CVT 異常分析及設計優(yōu)化

劉松美

（無錫日新電機，江蘇 無錫 214000）

0 引言

近年來隨著國家電力工業(yè)的大力發(fā)展和市場需求，110 kV 以上的電容式電壓互感器（capacitor voltage transformer，CVT）作為一種功率測量兼計量用的電壓信號取樣裝置，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用，產品也凸顯出了一些問題，CVT 產品在運行過程中二次電壓出現異常問題較為常見，給客戶現場產品正常運行帶來了很大困擾。本文所研究的是運行于蘇州某變電站的500 kV 的CVT 產品。該產品在現場運行時二次電壓異常，造成CVT 三相開口電壓保護動作。本文從產品的設計原理出發(fā)，對產品產生不良原因點逐項排除并通過解體分析，結合試驗方法進行試驗驗證，并從設計角度，進行產品的工藝設計改良。

1 產品設計結構

CVT 的構造主要包括電容分壓器和電磁單元兩部分[1]，電容分壓器由高壓電容C1和中壓電容C2串聯而成，一次側的高電壓經電容分壓器分壓后，從中壓端子引出中間電壓，再由電磁單元中的中間變壓器轉換為客戶需要的二次電壓，供二次回路的測量和繼電保護之用[2-4]。500 kV 電容分壓器為3 段式，電容分壓器的高壓電容C1由C11、C12、C13組成，其中C1、C12安裝在上節(jié)和中節(jié)瓷套中，C13和C2安裝在下節(jié)瓷套中[5-6]。

電容式電壓互感器電氣原理見圖1，圖1 中U1為系統(tǒng)運行電壓，U2為轉變的中間電壓，電容分壓的原理為：

圖1 電氣原理圖Fig.1 Electrical principle diagram

2 故障情況描述

該500 kV CVT 產品在運行中二次電壓出現異常，造成三相開口電壓異常，使繼電保護裝置動作，產品不能正常運行，客戶緊急調換該產品后，對故障品進行解體分析。

3 可能的故障原因及判斷方法

3.1 電磁單元部分

1）進行二次繞組的直流電阻測量，判定是否存在匝間短路造成二次電壓輸出異常[7-8]。

2）通過從二次繞組加壓，利用電磁感應對電磁單元進行三倍頻試驗，檢驗一次中變變壓器線圈是否存在匝間短路，如有短路將會阻止磁通的變化，會造成二次感應電壓降低，試驗原理見圖2。

圖2 感應耐壓試驗電路Fig.2 Induction voltage test circuit

3）用于補償電抗器兩端并聯保護的氧化鋅避雷器如果發(fā)生擊穿將會使電容分壓器上的等值容抗分去一部分電壓，使U2變小，從而會使二次電壓降低，檢驗避雷器是否內部擊穿[9]。

3.2 電容分壓器

500 kV CVT 電容分壓器的元件參數見表1。

表1 電容分壓器的元件參數Table 1 Parameters of capacitive voltage divider

通過參數可以看出，高壓部分C1由241 個電容器元件組成，擊穿一個高壓部分元件，C1電容量變化量為1/241=0.4%，對二次電壓的變化量影響較小，而中壓部分C2部分由11 個元件組成，若擊穿一個元件，C2電容量變化量為1/11=9.1%，對二次電壓影響較大[10-11]，由于C1和C2中的電容元件都是串聯，如果C2有一個或多個元件擊穿，C2的值就會變化很大，根據U2=U1×C1/（C1+C2），U2輸出電壓會明顯降低，造成運行中CVT 三相開口電壓低于正常值而引起保護動作異常[12-16]。

3.3 開口三角電壓

產品中C1和C2損壞的情況，見表2 和表3，正常運行情況下，CVT 三相保持平衡，由每相二次繞組中的保護繞組dadn 組成的開口三角電壓近似為0；當繞組dadn 二次電壓發(fā)生異常時，會造成開口電壓異常。正常情況下產品的一次電壓U1為按照3.2 章節(jié)的參數計算得出一個元件承受的電壓為1.145 kV，中間電壓U2為12.6 kV。表2 和表3 給出了C1和C2分別損壞一個元件時對開口三角電壓的影響，可以看出，損壞C1中的一個元件對開口三角電壓的影響較小，損壞C2中的一個元件以上對開口三角電壓的影響較大，造成系統(tǒng)三相電壓不能夠平衡，繼而造成保護動作。

