一起220 kV電容型電壓互感器故障的原因分析及防范措施

汪曉明，何 萍，童軍心，晏年平

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司，江西南昌 330077；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司檢修分公司，江西南昌 330096；3.國(guó)網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096）

0 引言

電容式電壓互感器與電磁式電壓互感器相比，具有絕緣性能好，耐壓水平高，不易與斷路器斷口電容產(chǎn)生諧振、生產(chǎn)成本低、可兼作高頻通信等諸多優(yōu)點(diǎn)，在高壓電網(wǎng)得到廣泛的應(yīng)用。但近年來(lái)，電容式電壓互感器故障的發(fā)生相對(duì)頻繁，國(guó)內(nèi)已發(fā)生了多起電容式電壓互感器故障[1-4]，嚴(yán)重威脅了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。近期，在某220 kV 變電站又發(fā)生了一起220 kV電容式電壓互感器內(nèi)部電磁單元絕緣擊穿燒損故障。電容式電壓互感器在運(yùn)行中的安全問(wèn)題再次引起大家的注意。

1 事故經(jīng)過(guò)及情況介紹

2012年12月6日，天氣晴朗，某220 kV 變電站X線(xiàn)在完成綜合自動(dòng)化改造恢復(fù)運(yùn)行的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)A相電容式電壓互感器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)設(shè)備1）二次繞組無(wú)電壓輸出。設(shè)備1：設(shè)備產(chǎn)品型號(hào)TYD220/√3-0.005H，2009年9月生產(chǎn)，2009年11月投運(yùn)，系國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)。2011年例行試驗(yàn)各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)異常。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備1 進(jìn)行了電容單元電容量及介質(zhì)損耗、各分壓電容對(duì)地絕緣電阻、二次繞組對(duì)地絕緣電阻、二次繞組直流電阻、電磁單元油色譜及水分分析等相關(guān)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電磁單元油色譜及水分分析測(cè)試結(jié)果異常，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，其他試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果無(wú)異常。

表1 絕緣油檢測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)設(shè)備1 電磁單元解體檢查，發(fā)現(xiàn)絕緣油渾濁，散發(fā)出焦味。油箱底部存在大量的水，電磁單元箱壁、中間變壓器鐵心及夾件、補(bǔ)償電抗器鐵心等部位銹蝕嚴(yán)重。拔出中間變壓器一次線(xiàn)圈及二次線(xiàn)圈，線(xiàn)圈底部絕緣紙板對(duì)應(yīng)一次線(xiàn)圈部位有一圈放電燒蝕痕跡，其中以靠近下鐵軛部位尤為明顯。剝開(kāi)一次線(xiàn)圈最外部絕緣層，一次高壓引線(xiàn)與繞組漆包線(xiàn)之間匝間及層間絕緣已被擊穿，大面積燒損，見(jiàn)圖1。大量硅鋼片嚴(yán)重變色，存在銹蝕或過(guò)熱現(xiàn)象。

圖1 被燒損的一次繞組

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和解體檢查情況，初步分析：1）電磁單元微水含量超標(biāo)及電磁單元內(nèi)部箱壁、中間變壓器鐵心、夾件嚴(yán)重銹蝕，說(shuō)明電磁單元密封不嚴(yán)，存在長(zhǎng)期進(jìn)水受潮現(xiàn)象；2）中間變壓器一次繞組與下鐵軛之間的絕緣紙板存在燒蝕情況，說(shuō)明中間變壓器一次繞組對(duì)接地的下鐵軛發(fā)生過(guò)擊穿放電。而該設(shè)備轉(zhuǎn)檢修前運(yùn)行穩(wěn)定，例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)異常，但在由冷備用轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)二次側(cè)無(wú)電壓輸出，可以初步判斷為轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的操作過(guò)電壓擊穿了已嚴(yán)重劣化的一次繞組與下鐵軛之間的絕緣，導(dǎo)致一次繞組對(duì)下鐵軛形成接地短路造成。但由于設(shè)備1電磁單元嚴(yán)重受潮，絕緣被擊穿的原因究竟是由于受潮引起，還是由于設(shè)備本身絕緣問(wèn)題引起，還需進(jìn)一步分析。

