一起110 kV電容式電壓互感器缺陷分析

林景福，黃濤，任重

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000)

目前電力系統(tǒng)中110 kV及以上電壓等級(jí)多采用電容式電壓互感器[1-2](capacitor voltage transformer，CVT)。CVT在正常運(yùn)行時(shí)接近空載，其溫升一般并不明顯，一旦出現(xiàn)較大溫升，說(shuō)明該設(shè)備出現(xiàn)了較大的問(wèn)題，需要立即處理[3]。特別是當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)下的CVT二次線圈出現(xiàn)短路故障，將產(chǎn)生很大的短路電流，致使二次線圈異常發(fā)熱甚至燒毀，嚴(yán)重時(shí)危及設(shè)備、系統(tǒng)及人身安全。因而在日常運(yùn)維過(guò)程中，提高CVT試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)價(jià)十分重要[4-6]。

1 典型CVT結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

典型CVT為單相單柱式結(jié)構(gòu)，由電容分壓器和電磁單元兩部分組成，如圖1所示。電容分壓器由多個(gè)電容串聯(lián)組成，分為主電容器和分壓電容器。電磁裝置由電磁式電壓互感器和電抗器組成，它的作用是將分壓電容器上的電壓降低到所需的二次電壓值。由于分壓電容器上的電壓會(huì)隨負(fù)荷變化，所以在分壓回路串入電抗器，可以補(bǔ)償電容器的內(nèi)阻抗，使二次電壓穩(wěn)定[7-9]。

①-電容分壓器；②-電磁單元；③-主電容；④-分壓電容；⑤-中間變壓器；⑥-諧振電抗器；⑦-阻尼器；⑧-保護(hù)間隙；⑨-阻尼器連接片；⑩-一次接線端；-二次輸出端；-接地端；-絕緣油；-電容分壓器管套；-電磁單元箱體；-端子箱；-外置式金屬膨脹器。

圖2為CVT原理，系統(tǒng)一次側(cè)電壓通過(guò)串聯(lián)電容C1、C2分壓，然后通過(guò)中間變壓器T，利用電磁感應(yīng)原理，對(duì)一次側(cè)進(jìn)行二次降壓，最終在二次繞組側(cè)獲得相應(yīng)的測(cè)量電壓，作為表計(jì)、繼電保護(hù)等裝置的電壓源[10]。

圖2 CVT原理

圖2中：C1為主電容；C2為分壓電容；T為中間變壓器；P為載波裝置；F為保護(hù)間隙；L為補(bǔ)償電抗器；1a、1n為主二次繞組；2a、2n為輔助二次繞組；da、dn為剩余二次繞組；ZD1、ZD2為阻尼裝置。

2 缺陷案例

2019年9月26日，試驗(yàn)人員對(duì)某110 kV變電站內(nèi)變電設(shè)備進(jìn)行紅外檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)某110 kV線路CVT下部油箱中上部存在異常發(fā)熱。最高發(fā)熱溫度為60.8 ℃，相鄰間隔正常運(yùn)行的CVT溫度為40.2 ℃，兩者溫差達(dá)20.6 ℃，如圖3所示。根據(jù)文獻(xiàn)[11]標(biāo)準(zhǔn)，要求運(yùn)行中CVT溫差不大于2～3 ℃，說(shuō)明該CVT存在電壓致熱型發(fā)熱缺陷。

(a) 缺陷相

試驗(yàn)人員觀察CVT電磁單元箱體油位窗口，發(fā)現(xiàn)油位無(wú)異常，同時(shí)對(duì)該線路保護(hù)屏二次電壓進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該線路電壓示值在90～110 V之間不斷變動(dòng)(其他線路保護(hù)屏穩(wěn)定在104 V左右)。經(jīng)繼保專(zhuān)業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)檢查，排除了保護(hù)裝置故障的可能性。初步懷疑一次設(shè)備存在異常，CVT電磁單元內(nèi)部存在缺陷，立即申請(qǐng)緊急停電進(jìn)行檢查。

3 試驗(yàn)分析

3.1 電氣試驗(yàn)

