基于多種試驗綜合診斷的CVT 電壓異常故障分析

王 政，郭 峰，楊 錕，趙恒偉，馬霄霖

（國網山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256600）

0 引言

電容式電壓互感器（Capacitor Voltage Transformer，CVT）將電網一次側的高電壓轉化為便于測量的低電壓，實現(xiàn)信號傳輸。CVT 運行中常見故障有：本體故障造成保護及自動裝置電壓失卻；三相或一相高壓熔斷器熔斷；高壓一次熔絲未熔斷等。其中，電壓異常故障包括CVT 二次電壓失缺及非正常升降［1］。CVT 二次回路缺失通常是由于二次側低壓斷路器存在跳閘、熔絲熔斷等造成，導致電網失去對電壓的正常監(jiān)測功能，可能引起保護失壓閉鎖等更嚴重情況［2］。造成CVT 電壓異常升降的原因包括電容器發(fā)生局部電容單元擊穿、電容失效或電磁單元等故障。本文分析某站110 kV 母線CVT 電壓異常缺陷，探討缺陷的試驗測試方法、數(shù)據(jù)診斷，并通過解體驗證分析的正確性。

1 事故概述

某變電站110 kVⅠ段母線CVT（型號：TYD2110／在運行時，發(fā)出TV 斷線信號，檢查發(fā)現(xiàn)B 相母線無電壓值顯示。保護人員在運行狀態(tài)下對二次繞組和輔助繞組進行電壓測量，反復測量判定該CVT 二次側輸出電壓為零，因此自動化系統(tǒng)或儀表誤報引起故障的可能性基本排除。故障CVT 停電后，試驗人員對CVT 取油樣，進行絕緣油耐壓、含水量檢測及色譜試驗分析，然后進行電氣試驗進行檢查和分析。調取CVT 運行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，故障時B 相母線電壓CVT 存在約30 min 的過電壓情況，如圖1所示。

2 CVT 電壓異常原理分析

CVT 電容分壓器的主要作用是將一次側的高電壓降到某一數(shù)值的中間電壓，即圖2 中壓端子所承受電壓，該電壓通過中壓套管由中壓連線發(fā)送至電磁單元，然后電磁單元將中間電壓減小至100 V、的二次電壓。當CVT 處于正常運行狀態(tài)時，其等效電容C 的容抗等于中間變壓器漏抗和補償電抗器L 的感抗之和［3］，確保CVT 二次輸出電壓滿足一定精度。

圖1 故障CVT 電壓波動

圖2 CVT 電氣原理

圖3 CVT 等效電路

CVT 等效電路如圖3 所示，根據(jù)CVT 工作原理，其等效電路可以看作由C1、C2組成的電容分壓器。

其中，C1為由許多電容元件進行串聯(lián)組合而成的等值電容。顯然，二次電壓U2與C1、C2的容抗及一次電壓有關。當二次電壓U2出現(xiàn)異常升高時，可能出現(xiàn)：中間變壓器一次繞組匝間短路；C2部分存在漏油導致介質常數(shù)減小，引起容抗升高；C1中某些串聯(lián)電容元件在電弧作用下燒蝕導致?lián)舸r引起電容值升高等。當C1電容存在漏油情況引起容抗增大時，則帶來的后果是引起U2的異常降低。當C2上存在過電壓時，保護元件F（結構為：氧化鋅避雷器）會發(fā)生放電擊穿，給予補償電抗L、中間變壓器、分壓電容C2一定保護作用。

