220 kV電容式電壓互感器二次電壓異常的故障分析和消除

摘要：文章針對(duì)一起220 kV電容式電壓互感器（Capacitive Voltage Transformer，CVT）二次電壓異常故障進(jìn)行分析。首先，對(duì)二次電壓異常原因進(jìn)行了全面分析；其次，基于紅外測(cè)溫發(fā)現(xiàn)CVT的電磁單元異常高溫現(xiàn)象，進(jìn)行介損、電容量測(cè)量和絕緣試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)該CVT的二次線纜表皮破損，進(jìn)而導(dǎo)致二次回路產(chǎn)生短路電流和鐵芯磁通飽和，最終導(dǎo)致避雷器擊穿和次級(jí)繞組電壓異常；最后，提出了預(yù)防CVT發(fā)生此類故障的措施。

關(guān)鍵詞：電容式電壓互感器；二次電壓異常；絕緣不良；鐵芯飽和

中圖分類號(hào)：G642.0" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

CVT在電力系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)電壓測(cè)量、電能計(jì)量、載波通信以及繼電保護(hù)的功能。CVT與傳統(tǒng)的電磁式互感器相比，主要區(qū)別在于其是由串聯(lián)電容器分壓，再經(jīng)電磁式互感器降壓和隔離。串聯(lián)電容器除了分壓作用，還能對(duì)電壓互感器鐵磁飽和起到減緩抑制作用，從而對(duì)鐵磁諧振起到抑制作用［1］。

目前，變電站內(nèi) 35 kV 及以上的電壓互感器（GIS除外）基本采用CVT。然而，受工藝水平、設(shè)計(jì)水平、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境等諸多因素影響，CVT會(huì)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)各種異常情況，輕則誤報(bào)信號(hào)，計(jì)量誤差增大，重則發(fā)生爆炸或引起保護(hù)誤動(dòng)，影響電網(wǎng)安全運(yùn)行。本文通過對(duì)一起220 kV CVT 二次電壓異常案例進(jìn)行分析，找出異常原因，對(duì)CVT運(yùn)維檢修給出建議。

1 CVT結(jié)構(gòu)

圖1是CVT的電氣原理圖，其上節(jié)為電容分壓器，由分壓電容器C1和C2組成。當(dāng)設(shè)備的電壓等級(jí)較高時(shí)，則需要更多的電容進(jìn)行分壓。圖1中的C1由C11和C12所屬。得益于上節(jié)電容分壓器分擔(dān)了大部分高壓，CVT下節(jié)電磁單元的電壓較低，電磁單元做得較小，位于油箱內(nèi)，由中間變壓器T、補(bǔ)償電抗器L、阻尼器Z0組成，次級(jí)繞組1a、1n，2a、2n等二次端子，電容分壓器低壓端N、氧化鋅避雷器BL等位于端子箱內(nèi)。

2 220 kV CVT二次電壓異常的故障（案例）分析

2.1 設(shè)備故障情況

某變電站線路壓變采用日新電機(jī)（無(wú)錫）有限公司生產(chǎn)的WVL2-220-5H型電容式電壓互感器，具體設(shè)備銘牌如表1所示。投運(yùn)時(shí)間10年，上次檢修日期為2年前，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格，一次、二次檢修合格，正常投運(yùn)。

該設(shè)備于夜間21時(shí)出現(xiàn)多個(gè)報(bào)警信號(hào)，具體是：線路931、603保護(hù)異常，電壓B相電壓采樣異常；2號(hào)主變保護(hù)A柜過勵(lì)磁；220 kV第一套母線保護(hù)pt斷線；220 kV第二套母線保護(hù)pt斷線。其中，220 kV錦鋼4X99線的電流電壓（2a-2n）如表2所示。a、c兩相電壓基本相等，b相電壓異常，幅值約為a相的73.9%。此外，該線路的保護(hù)側(cè)（3a-3n）的a相電壓上升約22%，b相電壓下降約44%，a、b相電壓相序基本相反，如表3所示。

發(fā)現(xiàn)異常后，檢修人員對(duì)壓變進(jìn)行紅外測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)錦鋼4X99線A、B、C相的電磁單元最高熱點(diǎn)溫度分別為69.9℃、64.4℃、28.3℃，如圖2所示。根據(jù)信號(hào)及溫度的異常信息判斷壓變存在高危隱患，應(yīng)當(dāng)立刻停電檢修。23時(shí)，將該壓變與電網(wǎng)連接的斷路器拉開后，所有信號(hào)消失，溫度異常也慢慢恢復(fù)。