2 在運(yùn)設(shè)備排查情況

對(duì)全省在運(yùn)的220 kV及以上該廠生產(chǎn)的電容式電壓互感器進(jìn)行了電磁單元油色譜排查。全省共155 臺(tái)（包括已發(fā)生故障的一臺(tái)），完成了127 臺(tái)的排查，其余28 臺(tái)未排查的原因主要是由于設(shè)備不具備帶電取油樣條件，或設(shè)備放油閥銹蝕，無(wú)法取油樣。

已排查的127臺(tái)設(shè)備中，排查結(jié)果正常的有54臺(tái)，占已排查總臺(tái)數(shù)的42.52%，排查結(jié)果存在異常的有73臺(tái)，主要存在總烴、乙炔、微水含量異常，占已排查總臺(tái)數(shù)的57.81%，其中總烴異常69臺(tái)，乙炔和微水含量異常4臺(tái)。

排查結(jié)果表明，該廠家電容式電壓互感器電磁單元絕緣油色譜普遍存在總烴異常現(xiàn)象，只有少部分設(shè)備微水含量超標(biāo)，可以初步判斷：1）只有少部分設(shè)備存在密封不嚴(yán)現(xiàn)象，微水含量異常不是設(shè)備電磁單元色譜異常的主要原因；2）電磁單元內(nèi)部絕緣可能存在問(wèn)題。

為確定電磁單元內(nèi)部絕緣存在問(wèn)題的原因，決定選取一臺(tái)該廠家同批次、總烴異常但微水含量無(wú)異常的在運(yùn)設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱(chēng)設(shè)備2）進(jìn)行解體檢查，并進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。

3 設(shè)備2解體檢查情況

對(duì)設(shè)備2進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)中間變壓器箱壁無(wú)明顯銹蝕，油質(zhì)透明，無(wú)雜質(zhì)。補(bǔ)償電抗器綁扎完好，鐵心無(wú)明顯銹蝕。中間變壓器層間絕緣完好，一次繞組漆包線(xiàn)無(wú)放電痕跡。中間變壓器上鐵軛拆裝面及中間芯柱大量硅鋼片存在漆膜脫落及生銹現(xiàn)象，大量硅鋼片存在過(guò)熱現(xiàn)象，少量硅鋼片邊緣有明顯燒蝕痕跡，見(jiàn)圖2。圖2中為三片硅鋼片，中間一片為存在過(guò)熱現(xiàn)象的硅鋼片，上面和下面兩片為未發(fā)現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象的硅鋼片。

圖2 存在過(guò)熱現(xiàn)象的硅鋼片

4 設(shè)備2解體后試驗(yàn)檢測(cè)情況

4.1 設(shè)備2解體前試驗(yàn)檢測(cè)情況

解體前進(jìn)行了密封性檢查、絕緣電阻測(cè)試、電容量及介損測(cè)試、電磁單元絕緣油試驗(yàn)、中間變壓器繞組直流以及電阻鐵磁諧振試驗(yàn)。

4.1.1 電磁單元密封性試驗(yàn)

在電磁單元內(nèi)部充以0.1 MPa 的壓力，保持8 小時(shí)后剩余壓力約0.092 MPa，基本無(wú)泄漏，符合GB/T 4703-2007[6]的相關(guān)要求。

4.1.2 絕緣電阻

二次繞組、剩余繞組之間及地絕緣電阻3 000 MΩ，電磁單元接地端對(duì)二次繞組、剩余繞組之間及地絕緣電阻3 000 MΩ，均滿(mǎn)足《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》[5]中規(guī)定的“二次繞組絕緣電阻不小于10 MΩ”的要求。

4.1.3 電容單元電容量及介損

分別對(duì)電容單元上節(jié)電容C1 和下節(jié)電容C2 進(jìn)行了電容量和介損測(cè)試，測(cè)試結(jié)果無(wú)異常。

4.1.4 電磁單元絕緣油

對(duì)電磁單元絕緣油進(jìn)行了介質(zhì)損耗、耐壓、微水、色譜等相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，除總烴含量超標(biāo)外，其他結(jié)果無(wú)異常。