3 電氣試驗分析

首先檢查CVT 是否有漏油情況發(fā)生，外部有沒有異常變化，然后采用自激法對該CVT 進行各項數(shù)據(jù)檢測，包括電容量和介損因數(shù)。自激法是以CVT的中間變壓器作為試驗變壓器，在其二次側施加一定的電壓進行勵磁，通過在中間變壓器的一次側感應出高壓作為試驗電源來測量C1、C2及tan δ。但是當CVT 的中間變壓器發(fā)生一定缺陷時，則通過自激法測得數(shù)值對于電容器單元實際所處狀態(tài)無法進行有效體現(xiàn)。試驗人員現(xiàn)場使用自激法對故障CVT 進行測試時，儀器儀表提示存在電流過大情況，無法完成自激法測試。表明該CVT 中間變壓器或中壓電容C2部分可能有一定的缺陷存在，導致用自激法對其進行測試時無法完成。由于該CVT 高壓電容與中壓電容之間有抽頭引出，所以可以用正接線方式對其進行電容量及介質損耗因素測試，進行測試時發(fā)現(xiàn)中壓電容數(shù)據(jù)與上次數(shù)據(jù)對比存在明顯異常，數(shù)據(jù)如表1 所示。另外，CVT 極間絕緣大于10 000 MΩ，符合大于5 000 MΩ 的要求，同時對二次繞組間絕緣電阻進行檢測，結果均大于10 000 MΩ，符合大于10 MΩ 的要求。

表1 電容量及介質損耗因數(shù)測試數(shù)據(jù)

Q／GD 1168—2013 《輸變電設備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》中對介質損耗因數(shù)的要求是屬于膜紙復合類的CVT 應不大于0.25%［4］，電容量初值差不超過±2%?，F(xiàn)場實際測量的C2的電容量、介損因數(shù)對比歷史數(shù)據(jù)都出現(xiàn)明顯增大的現(xiàn)象，通過計算，C2的電容量增大5.62%。一般情況下，受潮、老化或串聯(lián)電容單元發(fā)生元件擊穿都可能會引起電容介損因數(shù)和電容量的異常增大。由于高、中壓電容單元處于同一個瓷套管之內且屬于同一個油室，而測試數(shù)據(jù)顯示C1的參數(shù)正常，因此排除C2受潮的可能性。另外，高、中壓電容各元件承受的電壓基本相同，也可排除老化導致C2異常的可能性。因此判斷C2介質損耗及電容量異常的原因為其串聯(lián)電容元件存在放電燒蝕導致電容失效。

4 油樣試驗分析

熱故障、電故障是充油類電力設備中比較常見的兩大類型故障。熱故障時油裂解產生C2H4和CH4，另外還有可能存在少量的H2和C2H6。當故障發(fā)展的比較嚴重或者考慮存在電的作用時，也會有痕量的C2H2產生。過熱的固體纖維素絕緣生成CO 和CO2。電故障時，當存在低能量放電是產生的氣體主要是H2、CH4，另外還伴隨較少量的C2H4和C2H2產生，當設計固體纖維素絕緣時也可產生較高組分的CO、CO2。主要氣體是H2，可占可燃氣體的85%以上。高能量的電弧放電時產生較高比例的H2和C2H2，以及相當比例的CH4和C2H4，假如缺陷涉及固體纖維素絕緣，也可生成CO、CO2，同時有游離碳存在，此時C2H2在氣體成分中占很大比例，可占可燃氣體的30%，同時有相當比例的H2。

為便于對故障CVT 的缺陷分析，取CVT 中間變壓器的油樣進行試驗分析，發(fā)現(xiàn)油具有焦味并且呈渾濁狀態(tài)。分別對油樣做耐壓試驗、絕緣油中水分含量及色譜分析。表2 顯示油中水分含量為標準值的3.1 倍，表明CVT 中絕緣油存在受潮情況，也有可能存在放電產生游離碳，使其絕緣耐受強度大大降低。表3 給出了色譜分析結果，油中含有較高成分的C2H2，說明該故障CVT 的中間變壓器部分確實存在嚴重的電弧放電，絕緣已經被破壞。從數(shù)據(jù)中可以看出H2的體積分數(shù)已經超過標準規(guī)定值（標準為150 μl／L）的數(shù)倍，說明中間變壓器存在高能量放電，導致油在高溫下發(fā)生裂化反應導致生成許多烴類氣體。另外，CO、CO2體積分數(shù)較大，且與烴類氣體同步增長，表明故障涉及固體絕緣，說明繞組的絕緣已經在電弧放電產生的高溫下碳化分解。

表2 油耐壓及微水含量測試數(shù)據(jù)

