國(guó)網(wǎng)河南省電力公司新鄉(xiāng)供電公司 劉 東

電容式電壓互感器在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，如電容分壓器內(nèi)部元件損壞、電磁單元受潮引起內(nèi)部變壓器短路等，這些故障將引起電壓互感器二次電壓異常，甚至?xí)斐勺冸娬灸妇€失壓的嚴(yán)重后果，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。本文介紹了一起110kV 電容式電壓互感器電容分壓器內(nèi)部電容元件擊穿導(dǎo)致的二次電壓異常升高的故障診斷分析。

1 電容式電壓互感器工作原理

電容式電壓互感器主要由電容分壓器和電磁單元兩部分組成，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 電容式電壓互感器結(jié)構(gòu)原理圖

其中，C1、C2組成電容分壓器，C1為高壓電容，首端接電網(wǎng)一次側(cè)高電壓，C2為中壓電容，末端一般接地。虛線框中為電磁單元，其由中間變壓器T、補(bǔ)償電抗器L 及限壓裝置F、阻尼器Z 等組成。1a、1n與2a、2n 均為主二次繞組，da、dn 為輔助二次繞組。電容式電壓互感器通過(guò)電容分壓器及變壓器兩級(jí)降壓，將一次側(cè)高電壓變?yōu)槎蝹?cè)低電壓，供測(cè)量和保護(hù)用。

由圖1可知，電容式電壓互感器二次電壓值的異常既與電容分壓?jiǎn)纹饔嘘P(guān)，又與電磁單元有關(guān)。為確定故障原因，須綜合采用紅外測(cè)溫、停電試驗(yàn)等多種手段分別對(duì)電容分壓器和電磁單元進(jìn)行檢測(cè)分析[1]。

2 故障概況

2021年5月22日，檢修人員在停電檢修前對(duì)某變電站設(shè)備進(jìn)行專業(yè)化巡視與現(xiàn)場(chǎng)勘察，發(fā)現(xiàn)后臺(tái)監(jiān)控D5000系統(tǒng)上110kV 西母電壓互感器B 相二次電壓較A、C 兩相異常升高，異常設(shè)備概況見(jiàn)表1。

表1 異常設(shè)備概況

3 故障原因分析及防范措施

3.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)人員立即對(duì)該設(shè)備進(jìn)行紅外精確測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)B 相電容式電壓互感器電容分壓器存在發(fā)熱現(xiàn)象，詳細(xì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 110kV 西母電容式電壓互感器紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)

通過(guò)表2橫向?qū)Ρ瓤梢?jiàn)，B 相電容式電壓互感器電容分壓器熱點(diǎn)位置與其余兩相最大溫差為2.1℃。根據(jù)規(guī)定，當(dāng)熱點(diǎn)位置與正常部位橫向?qū)Ρ葴夭钸_(dá)2℃時(shí)，可判定該設(shè)備內(nèi)部存在缺陷，且為電壓致熱型缺陷[2]。

現(xiàn)場(chǎng)檢修試驗(yàn)人員立即匯報(bào)情況申請(qǐng)停電，對(duì)該設(shè)備開(kāi)展停電檢查試驗(yàn)。試驗(yàn)中，該電容式電壓互感器電磁單元的變壓器一次繞組、二次繞組絕緣電阻、直流電阻試驗(yàn)均未見(jiàn)異常。因電磁單元完全密封無(wú)法取油樣，未對(duì)內(nèi)部變壓器油進(jìn)行油色譜分析。在對(duì)電容分壓器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其介質(zhì)損耗因數(shù)及電容量試驗(yàn)項(xiàng)目嚴(yán)重超標(biāo)，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 110kV 西母B 相電容式電壓互感器介質(zhì)損耗因數(shù)及電容量測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，B 相電容式電壓互感器高壓電容C1介質(zhì)損耗因數(shù)達(dá)到0.67%，超標(biāo)明顯（介質(zhì)損耗因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為≤0.25%），電容量初值差為3.8%，亦超過(guò)警示值（電容量誤差警示值為±2%）[3]。