2.2 二次電壓異常的初步分析

二次電壓異常的初步原因分析：

（1）一次側(cè)電壓異常，即CVT一次電壓由于短路等其他原因發(fā)生異常，CVT本身變比未發(fā)生變化，二次電壓正確地隨著一次電壓的變化而變化。在本案例中，查詢線路對(duì)側(cè)壓變電壓無(wú)異常，且異常發(fā)生時(shí)相關(guān)斷路器、刀閘連接良好，因此基本排除該原因。

（2）壓邊本體變比異常，即各節(jié)電容擊穿或異常、線圈繞組匝間短路、油箱電磁單元燒壞、進(jìn)水、受潮、各元器件對(duì)地絕緣不良等其他故障引起的異常［2］。針對(duì)這個(gè)異常情況，需要進(jìn)行電氣試驗(yàn)綜合分析。

（3）非一次設(shè)備引起的異常，即由于二次回路故障（絕緣不良、短路）或后臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)軟件故障等原因引起的異常，通常將二次系統(tǒng)與一次切斷后進(jìn)行針對(duì)性試驗(yàn)判斷。

電磁單元發(fā)熱的初步原因分析：

造成電磁單元故障的原因有中間變壓器一次或二次線圈短路，N頭、E頭絕緣性能降低，元器件短路或損壞等［2］。電磁單元內(nèi)元器件排布比較緊密，需找到發(fā)熱位置對(duì)應(yīng)的元器件檢查分析。

2.3 電氣試驗(yàn)檢查

將壓變的二次端子接線脫開后，對(duì)壓變進(jìn)行絕緣電阻、介損、電容量測(cè)試。

2.3.1 絕緣電阻測(cè)試

（1）一次繞組接地，在低壓側(cè)采用500 V的兆歐表，將被試?yán)@組短接加壓，非被試?yán)@組短接接地，以加壓60s后兆歐表測(cè)得的數(shù)值作為試品的絕緣電阻。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，表明壓變次級(jí)繞組對(duì)地絕緣良好。

（2）進(jìn)一步絕緣電阻試驗(yàn)。

結(jié)合紅外發(fā)熱圖譜，考慮到發(fā)熱點(diǎn)在電磁單元避雷器附近，對(duì)避雷器BL進(jìn)行1000 V絕緣電阻試驗(yàn)，使用5000 V絕緣搖表對(duì)一次繞組進(jìn)行絕緣測(cè)試，測(cè)量結(jié)果如表5所示?？梢?，一次繞組絕緣電阻值合格，A、B相的避雷器對(duì)地絕緣分別為1.42MΩ、1.38MΩ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C相避雷器對(duì)地絕緣電阻。因此，推測(cè)A、B相避雷器出現(xiàn)閥片劣化等異常損壞情況［3］。

2.3.2 直阻試驗(yàn)

采用電橋測(cè)量次級(jí)繞組直阻，測(cè)量結(jié)果：1a-1n、2a-2n和3a-3n繞組直阻均在29mΩ左右，da-dn繞組直阻均在175mΩ左右，測(cè)量結(jié)果合格。同時(shí)，為了檢驗(yàn)阻尼電阻是否在不良工況下有所損壞，對(duì)三相阻尼電阻進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果均為3.4 Ω左右，測(cè)量結(jié)果合格。

2.3.3 油樣試驗(yàn)

對(duì)油樣進(jìn)行色譜、微水、耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均在合格范圍內(nèi)，且現(xiàn)場(chǎng)檢查未發(fā)現(xiàn)明顯的進(jìn)水受潮痕跡，可基本判斷油絕緣沒有問題。由絕緣油試驗(yàn)結(jié)果可知，絕緣油溶解性氣體含量、介損值、平均耐壓值均是正常的，即判斷絕緣油沒有進(jìn)水受潮及放電痕跡，排除絕緣油對(duì)互感器介損值的影響。

2.3.4 變比測(cè)量

采用濟(jì)南泛華AI-6000K的變比測(cè)試功能開展變比測(cè)量，高壓側(cè)加壓10 kV，測(cè)量結(jié)果如表6所示。該項(xiàng)試驗(yàn)并無(wú)試驗(yàn)初值，于是同銘牌的額定變比進(jìn)行對(duì)比，其中，1a-1n、2a-2n和3a-3n繞組對(duì)應(yīng)的額定變比為2200，da-dn繞組對(duì)應(yīng)的額定變比約為1270。試驗(yàn)結(jié)果表明：在高壓側(cè)加10 kV電壓情況下，避雷器損壞并未對(duì)該CVT的變比造成影響；也可能避雷器的伏安特性雖然發(fā)生劣化，但由于所加電壓不夠高，尚未達(dá)到其拐點(diǎn)，因此變比測(cè)量未見異常。但由于現(xiàn)場(chǎng)短時(shí)間內(nèi)無(wú)法搭建高壓測(cè)試平臺(tái)，因此只能到此為止。