表3 故障后CVT 油樣色譜分析數(shù)據(jù) μL／L

根據(jù)三比值法對該CVT 中可能存在的缺陷類型進行診斷分析計算，如表4 所示。

表4 三比值法編碼計算

根據(jù)計算得到的編碼，初步判斷該CVT 內部發(fā)生了電弧放電。

結合故障時CVT 電壓波動圖形，及油色譜試驗分析數(shù)據(jù)、電氣試驗數(shù)據(jù)，初步判斷CVT 故障時，二次回路出現(xiàn)不穩(wěn)定的短路負荷，反復諧振導致CVT電壓升高，最終因為負荷電流大，導致CVT 分壓電容器發(fā)生放電燒蝕，另外中間變壓器在電弧放電生成的高熱量下?lián)p壞。

5 解體檢查及原因分析

對CVT 進行解體檢查，吊出電容分壓器部件，發(fā)現(xiàn)大量黑色顆粒物（游離碳）存在，如圖4 所示。

圖4 CVT 底部附著黑色顆粒物

使用萬用表測試C1電容量為29 100 pF，C2電容量為65 800 pF，C1電容量正常，C2電容量明顯大于于初始值62 380 pF。高壓電容C1共有74 個電容元件串聯(lián)組合而成，測試各個串聯(lián)元件電容數(shù)值［5］，均位于合理的范圍之內，顯示為2.20 nF 左右。中壓電容C1共有34 個電容元件串聯(lián)組合而成，同樣測量各個串聯(lián)的元件的電容值，發(fā)現(xiàn)前32 個電容元件測試數(shù)值處于合理的范圍之內，均為2.20 nF 左右。最后2 個電容單元測試值為0。檢查發(fā)現(xiàn)，該兩片電容元件電容膜紙已燒蝕碳化擊穿，如圖5 所示。

圖5 第33、34 電容單元電容膜紙已燒蝕碳化擊穿

對CVT 中間變壓器進行檢查發(fā)現(xiàn)，中間變壓器表面有燒蝕痕跡，如圖6 所示。

如圖7 所示，對中間變壓器一次繞組串聯(lián)的過電壓保護元件，即氧化鋅避雷器，進行絕緣電阻測試。該保護元件的主要作用為：抑制鐵磁諧振過電壓并限制二次側外部或內部存在短路等情況引起的過電壓，測試發(fā)現(xiàn)其絕緣電阻為0 MΩ，證實該避雷器已經發(fā)生擊穿短路進而造成絕緣電阻數(shù)值異常。過電壓保護元件發(fā)生擊穿，說明該CVT 二次繞組有內部短路或外部短路負荷，由于內部短路時造成的損壞程度較為嚴重，從解體情況看CVT 的損壞程度較輕，而且CVT 故障時承受的過電壓時間較長。因此，判斷CVT存在外部二次短路負荷，因為短路電阻大一點或比較大，CVT 在承受較長時間的過電壓后導致絕緣損壞，造成分壓電容器燒蝕。CVT 油箱中絕緣油存在一定程度受潮，絕緣等級下降，中間變壓器絕緣在高電壓下被擊穿，導致一次繞組出現(xiàn)匝間、層間短路情況。

圖6 中間變壓器燒蝕碳化

圖7 CVT 過電壓保護元件

6 結語

CVT 發(fā)生電壓異常后，應檢查二次回路電壓，根據(jù)CVT 二次電壓的異常變化能夠反映其部分缺陷、故障的特征，可以通過監(jiān)視曲線的變化或波動進行CVT 運行工況的初步分析和判斷。其電容量、介質損耗因數(shù)的細微變化都體現(xiàn)了其內部的絕緣狀況且具有很高的靈敏度。CVT 作為充油類電氣設備，當發(fā)生故障時，在熱、電作用下其內部的有機絕緣材料與絕緣油會分解產生CH4等各種氣體，在進行缺陷種類診斷分析時根據(jù)特征氣體法以及三比值法等進行分析。另外，設備在運行中，能夠導致其缺陷、故障的因素有很多，而且缺陷的形成和發(fā)展比較復雜。在對故障進行分析時要根據(jù)多項試驗數(shù)據(jù)診斷，同時結合設備運行時的情況及設備的結構特點，參考制造廠家同類產品相似的缺陷案例，結合產品的工藝和設計特點等情況進行綜合的分析診斷。