110 kV 電容式電壓互感器電磁單元發(fā)熱分析

劉 瀟

(廣東電網(wǎng)公司惠州供電局，廣東惠州516001)

0 引言

電容式電壓互感器(TYD)是通過串聯(lián)電容器分壓，再經(jīng)電磁式互感器降壓和隔離，作為表計、繼電保護等的一種電壓互感器，電容式電壓互感器還可以將載波頻率耦合到輸電線用于長途通信、遠方測量、選擇性的線路高頻保護、遙控、電傳打字等。與常規(guī)的電磁式電壓互感器相比，電容式電壓互感器除可防止因電壓互感器鐵芯飽和引起鐵磁諧振外，在經(jīng)濟和安全上還有很多優(yōu)越之處。

運行中各種原因產(chǎn)生的過電壓或者長久的運行年限，往往導致與之相連的電壓互感器輔助二次阻尼器元件損壞或劣化，進而阻尼器工頻諧振條件破壞，從而電氣發(fā)熱使阻尼器所處的互感器電磁單元溫度異常。

對運行中的電容式電壓互感器進行精確紅外診斷是電力設備狀態(tài)評估和帶電診斷行之有效的技術(shù)手段和重要方法。電力設備的紅外診斷工作具有不停電、不取樣、不接觸、直觀、準確、靈敏度高及應用范圍廣等優(yōu)點，可以準確判斷設備內(nèi)部故障，對保證電網(wǎng)安全運行和提高設備運行可靠率有重要作用［1］。

在進行變電站紅外測溫工作中，筆者通過紅外精確測溫技術(shù)發(fā)現(xiàn)并及時處理了一起110 kV 電容式電壓互感器電磁單元發(fā)熱故障。

1 故障情況

2014 年 4 月，對某 110 kV 線路 A 相 TYD 進行紅外測溫時，發(fā)現(xiàn)該TYD 中間變壓器部分中上部溫度較其余部分高出約4 K。2014 年7 月，對該TYD 進行復測，測溫結(jié)果與上次相同。為便于對比，以下為異常發(fā)熱的110 kV 線路A 相TYD(圖1)及正常運行的110 kV 線路 A 相TYD(圖2)的紅外測溫圖。

圖1 異常發(fā)熱110 kV 線路A 相TYD 紅外測溫圖譜

圖2 正常運行110 kV 線路A 相TYD 紅外測溫圖譜

圖3 為該異常發(fā)熱110 kV 線路A 相TYD 下部油箱紅外成像分析圖。從該分析圖可見，油箱最高溫與最低溫溫差為4.4 K。排除分析誤差，溫差預計在4 K 上下。

上述分析得出結(jié)果均不符合《DL/T 664 -2008 帶電設備紅外診斷應用規(guī)范》電壓致熱型設備診斷判據(jù)中“電壓互感器(含電容式電壓互感器的互感器部分)溫差不超過2 ～3 K”的要求［3］。

依據(jù)《DL/T 664 -2008 帶電設備紅外診斷應用規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定的要求，2014 年7 月中旬，更換該TYD。隨后進行解體分析工作。

圖3 異常發(fā)熱110 kV 線路A 相TYD 下部油箱紅外成像分析圖

2 TYD 基本參數(shù)

2.1 該TYD 銘牌(如表1)

表 1 110 kV 線路 A 相 TYD 銘牌

2.2 該TYD 電氣原理圖見圖4

圖4 110 kV 線路A 相TYD 電氣原理圖

2.3 該TYD 二次接線端子圖見圖5

圖5 110 kV 線路A 相TYD 二次接線端子圖

3 TYD 解體分析情況

解體前分別對該TYD 進行常規(guī)高壓試驗、油化驗，使用排除法進行分析，詳細數(shù)據(jù)如下。

3.1 高壓試驗

3.1.1 絕緣電阻、tanδ 及電容量

表2 絕緣電阻、tanδ 及電容量

其中，測出C1、C2后再計算其總電容量C算:10 066 pF，電容量偏差為:0.66%。

整體測量 C1+C2總電容量 C總測:9 974pF，tanδ:0.178%。

結(jié)論:電容器方面無明顯異常，初步排除為發(fā)熱原因。

3.1.2 中間變壓器

表3 TYD 中間變壓器直流電阻、變比、空載試驗結(jié)果

結(jié)論:中間變壓器繞組方面無明顯異常，初步排除為發(fā)熱原因。

3.1.3 中間變壓器二次輔助繞組阻尼器單元(即圖4 中的Z單元)

電容:288.4 μF

電阻:9.038 Ω

電感:38.72 mH

伏安特性曲線:

圖6 中藍色曲線為該TYD 二次輔助繞組阻尼器伏安特性曲線。根據(jù)廠家提供的資料，同類型阻尼器在100 V 額定電壓下不應大于0.3A。以此為標準作曲線，為圖6 中的紅色曲線。

圖6 TYD 二次輔助繞組阻尼器伏安特性曲線

同時在加壓過程中利用紅外成像測溫儀進行測溫，當加至100 V 時，阻尼器中的電阻元件發(fā)熱明顯，且與現(xiàn)場紅外測溫情況吻合、紅外測溫圖譜如圖7 所示。

