電壓互感器放電分析

王光明, 楊育京, 牛建鴻, 曾慶忠, 嚴 新

西安西電高壓開關有限責任公司 西安 710018

1 電壓互感器概述

在電力工業(yè)中,氣體絕緣金屬封閉開關設備和控制設備將一座變電站中除變壓器以外的一次設備,經(jīng)優(yōu)化設計后有機地組合成一個整體[1-2],這些一次設備包括斷路器、隔離開關、接地開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、電纜終端、進出線套管等。

電壓互感器是氣體絕緣金屬封閉開關設備和控制設備中必不可少的關鍵元件,作為變電站日常運行中專門用作電壓變換的特種變壓器,可以將電力系統(tǒng)中的高電壓按比例關系變換為標準二次電壓,從而提供實時電壓檢測值,供電力系統(tǒng)電氣測量和電氣保護使用[3-5]。

電壓互感器同時也是發(fā)電廠、變電所等輸電和供電系統(tǒng)中不可缺少的檢測元件,隨著我國電力事業(yè)的蓬勃發(fā)展,電壓互感器的性能要求越來越高。如果電壓互感器的絕緣在運行中發(fā)生故障,將引起電壓互感器放電,造成一次或二次線圈擊穿,引發(fā)繼電保護動作,使電壓互感器退出運行,并使電力線路停運[6-13]。

2 工作原理

電壓互感器在正常工作條件下,其二次電壓實際上與一次電壓成正比。當連接方向正確時,電壓互感器二次電壓對一次電壓的相位差接近于零。電壓互感器的一次線圈并聯(lián)于電力線路,線路中的電壓就是電壓互感器的一次電壓。電壓互感器二次線圈外部回路接有測量儀器儀表、繼電保護設備、自動控制裝置等。電壓互感器工作原理如圖1所示[14]。

根據(jù)電力線路的電壓等級,電壓互感器的一次、二次線圈之間需要設置足夠的絕緣,以保證所有低壓設備與高電壓之間實現(xiàn)隔離。

3 放電類型

根據(jù)相關文獻及筆者公司生產(chǎn)電壓互感器多年以來的經(jīng)驗,總結(jié)電壓互感器常見的放電類型,并對其誘因進行分析。

圖1 電壓互感器工作原理

3.1 油類污染引起放電

電壓互感器在現(xiàn)場安裝時,由于抽真空處理過程中未嚴格按操作規(guī)程進行,導致真空泵油倒流,進入電壓互感器氣室之中,使氣室之中屏蔽罩、電壓互感器線圈等沾染油污。運行前期,由于進入電壓互感器氣室的真空泵油是一種絕緣油,因此可視作絕緣物。但隨著電壓互感器的運行,氣室中一次高壓所產(chǎn)生的局部放電導致絕緣油碳化,即絕緣油在高電壓作用下分子鏈分解斷裂,形成碳化物,在屏蔽罩或者電壓互感器線圈上形成黑色附著層,進而形成放電通道,致使電壓互感器產(chǎn)生放電擊穿。

電壓互感器線圈油污放電如圖2所示,電壓互感器中盤式絕緣子油污放電如圖3所示。

圖2 電壓互感器線圈油污放電

圖3 電壓互感器盤式絕緣子油污放電

可見,無論是在電壓互感器的生產(chǎn)廠家,還是在安裝現(xiàn)場,抽真空處理時,必須嚴格按標準操作規(guī)程進行,并進行記錄。一旦發(fā)生可能的真空泵油倒流,必須按規(guī)定對電壓互感器產(chǎn)品進行解體檢查,并重新進行處理。另外,對于抽真空所使用的機組,應盡可能采用防止真空油倒流的控制裝置,避免對電壓互感器氣室造成危害。

3.2 鐵心夾帶異物引起放電

電壓互感器在現(xiàn)場運行時,通常處于倒裝狀態(tài),如圖4所示。而在生產(chǎn)、運輸過程中，電壓互感器都處于正立狀態(tài)。如果電壓互感器產(chǎn)品在裝配過程中不小心帶入異物,夾雜在鐵心或器身某個部位,那么當產(chǎn)品帶電運行后,在電磁場作用下鐵心等會產(chǎn)生微小振動,加之產(chǎn)品倒裝,會導致異物掉落。異物在掉落的過程中,飄落于間隙距離最小之處,即高壓導體與低壓軀殼拔口電場最不均勻處,電場會產(chǎn)生局部畸變,高壓導體對軀殼產(chǎn)生放電。放電產(chǎn)物噴濺后,導致六氟化硫氣體被污染,之后可能引起線圈外側(cè)的均壓屏蔽對軀殼放電、一次線圈沿面放電、絕緣子表面一系列不規(guī)則貫穿性放電等故障現(xiàn)象。

圖4 倒裝狀態(tài)電壓互感器

針對鐵心夾帶異物引起的放電,提出在電壓互感器鐵心疊裝之前,對每片鐵心硅鋼片使用無水酒精進行清潔擦拭。在疊裝時需要使用疊裝專用工裝,防止由于摩擦產(chǎn)生金屬粉末,夾帶于鐵心之中,隨鐵心裝配而進入電壓互感器氣室,在電壓互感器后期運行中引發(fā)故障。

