500kV輸電線路電容式電壓互感器故障分析及處理方法研究

文/朱家林

0 引言

電壓是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要參數(shù)指標，電容式電壓互感器（CVT）是變換線路電壓的設備，將電力系統(tǒng)一次側高電壓轉換成二次側低電壓，用于電壓和功率測量、電能計量、繼電保護和自動化控制，在各電壓等級都發(fā)揮著重要作用，是電力系統(tǒng)不可缺少的電氣設備。輸電線路CVT是發(fā)電廠及變電站監(jiān)視電力系統(tǒng)運行電壓是否正常的重要設備，電壓測量二次值接入后臺監(jiān)控系統(tǒng)和繼電保護裝置，實時監(jiān)測電力系統(tǒng)電壓運行工況，當系統(tǒng)出現(xiàn)異常和故障時，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報警或繼電保護裝置出口跳閘，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常運行工況或及時切除系統(tǒng)故障，防止故障范圍擴大化，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行至關重要。

1 事件概述

2021年5月8日，某電廠在進行500kV升壓站及#1主變壓器（以下簡稱“主變”）倒送電期間，500kV線路首次帶電沖擊線路運行正常，現(xiàn)場測量500kV線路CVT二次電壓幅值及相位顯示正確。線路沖擊帶電運行正常后，對500kV母線進行充電，檢查一次設備充電運行正常，便對母線電壓二次系統(tǒng)進行測量，母線與線路二次電壓測量及核相正確，500kV電力網絡計算機監(jiān)控系統(tǒng) （NCS）線路電壓及母線電壓均顯示正確。線路與母線充電正常后，對#1主變進行首次帶電沖擊試驗，#1主變首次充電運行正常，#1主變高壓側CVT與500kV線路及母線CVT進行二次電壓測量核相，檢查結果正確。500kV線路及#1主變空載運行約2小時后，運行值班人員反饋500kV NCS監(jiān)控系統(tǒng)線路繼電保護裝置有異常報警，通知調試人員處理。經調試人員檢查，發(fā)現(xiàn)500kV線路B相電壓顯示異常；排查二次回路接線情況后，發(fā)現(xiàn)500kV線路CVT二次電壓輸出異常，電壓采樣異常由CVT本體故障引起；進一步根據CVT的介質損耗角正切值tanδ測量試驗，檢查結果為C2電容損壞導致。更換500kV線路B相CVT后再次進行充電試驗，檢查500kV線路CVT運行正常，二次電壓測量正確，繼電保護裝置運行正常。

2 繼電保護裝置動作情況

電氣調試人員對500kV線路保護裝置進行檢查，2021年5月8日19時15分線路繼電保護裝置報警報文為“3次諧波過量告警”，見圖1。500kV線路保護裝置顯示B相三次諧波電壓分量過大，UA=0.104V，UB=5.969V，UC=0.420V，3U0=5.906V。檢查發(fā) 現(xiàn)500kV NCS監(jiān)控系統(tǒng)顯示線路B相一次電壓采樣為255kV，電壓采樣幅值測量異常，A、C相電壓一次值顯示為304kV，電壓采樣顯示正常。并檢查500kV線路故障錄波裝置，裝置二次電壓采樣為Ua=60.64 7V，Ub=51.640V，Uc=61.064V，三次諧波分量與500kV線路保護裝置基本吻合。500kV線路故障錄波裝置電壓波形采樣如圖2所示。檢查500kV線路其他保護裝置、測量及計量系統(tǒng)B相二次電壓均采樣異常，在500kV線路CVT端子相測量二次繞組輸出電壓與裝置采樣相符，檢查二次回路接線無異常后判定為500kV線路CVT本體內部故障引起二次電壓測量出現(xiàn)偏差。

圖1 500kV線路保護裝置告警報文

圖2 500kV線路故障錄波裝置電壓采樣波形

3 500kV線路CVT故障分析及處理

#1主變與500kV線路為同源系統(tǒng)，檢查500kV NCS #1主變高壓側A、B、C三相一次電壓采樣顯示均為304kV，與系統(tǒng)運行電壓測量一致，排除系統(tǒng)一次側B相運行電壓偏低引起二次側出現(xiàn)測量偏差。在500kV線路CVT就地端子箱測量二次電壓UA=60.79V、UB=51.05V、UC=60.80V，裝置采樣與就地電壓實測一致，500kV線路CVT B相二次繞組電壓輸出異常。起初懷疑為500kV線路CVT二次接線松動或中性點接地不良引起，便對500kV線路CVT就地端子箱和保護屏二次接線進行檢查，保護屏二次接線、接地牢固可靠，無異常。令值長向調度申請停電檢查，將#1主變及500kV線路轉檢修。線路轉檢修后，檢查500kV線路CVT本體二次接線端子接線牢靠也無異常后，推測為CVT本體內部故障。