表2 C1損壞一個元件的情況的開口三角電壓計算Table 2 Calculation of open triangle voltage in case of damage of one element of C1

表3 C2損壞一個元件的情況的開口三角電壓計算Table 3 Calculation of open triangle voltage in case of damage of one element of C2

4 產品的解體分析和試驗驗證

4.1 產品解體分析

對產品的電容分壓器和電磁單元部分進行解體，經檢查發(fā)現電磁單元中間變壓器的高壓引線因連線過長而與箱殼接觸，并有明顯的燒傷放電痕跡，紙包外包線已經燒焦發(fā)黑，電磁單元部分可能進行了短接，使電壓不能反向傳遞，與箱殼接地形成了回路造成二次電壓異常，進一步試驗驗證電磁單元中部件是否損壞[17-19]。

通過對電容分壓器電容量的實際測量與額定值比較，見表4，中壓電容量C2明顯偏大，分析認為是內部元件擊穿，輸出電壓隨之降低。

表4 電容量變化量比較Table 4 Comparison of capacitance variation μF

為進行論證進一步對電容分壓器部分進行解體，放完油后將電容器心子抽出，對單個元件逐個進行電容量的測試，正常單個元件的電容量為1.26 μF，經解體發(fā)現C2中有1 個元件擊穿損壞，與測試容量變化相符。

4.2 試驗驗證

按照3.1 節(jié)描述的判斷方法對電磁單元部分進行試驗。

1）進行二次繞組的直流電阻測量，經測算，見表5，直流電阻都在標準范圍內，說明二次繞組間無匝間短路[20-21]。

表5 二次繞組的直流電阻測量Table 5 DC resistance measurement of secondary winding

2）對一次繞組感應耐壓試驗：頻率150 Hz，時間40 s，電壓38 kV，通過，電壓沒有回落，證明一次繞組匝間無短路現象。

3）經測量氧化鋅避雷器絕緣電阻在10 000 MΩ以上，屬于正常情況，可以排除避雷器引起的隱患。

4.3 故障原因總結

從以上電磁單元部分試驗驗證來看排除電磁單元內部部件損壞原因。二次電壓輸出異常的原因為C2中壓電容增大引起，而C2中壓電容增大的原因應是一次高壓引線外部絕緣損壞，接觸箱殼并出現擊穿放電的現象，在一次引線與C2、箱殼直接形成了充放電回路。因一次引線外絕緣是油紙介質，他的絕緣性能不可恢復的，弧道電阻較大，運行中引線與箱殼間容易形成間歇性高頻電弧。一方面系統(tǒng)電源對C2進行不斷供電，另一方面C2通過箱殼構成的回路放電的弧道電阻又較大，使之無法充分放電，殘留有部分電荷。當高頻振蕩電弧電流對它反向充電時，使其端電壓疊加，絕對值增大。在不斷交替進行過程中，導致C2兩端的電壓達到數倍額定電壓，在這種情況下就會有一個或幾個元件因兩端承受的電壓過高而導致擊穿，從而使中變一次分得的電壓變低，進而使二次感應的電壓變小，基于其他2 臺互感器的剩余繞組電壓是正常的，必然會導致開口三角電壓不平衡。

5 產品設計改善

5.1 一次高壓引線設計改善

對高壓端子外絕緣進行設計改良，對原來紙包外絕緣改為用高絕緣強度設計的硅膠材質護套線，根據各產品油面高度不同對電容分壓器連接C2的距離進行連接線距離控制，并對現場工藝制作要求進行改進，嚴格控制高壓端子引線長度，對不同產品箱體，防止高壓引線碰觸箱殼和電容分壓端子用白紗帶進行扎緊固定位置[22-23]。

5.2 二次引線設計改善

為防止隱患并對電磁單元內其他二次連線進行外絕緣保護加套1 層高絕緣的自熄管，并用白紗帶進行扎緊固定位置，以免二次繞組引出在運輸晃動中與箱殼碰觸，造成絕緣不良[24-29]。

6 結語

通過本次對CVT 故障原因的異常分析及驗證，現場開口三角電壓發(fā)生異常的原因為一次高壓端子與箱殼接觸放電形成間隙性回路造成二次電壓異常，并在過電壓的情況下造成C2元件擊穿，對一次高壓引線和元件引出線進行設計改良后，杜絕了類似問題發(fā)生，通過本次故障事故總結，產品制造應嚴格把關制作工藝，對設計改良加強工藝的跟蹤確認，以確保產品技術性能穩(wěn)定。