足而缺失；二是如果“高壓電容C1容值變大引起二次電壓升高”，電能計量結(jié)果的有利性不利于對異常問題的及時處置。因此，建議制定企業(yè)標準時，充分考慮停電周期、專業(yè)分工、產(chǎn)品說明書要求、可能產(chǎn)生的后果等因素，制定相對嚴格的企業(yè)標準。

2.3 檢修工作宜堅持逢停必檢

受多重因素影響，涉網(wǎng)電氣設(shè)備計劃停電較難平衡，規(guī)程標準周期要求往往難以達到，因此應(yīng)堅持逢停必檢，全面開展例行試驗，有針對性地開展診斷性試驗，扎實做好修前準備和過程管控工作，確保設(shè)備狀態(tài)安全可控。

3 結(jié)束語

電容式電壓互感器涉及無功調(diào)節(jié)設(shè)備、繼電保護裝置、電能計量等多個環(huán)節(jié)，涉及系統(tǒng)多、影響范圍廣。另外，受制造工藝、運行環(huán)境、系統(tǒng)過電壓等因素影響，新投入運行或服役年限較長的電容式電壓互感器極易出現(xiàn)異常問題。因此，要科學(xué)、合規(guī)地做好設(shè)備管理工作，確保發(fā)供電企業(yè)和電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運行。