CVT構造原理如圖3所示。電容式電壓互感器主要由電容分壓器和電磁單元組成，并聯(lián)在線路上，先通過電容分壓得到10kV～20kV的電壓，然后再經過電磁單元變換成所需的二次電壓，一般為100/ V或100/3V，為測量、計量裝置和繼電保護裝置提供二次電壓測量信號。為了補償由于負載效應引起的電容分壓器的容抗壓降，使二次電壓隨負載變化減小，在中壓回路中串接電抗器，設計時使回路等效容抗和感抗值基本相等，以便得到規(guī)定的負荷范圍和準確級電壓信號。電容分壓器由瓷套和裝在其中的若干串聯(lián)電容組成，瓷套內充滿著絕緣油，并用鋼制波紋管將油壓保持在要求范圍內。電磁單元由裝在密封油箱內的變壓器、補償電抗器、避雷器和阻尼裝置組成。

近年來電容式電壓互感器常見故障主要有以下幾種：（1）分壓電容故障。電容式電壓互感器電容故障主要由于分壓電容發(fā)生短路擊穿、電壓互感器內部受潮等原因導致。電容式電壓互感器內部的電容是由許多小電容組成，由于系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振或廠家設備生產質量問題，其中一部分小電容會發(fā)生擊穿，若測量發(fā)現(xiàn)電容值明顯超標，則說明內部電容出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。（2）中間變壓器故障。中間變壓器線圈為帶有絕緣層的多股銅線繞制而成，與外殼之間由絕緣油隔離，高壓環(huán)境下絕緣層容易老化擊穿，絕緣油中含雜質容易引起放電，導致繞組與外殼短路接地?；ジ衅鞫卫@組多采用星型接線，若發(fā)生短路接地故障，星型接線的電壓互感器中性點電壓發(fā)生位移，從而造成三相電壓發(fā)生不平衡，進而引起測量電壓誤差。（3）阻尼器故障。鐵磁諧振過電壓導致阻尼器繞組發(fā)生擊穿。

圖3 CVT構造原理

本次事件判斷為500kV線路CVT本體故障后，向調度申請線路檢修。將500kV線路CVT與架空線連接拆除，首先檢查CVT絕緣電阻，測量CVT接地端（N）對外殼（地）絕緣電阻，測量值為2500M Ω，大于1000MΩ，符合要求。一般容易損壞的元件為電容元件，對CVT的介質損耗角正切值tanδ測量試驗可直觀反映CVT內部電容和絕緣的好壞，便進行CVT介損試驗，CVT的介質損耗角正切值tanδ測量數(shù)據如表1所示。

表1 故障CVT電容及介損測量數(shù)據

由測試數(shù)據可以看出，2005436（上節(jié)）、2005346（中節(jié)）電容測試數(shù)據與廠家出廠值相比基本吻合，2005448（下節(jié)）電容測試數(shù)據與出廠值相比相差較大，并對上節(jié)電容和下節(jié)電容進行耐壓試驗，未見閃絡及元件擊穿現(xiàn)象。整體測試誤差數(shù)據為16.8%，初步分析為下節(jié)C2電容元件擊穿導致B相電壓采樣異常。將故障CVT返廠，經廠家對CVT下節(jié)電容進行解體，發(fā)現(xiàn)C2電容有兩個元件被擊穿，與分析吻合。

經廠家更換下節(jié)電容元件返廠后，再次對C2下節(jié)電容進行交接試驗測試，CVT的介質損耗角正切值tanδ測量數(shù)據如表2所示。

表2 返廠后CVT電容及介損測試數(shù)據

更換后2005448（下節(jié)）電容量及介損測量數(shù)據誤差均合格。將更換后的CVT重新安裝，再次對500kV線路和#1主變進行充電試驗，檢查500kV線路CVT充電運行正常，CVT二次電壓測量及保護裝置電壓采樣正確，線路保護裝置報警消除，NCS后臺電壓也顯示正常。

4 故障主要原因及防范措施

此次CVT故障主要原因為在合閘沖擊過程中C2電容元件材料薄弱處被擊穿，為避免材料局部缺陷，將本節(jié)芯子全部報廢，重投電容器芯子，經各項電氣交接試驗合格后對新設備重新進行帶電沖擊試驗，檢查設備帶電運行正常。為避免類似事件發(fā)生，新設備投運前須嚴格執(zhí)行各項電氣交接試驗，并確保試驗結果合格后投運新設備，并對運行設備加強監(jiān)視，嚴密監(jiān)視電氣運行參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)設備缺陷并處理。