試驗(yàn)人員進(jìn)一步查詢歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)，2015年1月13日該設(shè)備曾進(jìn)行停電例行試驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 110kV 西母B 相電容式電壓互感器歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)比2015年例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，B 相電容式電壓互感器高壓電容C1介質(zhì)損耗因數(shù)及電容量試驗(yàn)數(shù)據(jù)均有明顯增長(zhǎng)。

經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，排除干擾因素等，數(shù)據(jù)未有明顯好轉(zhuǎn)，判斷為B 相電容式電壓互感器上節(jié)高壓電容C1存在內(nèi)部故障，初步判斷可能原因?yàn)椴糠蛛娙菰g存在絕緣受潮或放電缺陷，造成部分電容元件之間短路擊穿，從而出現(xiàn)電容量增大和介損超標(biāo)，該故障進(jìn)一步引發(fā)電容分壓器發(fā)熱及電容式電壓互感器二次電壓異常升高。檢修人員立即對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行了更換。

3.2 設(shè)備解體檢查

為徹底查清電容式電壓互感器二次電壓異常的原因，檢修試驗(yàn)人員對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行了解體檢查。

首先解體電磁單元，因前期檢查將設(shè)備故障定位在電容分壓器，故未對(duì)電磁單元做詳細(xì)檢查，僅取變壓器油樣做油色譜分析，其檢測(cè)結(jié)果亦未見(jiàn)異常。

然后解體檢查電容分壓器。放出內(nèi)部絕緣油，對(duì)絕緣油進(jìn)行外觀檢查，油質(zhì)發(fā)黃，顏色略深，未見(jiàn)明顯沉淀物。拆除上端蓋，拆下上端蓋內(nèi)部與電容分壓器頂部電容元件相連的引線，檢查引線接線端子及引線外絕緣外觀良好，未見(jiàn)放電痕跡等異常，引線兩側(cè)接線端子螺栓緊固良好。拆除電容分壓器外瓷套下部法蘭，吊離瓷套，露出電容分壓器本體（如圖2所示）。

圖2 電容元件連接片周圍放電燒蝕

對(duì)電容分壓器本體進(jìn)行外觀檢查，其頂部金屬膨脹器完好無(wú)破損，伸縮正常，膨脹器片間未見(jiàn)沉淀物及放電痕跡，固定用木質(zhì)支架牢固無(wú)偏斜，橫向扎帶綁扎牢固無(wú)異常。該電容分壓器整體上分為高壓電容C1的4個(gè)包共計(jì)48個(gè)電容元件，中壓電容C2的1個(gè)包共計(jì)12個(gè)電容元件，各電容元件及其之間的連接片排列相對(duì)整齊無(wú)偏斜破損劃傷等，整體外觀檢查未見(jiàn)明顯放電痕跡等異常。

隨后檢修試驗(yàn)人員按照高壓試驗(yàn)的初步判斷結(jié)果，繼續(xù)對(duì)高壓電容C1的4個(gè)包48個(gè)電容元件進(jìn)行進(jìn)一步解體，并對(duì)每個(gè)電容元件依次進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，發(fā)現(xiàn)第39個(gè)與第40個(gè)電容元件有擊穿，絕緣電阻為零，其余元件測(cè)試無(wú)異常。對(duì)中壓電容C2的1個(gè)包12個(gè)電容元件解體并測(cè)試絕緣電阻，結(jié)果無(wú)異常。檢修人員對(duì)擊穿的第39個(gè)與第40個(gè)電容元件進(jìn)行展開(kāi)解剖，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)電容元件連接片周圍數(shù)層電容極存在大量炭黑，放電痕跡明顯，尤其是第39個(gè)電容元件與連接片接觸的電容層處存在劃痕及連接片鋁箔矩形樣放電燒蝕痕跡（如圖2所示），至此本次設(shè)備故障部位徹底查清。

3.3 故障原因分析

根據(jù)故障設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及解體檢查情況，分析造成電容式電壓互感器二次電壓異常升高的原因如下。

一是電容分壓器內(nèi)的電容元件之間的引線連接片存在制造工藝不良的問(wèn)題，其邊緣在加工時(shí)存在毛刺或比較鋒利，電容式電壓互感器的部件在廠內(nèi)組裝或運(yùn)輸過(guò)程中存在振動(dòng)或搖晃，在此作用下，電容元件間的引線連接片與電容元件薄膜之間產(chǎn)生相對(duì)位移，薄膜被劃傷，從而造成電容元件絕緣破損。