圖7 TYD 二次輔助繞組阻尼器紅外測溫圖譜

結(jié)論:初步懷疑阻尼器中的電阻元件為發(fā)熱源。

3.2 油樣試驗(單位:μL/L)(見表4)

表4 油樣化驗結(jié)果

結(jié)論:總烴含量接近標準要求值(按油浸式電壓互感器標準)。通過三比值法初步判斷該TYD 油箱內(nèi)部存在低溫范圍的過熱故障。

4 試驗結(jié)果分析

從上述試驗結(jié)果分析，排除其余元件，初步鎖定為中間變壓器二次輔助繞組阻尼器單元異常。

該阻尼器由產(chǎn)生并聯(lián)諧振的電容器C 和電抗器L 并聯(lián)后再串聯(lián)電阻R 組成，見圖8，實物圖見圖9。正常運行時，電感L、電容C 在工頻電壓下處于并聯(lián)諧振狀態(tài)下而呈高阻抗，但當系統(tǒng)出現(xiàn)操作過電壓時，電流分頻或高頻分量較大，回路并聯(lián)諧振條件破壞，則電流劇增，流過電阻R 的電流增大，消耗較大功率，可以有效阻止諧振的發(fā)生［2］。

圖8 TYD 二次輔助繞組阻尼器原理圖

圖9 TYD 二次輔助繞組阻尼器實物圖

正常情況下，阻尼器單元因呈高阻抗狀態(tài)而幾乎沒有電流流過，但是經(jīng)測試得出阻尼器并聯(lián)部分阻抗為:

XL=jωL=j12.15 808 Ω

XC=1/(jωC)= -j11.042 7 Ω

Xb=(XL* XC)/(XL+XC)= -j120.37 Ω(呈容性)

上式中，XL為阻尼器并聯(lián)部分的電感的感抗，XC為阻尼器并聯(lián)部分的電容的容抗。Xb為阻尼器并聯(lián)部分的阻抗。

阻尼器阻抗為:

此時，運行中電壓為:

U=100 V

電流為:

I=U/Xz=0.828 A

與伏安特性曲線吻合(注:伏安特性曲線的測試是在放油前，而上述計算值為放油后測得值，故存在一定偏差)。

根據(jù)廠家提供的資料，在額定電壓100 V 下的電流不超過0.3 A，設 In= 0. 3 A，U = 100 V，則 Xzn= 333. 33Ω，XCn=-j11.73Ω，Cn=271.5 μF。

即與正常情況相比:電容量增大了8.9 μF，電容偏差為+6.225%。

根據(jù)實際運行經(jīng)驗，電容器電容量變化的概率遠超電感的電感量變化概率，故初步推斷為電容器劣化導致電容量變大。

由此可以看出，隨著阻尼器單元中的電容器電容量增大，其容抗XC絕對值變小，阻尼器單元中的并聯(lián)部分阻抗絕對值變小，阻尼器單元總阻抗Xz變小，導致回路中的電流I 變大，導致阻尼器的電阻持續(xù)發(fā)熱。

我們假設電容量增大到一定程度，電感不變，使運行中電阻兩端的電壓為10 V，反推計算出這種情況下電流I' =1.106 A，電容量將增大至C'= 297.3 μF，較目前所測增大量ΔC=8.9 μF，電容偏差為+2.994%，則容抗Xc' = -j10.710 9Ω，并聯(lián)部分阻抗Xb'= 89.96Ω，阻尼器單元的阻抗Xz' = 90.415 9Ω。通過紅外成像測溫儀拍攝的紅外圖譜如圖10 所示。

圖10 模擬電容量增大紅外測溫圖譜

整個加壓過程中，大約5 min 時間內(nèi)，電阻R 從室溫32℃左右升至超過100℃，并且溫度還在持續(xù)上升中。由此可見，隨著電容器的劣化，電容量上升，電阻溫度會急劇上升。此外，因為電阻的位置在油箱上部，此位置較熱的絕緣油不會進行循環(huán)，冷卻效果不佳。勢必造成絕緣油劣化、零部件過熱損壞等后果。

5 結(jié)語

阻尼器是電容式電壓互感器防分頻或高頻諧振重要的裝置，一般由電容器元件和電抗器元件并聯(lián)組成，在正常運行條件下，呈工頻并聯(lián)諧振狀態(tài)，但當電容元件應運行時限長等原因老化致電容量變化，工頻諧振條件破壞，流過阻尼器的工頻電流激增，造成電容器電磁單元發(fā)熱。對運行中帶電設備進行精確紅外診斷是電力設備狀態(tài)評估和帶電診斷行之有效的技術(shù)手段和重要方法，能夠及時發(fā)現(xiàn)設備的隱患，避免缺陷發(fā)展成設備停電事故，保障電網(wǎng)的安全運行。

［1］李長慶，敬江彬，趙春捷，等.淺談紅外診斷技術(shù)在變電站電力設備中的應用［J］. 黑龍江電力，2008，30(2):11 -15.

［2］梁靜，吳冬文.35 kV 電容式電壓互感器電磁單元發(fā)熱故障分析［J］.江西電力，2013(2):65 -68.

［3］DL/T 664 -2008 帶電設備紅外診斷應用規(guī)范［S］.

［4］Q/CSG 114002 -2011 電力設備預防性試驗規(guī)程［S］.