表2 絕緣油檢測(cè)數(shù)據(jù)

4.1.5 中間變壓器繞組直流電阻

使用雙臂電橋測(cè)試中間變壓器繞組直流電阻，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，結(jié)果無(wú)異常。

表3 中間變壓器繞阻直流電阻檢測(cè)數(shù)據(jù)

4.1.6 鐵磁諧振試驗(yàn)

在0.8、1.0、1.2及1.5倍額定電壓下進(jìn)行鐵磁諧振試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4鐵磁諧振試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

表4 鐵磁諧振試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

由表4可知，在0.8Un、1.0Un、1.2Un試驗(yàn)電壓下，經(jīng)受規(guī)定時(shí)間0.1 s短路工況后，該電壓互感器最長(zhǎng)鐵磁諧振振蕩時(shí)間為0.39 s，符合GB/T 4703-2007[6]中規(guī)定“不大于0.5 s”的要求；在1.5Un 試驗(yàn)電壓下，經(jīng)受規(guī)定時(shí)間0.1 s短路工況后，該電壓互感器最長(zhǎng)鐵磁諧振振蕩時(shí)間為0.16 s，符合GB/T 4703-2007[6]中規(guī)定“不大于2 s”的要求。

4.2 設(shè)備2解體后試驗(yàn)檢測(cè)情況

解體后進(jìn)行了電容單元局部放電試驗(yàn)及交流耐壓試驗(yàn)、電磁單元一、二次繞組對(duì)地絕緣電阻，一、二次繞組直流電阻，溫升試驗(yàn)，勵(lì)磁特性試驗(yàn)，空載試驗(yàn)，中間變壓器感應(yīng)耐壓試驗(yàn)，補(bǔ)償電抗器感應(yīng)耐壓試驗(yàn)，阻尼器伏安特性測(cè)量；中間變壓器一次繞組漆包線(xiàn)耐壓試驗(yàn)，硅鋼片檢測(cè)。

4.2.1 電容器局部放電試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)

對(duì)上下兩節(jié)電容器分別進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，并進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，測(cè)試結(jié)果無(wú)異常。

表5電容器局部放電試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表5 電容器局部放電試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2.2 電磁單元溫升試驗(yàn)

在1.2Un電壓，除剩余繞組外的所有繞組帶最大額定負(fù)荷，待各部位溫升穩(wěn)定后（持續(xù)8 h），切斷電源，迅速測(cè)出各繞組、AN及補(bǔ)償電抗器的直流電阻，通過(guò)式（1）計(jì)算出各繞組的溫升：

式中：

R0——斷電瞬間繞組熱態(tài)電阻值，單位為Ω；

R1——溫度為θ1時(shí)冷態(tài)電阻值，單位為Ω；

θ1——繞組冷態(tài)溫度（冷態(tài)時(shí)環(huán)境溫度），單位為℃；

θ2——溫升試驗(yàn)后期確定溫升的環(huán)境溫度，單位為℃；

Δθ——繞組平均溫升，單位為K；

235——銅導(dǎo)體溫度系數(shù)的倒數(shù)。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，計(jì)算繞組溫升為3.27 K，油面溫升1.5 K，符合GB/T 4703-2007[6]中規(guī)定“1.2 Un下溫升繞組溫升限值60 K、油面溫升限值50 K”的要求。

4.2.3 電磁單元感應(yīng)耐壓試驗(yàn)

用三倍頻電壓發(fā)生器，從da-dn繞組逐步施加電壓，加壓至240 V，此時(shí)一次繞組感應(yīng)電壓為31.2 kV（出廠耐受值39 kV），時(shí)間40 s，通過(guò)，符合《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定。

4.2.4 中間變壓器空載試驗(yàn)及勵(lì)磁特性試驗(yàn)

從中間變壓器二次繞組da-dn加壓，對(duì)中間變壓器進(jìn)行空載試驗(yàn)。中間變壓器二次繞組da-dn 施加電壓100 V 時(shí)，空載電流230 mA，空載損耗10.8 W。查閱出廠試驗(yàn)報(bào)告，da-dn施加電壓100 V時(shí)，空載電流425 mA，空載損耗21 W。測(cè)試結(jié)果無(wú)異常。