二是單個(gè)電容元件僅有兩層薄膜絕緣，薄而柔軟，當(dāng)插入厚而堅(jiān)硬的引線片再進(jìn)行整體壓緊固定后，引起局部場(chǎng)強(qiáng)畸變，投入運(yùn)行后在高電壓作用下，使絕緣破損部位產(chǎn)生局部放電，在積累效應(yīng)下由弱到強(qiáng)，逐漸導(dǎo)致電容元件擊穿。

三是單個(gè)電容元件擊穿使剩余的正常電容元件承受更高的工作電壓，且擊穿過(guò)程中釋放的能量與物質(zhì)使故障部位周圍的電容元件運(yùn)行工況更加惡劣，先于其他部位元件放電擊穿。同時(shí)，因該故障發(fā)現(xiàn)及時(shí)，放電產(chǎn)生的物質(zhì)較少，僅造成絕緣油顏色略深而無(wú)明顯沉淀物。

四是高壓電容C1部分電容元件擊穿短路后，C1電容量增大，使中間變壓器T 獲得的一次電壓升高，在變壓器變比不變時(shí)，造成電容式電壓互感器二次電壓異常升高。

3.4 防范及改進(jìn)措施

一是加強(qiáng)二次電壓監(jiān)測(cè)巡視。目前，電容式電壓互感器在線監(jiān)測(cè)手段有限，由于各種原因，介損和電容量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)并未在電力系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用。而基于電壓互感器自身工作原理的二次電壓監(jiān)測(cè)既能夠監(jiān)測(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)電壓，又能夠反映互感器自身工作狀態(tài)。已有研究證明，二次電壓的監(jiān)測(cè)對(duì)發(fā)現(xiàn)電容式電壓互感器設(shè)備內(nèi)部缺陷，比電容量和介損在線監(jiān)測(cè)具有更好的靈敏度。因此，運(yùn)維人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電容式電壓互感器二次電壓監(jiān)測(cè)的日常巡視及值班管理，如發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)匯報(bào)處理。

二是加強(qiáng)紅外測(cè)溫巡視。當(dāng)設(shè)備存在電壓致熱型缺陷時(shí)，開(kāi)展紅外測(cè)溫時(shí)一般絕對(duì)溫度不高，此時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)三相設(shè)備及同型號(hào)設(shè)備數(shù)據(jù)的橫向?qū)Ρ?，即使絕對(duì)溫升合格，但相間溫差超標(biāo)時(shí)仍需引起足夠重視。本次故障后立即安排了運(yùn)維檢修人員對(duì)故障電容式電壓互感器的同廠同型設(shè)備開(kāi)展精確紅外測(cè)溫隱患排查，拍照建檔留痕。

三是督促生產(chǎn)廠家改進(jìn)生產(chǎn)工藝。首先對(duì)容易引起局部場(chǎng)強(qiáng)畸變的電容元件連接片的加工工藝進(jìn)行改良升級(jí)，采取減小連接片厚度，進(jìn)行圓倒角處理，對(duì)連接片邊緣進(jìn)行打磨拋光或采用卷邊工藝等措施，使局部場(chǎng)強(qiáng)更加均勻，并減少金屬連接片對(duì)電容元件薄膜的機(jī)械傷害，從而降低局部放電發(fā)生概率。其次加強(qiáng)廠內(nèi)設(shè)備部件的組裝與運(yùn)輸管理，關(guān)鍵部件綁緊壓實(shí)再運(yùn)輸或減少搬運(yùn)頻次，從而降低部件產(chǎn)生相對(duì)位移概率。三是加強(qiáng)出廠試驗(yàn)項(xiàng)目尤其是局部放電試驗(yàn)的監(jiān)督落實(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某變電站電容式電壓互感器二次電壓異常升高進(jìn)行分析，通過(guò)高壓試驗(yàn)及解體檢查等方法找出了造成該故障的具體原因，并提出了相應(yīng)的電力設(shè)備制造工藝及設(shè)備運(yùn)維方面的防范改進(jìn)措施，為電容式電壓互感器故障處理及技術(shù)進(jìn)步提供有效的指導(dǎo)，有利于保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。