3.3 氣室中微水引起放電

電壓互感器二次線圈的繞線匝數(shù)高達數(shù)萬匝,線圈層間所用聚酯薄膜絕緣材料、漆包線表面絕緣漆、鐵心硅鋼片表面油漆、電壓互感器軀殼內(nèi)表面油漆等均有高分子材料,表面極易吸附空氣中的微量水分子。如果電壓互感器線圈在裝配前未嚴格按工藝文件要求進行加熱除潮工序處理,那么容易夾帶部分水分進入電壓互感器氣室。在電壓互感器運行過程中,由于高壓線圈內(nèi)部溫度較高,其中的微量水分隨即散發(fā)于電壓互感器氣室中。若在電壓互感器氣室中部分零部件存在尖角、毛刺等缺陷,則在高電壓的作用下,會產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。氣室中的絕緣介質(zhì)六氟化硫氣體會發(fā)生分解,分解物與水發(fā)生化學反應,形成具有腐蝕性的氫氟酸、硫酸等,對聚酯薄膜、鋁導體等零部件產(chǎn)生腐蝕,從而引發(fā)短路故障。在短路大電流作用下,瞬間會產(chǎn)生大量熱量,引起絕緣材料氣化變質(zhì),形成絮狀、粉狀、氧化等損壞形態(tài)。典型絮狀損壞形態(tài)如圖5所示。

圖5 典型絮狀損壞形態(tài)

為了盡可能降低電壓互感器中的微水含量,在產(chǎn)品裝配過程中,必須嚴格按照裝配工藝文件要求對電壓互感器的一次、二次線圈嚴格執(zhí)行加熱烘干工藝,同時保證繞線工序所處的工作環(huán)境達到工藝文件規(guī)定的潔凈度、溫度、濕度要求。

3.4 雜質(zhì)引起放電

電壓互感器在現(xiàn)場發(fā)生放電擊穿事故后進行解體,可見在電壓互感器線圈、環(huán)氧澆注絕緣子、線圈安裝底板、軀殼之上均布滿粉塵,同時可見放電擊穿所產(chǎn)生的痕跡。

對電壓互感器的整體裝配過程進行分析,提出為防止裝配過程中帶入灰塵等異物,要求定期檢測電壓互感器裝配環(huán)境潔凈度,定期更換試驗用六氟化硫氣體,對產(chǎn)品密封面按工藝文件要求涂覆密封膠,對進入裝配前的已涂覆防銹油脂的零部件必須執(zhí)行清洗烘干等工藝要求,從而避免在裝配階段帶入灰塵、異物,同時避免產(chǎn)品安裝后雨水、微塵等從密封面縫隙滲入產(chǎn)品內(nèi)部。

3.5 鐵磁諧振引起放電

在電力系統(tǒng)中有許多鐵心電感元件,如發(fā)電機、變壓器、電壓互感器、消弧線圈、并聯(lián)補償電抗器等。這些元件大部分為非線性電感元件,能夠和系統(tǒng)中的電容元件組成許多復雜的振蕩回路。在某種大擾動或操作作用下,非線性電感元件可能進入飽和區(qū),從而與線路和電容形成特殊的單相或三相共振回路,激發(fā)持續(xù)的較高幅值過電壓或過電流,即鐵磁諧振。

電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振時,過電壓有可能不高,但過電流很大,導致電壓互感器高壓線圈匝間絕緣嚴重損壞,最嚴重時可能使電壓互感器爆炸。

發(fā)生鐵磁諧振時,形成諧振過電壓,同時伴隨較大的過電流,加之諧振持續(xù)時間很長,會在電壓互感器內(nèi)部產(chǎn)生高溫,導致線包內(nèi)部固化膠體熔化,使線包固定失效,產(chǎn)生位移,最終導致放電。放電污染六氟化硫氣體,造成電壓互感器進一步放電擊穿、屏蔽移動等故障。

為增強電壓互感器抗鐵磁諧振變形能力,可采取以下措施:① 電壓互感器一次和二次線圈應選取優(yōu)質(zhì)銅導線,且導線截面積盡可能大,以提高電壓互感器耐受過電流的能力;② 要求對緊固螺釘按工藝要求的緊固力矩進行緊固;③ 特殊螺釘涂覆緊固膠緊固;④ 使用沖撞記錄儀記錄運輸過程中是否產(chǎn)生過量沖擊,防止電壓互感器產(chǎn)品在運輸過程中的薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生損壞,增強抗鐵磁諧振變形能力。

4 結(jié)束語

通過對電壓互感器放電故障進行分析,確定引發(fā)電壓互感器放電故障的主要原因。針對不同類型放電故障,在電壓互感器生產(chǎn)過程中制訂相對應的改進措施,加強質(zhì)量過程控制,從而降低電壓互感器故障發(fā)生率,保證氣體絕緣金屬封閉開關設備和控制設備在電網(wǎng)中長期可靠運行。