圖3 中間變壓器空載試驗(yàn)及勵(lì)磁特性試驗(yàn)

4.2.5 阻尼電抗器伏安特性曲線(xiàn)

從阻尼電抗器首尾施加電壓，通過(guò)測(cè)量其中流過(guò)的電流與施加的電壓之間的關(guān)系，判斷其動(dòng)作電壓，測(cè)得阻尼電抗器拐點(diǎn)電壓為125 V。

圖4 阻尼電抗器伏安特性曲線(xiàn)

4.2.6 漆包線(xiàn)耐壓試驗(yàn)

將漆包線(xiàn)試樣兩端去除絕緣，對(duì)折后，扭絞16 周，在兩處剪斷扭絞部分端環(huán)，并使剪斷處端頭間距最大，在兩根導(dǎo)體之間施加試驗(yàn)電壓。交流耐壓值為5.2 kV，符合GB6109[7]的相關(guān)要求。

4.2.7 硅鋼片測(cè)試

隨機(jī)選擇5 片硅鋼片試樣進(jìn)行表面觀測(cè)、厚度測(cè)量、電磁性能測(cè)試、基本和涂層成分檢測(cè)、晶粒分析，發(fā)現(xiàn)：1）檢測(cè)試樣可能為五、六十年代生產(chǎn)的二次片，其中試樣至少包含兩類(lèi)牌號(hào)產(chǎn)品；2）檢測(cè)試驗(yàn)存在較為嚴(yán)重質(zhì)量缺陷，如表面劃傷、夾渣，涂層脫落等；3）樣板公稱(chēng)厚度在0.35 mm、0.4 mm；4）樣板電磁性能與當(dāng)今主流水平相比無(wú)任何優(yōu)勢(shì)。

5 原因分析

設(shè)備2電磁單元密封性能良好，油中水分含量正常，各項(xiàng)電氣及絕緣性能無(wú)明顯異常，但中間變壓器上鐵軛拆裝面及中間芯柱大量硅鋼片依然存在漆膜脫落及生銹現(xiàn)象，可以確定：1）制造廠硅鋼片材料選用和互感器制造工藝把關(guān)不嚴(yán)，是引起硅鋼片片間銹蝕及漆膜脫落的主要原因，與外部水分侵入無(wú)關(guān)；2）大量硅鋼片漆膜脫落及生銹，引起硅鋼片片間短接，環(huán)流增大，且硅鋼片電磁性能較差等諸多因素，綜合導(dǎo)致中間變壓器局部過(guò)熱，是造成該廠家大量電磁單元油色譜分析總烴異常的主要原因；3）設(shè)備1中間變壓器也應(yīng)長(zhǎng)期存在局部過(guò)溫運(yùn)行，內(nèi)部絕緣嚴(yán)重受損，電磁單元密封不嚴(yán)、進(jìn)水受潮加劇內(nèi)部絕緣進(jìn)一步劣化，最終導(dǎo)致中間變壓器燒損。

6 結(jié)論及防范措施

電磁單元中間變壓器硅鋼片材料選用和互感器制造工藝把關(guān)不嚴(yán)，系導(dǎo)致設(shè)備1故障和該廠設(shè)備電磁單元總烴普遍異常的主要原因，系產(chǎn)品本身質(zhì)量原因。

設(shè)備廠家要加強(qiáng)電磁單元中間變壓器硅鋼片等關(guān)鍵原材料及組部件的采購(gòu)及質(zhì)量控制檢測(cè)，改進(jìn)制造工藝，切實(shí)提高設(shè)備質(zhì)量。

對(duì)遭受過(guò)不良工況的設(shè)備應(yīng)積極進(jìn)行電磁單元油色譜分析，如果發(fā)現(xiàn)色譜異常，應(yīng)查明原因。

電磁單元油色譜分析能真實(shí)的反應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行狀況，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)方面的研究，盡早出臺(tái)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

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[7]GB/T 6109-2008 漆包線(xiàn)[S].