經(jīng)調(diào)度批復(fù)停電后，試驗(yàn)人員立即對(duì)該CVT電容分壓器進(jìn)行了絕緣電阻、介損、電容量等高壓試驗(yàn)項(xiàng)目?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試絕緣電阻與歷史測(cè)試結(jié)果相比無(wú)顯著變化，滿足文獻(xiàn)[12]中的標(biāo)準(zhǔn)要求。介損tan δ和電容量試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 介損和電容量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)文獻(xiàn)[12]中的標(biāo)準(zhǔn)要求，CVT介損tan δ不大于0.2%，電容偏差在-5%～+10%范圍內(nèi)。表1中的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在規(guī)程要求范圍內(nèi)，說(shuō)明該CVT的電容分壓器正常。

因CVT發(fā)熱部位處在油箱中上端，在電磁單元的中間變壓器位置，所以試驗(yàn)人員重點(diǎn)測(cè)試了中間變壓器。中間變壓器一次繞組對(duì)二次繞組及地的絕緣電阻的測(cè)試結(jié)果為100 MΩ，遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[12]要求值1 000 MΩ。由此初步判斷該CVT內(nèi)部中間變壓器存在繞組短路故障。

3.2 油色譜試驗(yàn)

為進(jìn)一步確定故障原因，試驗(yàn)人員又對(duì)該CVT油箱中的絕緣油采樣，進(jìn)行油色譜試驗(yàn)和微水、耐壓、介損試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù) μL/L

表3 微水、耐壓、介損數(shù)據(jù)

文獻(xiàn)[12]中要求絕緣油中溶解氫氣、總烴的注意值分別為150 μL/L，100 μL/L。從表2中油色譜試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，油中氫氣、總烴的含量均已超標(biāo)。表3中絕緣油的微水、擊穿電壓、介損試驗(yàn)結(jié)果均為合格。

運(yùn)用三比值法對(duì)油色譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到的編碼組合為：0、0、1，如表4所示。結(jié)果顯示該CVT內(nèi)部發(fā)生低溫過(guò)熱故障(低于150 ℃)，并由此引發(fā)絕緣油溶解氣體異常，因而確定該CVT中間變壓器存在故障。

表4 故障氣體比值和編碼

3.3 故障原因分析

造成該起CVT發(fā)熱故障的原因?yàn)橹虚g變壓器一次繞組絕緣性能降低，分接頭對(duì)地產(chǎn)生火花放電，從而致使中間變壓器一次繞組短路。分壓電容C2上的電壓將全部加于補(bǔ)償電抗器L上，突變的電流致使短路點(diǎn)異常發(fā)熱，并逐次傳遞到周?chē)^緣油、電磁單元箱體。

該CVT于2011年11月出廠，同批次同型號(hào)設(shè)備尚未出現(xiàn)發(fā)熱缺陷，因此排除家族性缺陷可能，此次缺陷屬于個(gè)例，由于此次缺陷發(fā)現(xiàn)及時(shí)，未對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

4 運(yùn)維建議

(1)積極開(kāi)展CVT設(shè)備在線監(jiān)測(cè)工作和紅外檢測(cè)工作，通過(guò)檢查線路保護(hù)屏電壓與紅外檢測(cè)相結(jié)合，判斷CVT是否為一次設(shè)備的缺陷情況。

(2)當(dāng)發(fā)現(xiàn)CVT電容量和介損值與出廠值或歷史值有明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)查明具體原因，同時(shí)縮短試驗(yàn)周期，不合格的應(yīng)盡快處理或更換。

(3)油色譜及微水試驗(yàn)分析可以發(fā)現(xiàn)CVT存在的潛伏性故障，結(jié)合高壓試驗(yàn)可對(duì)異常設(shè)備進(jìn)行更加準(zhǔn)確的判斷。

(4)CVT如出現(xiàn)滲漏油、電磁單元油箱油位異常時(shí)應(yīng)立即檢查，防止因絕緣油泄漏而引起一次設(shè)備故障。

(5)對(duì)電磁單元部分發(fā)現(xiàn)有異常發(fā)熱或響聲時(shí)，應(yīng)將CVT退出運(yùn)行，進(jìn)行詳細(xì)試驗(yàn)、檢查及處理。