2.3.5 測(cè)量壓變的介損及電容量值

測(cè)量壓變的介損及電容量值，拆頭后采用正接法進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)Q/GDW 1168—2013《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》要求，電容式電壓互感器的電容量初值差不超過±2%（警示值），介質(zhì)損耗因數(shù)≤0.0025（膜紙復(fù)合），試驗(yàn)結(jié)果合格，如表7所示。

2.4 二次電纜檢查

對(duì)二次電纜做絕緣電阻測(cè)試發(fā)現(xiàn)，da-dn端子二次引出電纜對(duì)地絕緣小于1MΩ，其余二次線對(duì)地絕緣均大于10MΩ。進(jìn)一步對(duì)二次線纜進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)接地點(diǎn)位于錦鋼4X99線壓變C相開口三角次級(jí)首端（壓變接線盒至壓變端子箱，如圖3所示）。該接地點(diǎn)造成了壓變da-dn線圈兩點(diǎn)接地短路。

2.5 電壓等異常原因分析

經(jīng)過查閱原理圖，發(fā)現(xiàn)上述圖3所示壓變的da-dn接線是開口三角接線。當(dāng)B相線圈尾端接地短路時(shí)，此時(shí)A相、B相電壓的相量和不為零，而內(nèi)阻ra、rb很小，所以將在該閉合回路中產(chǎn)生較大短路環(huán)流I2，在中間變壓器一次側(cè)感應(yīng)出超過額定的電流I1（見圖4—5）。該電流使得補(bǔ)償電抗器上的電壓UL急劇上升，導(dǎo)致避雷器導(dǎo)通放電，短時(shí)間內(nèi)多次導(dǎo)通后避雷器損壞，出現(xiàn)發(fā)熱的異常現(xiàn)象［4］。

da-dn次級(jí)繞組短路引起中間變壓器、補(bǔ)償電抗器的電流增大，導(dǎo)致鐵芯磁通量增大、鐵芯飽和，一定工況下造成了電壓畸變并產(chǎn)生大量諧波，使得電壓異常［5］。保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量裝置雖然采用的是壓變的其他次級(jí)，但鐵芯飽和同樣會(huì)對(duì)其他繞組產(chǎn)生影響，造成保護(hù)及計(jì)量次級(jí)中產(chǎn)生一個(gè)去磁電壓，該去磁電壓疊加在正常的Ea和Eb上，引起A、B兩相二次電壓發(fā)生畸變。短路時(shí)線路保護(hù)二次電壓變化情況及其對(duì)應(yīng)的相量，如圖6所示。

在錦鋼4X99線C相電壓開口繞組首端發(fā)生接地后，該接地點(diǎn)與原N600接地之間形成回路，使得站內(nèi)500 kV母線電壓及220 kV母線電壓中性點(diǎn)電壓發(fā)生了偏移。

綜上，判斷系C相壓變開口三角次級(jí)首端二次線絕緣能力降低，外皮破壞并接地導(dǎo)致了上述保護(hù)信號(hào)異常、CVT內(nèi)避雷器擊穿的故障情況。

2.6 故障消除

短路電流很可能對(duì)壓變電磁單元一次線圈、補(bǔ)償電抗器的匝間絕緣以及鐵芯造成了損傷，現(xiàn)場(chǎng)條件無(wú)法滿足后續(xù)停電檢查，為避免再次強(qiáng)迫停運(yùn)的發(fā)生，對(duì)整組壓變進(jìn)行了更換。更換后該間隔投運(yùn)成功，無(wú)異常信號(hào)，故障消除。

為避免其余二次線纜絕緣破壞的情況，對(duì)其余線路壓變端子箱內(nèi)與電纜緊密接觸的螺絲用絕緣膠帶進(jìn)行包裹處理，適當(dāng)調(diào)整電纜位置，使之遠(yuǎn)離螺絲等尖銳物體。

3 總結(jié)

CVT在電力系統(tǒng)中應(yīng)用越來越多，但是由于其內(nèi)部元件多且都密封在內(nèi)，不易觀察，因此，出現(xiàn)異常后需要通過電氣試驗(yàn)的方法進(jìn)行診斷。被試品的故障往往有多種表現(xiàn)形式，可以從多個(gè)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)端倪。因此，一方面診斷性試驗(yàn)要盡量做多做全；另一方面要針對(duì)性地設(shè)計(jì)試驗(yàn)，多搜集數(shù)據(jù)，多進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)。電氣試驗(yàn)與變電一次檢修、二次檢修專業(yè)交叉較深，因此遇到故障時(shí)，需要“總-分-總”綜合考慮，即統(tǒng)籌分析故障原因，分開調(diào)查研究，再匯總比對(duì)。在日常運(yùn)行過程中，應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備紅外測(cè)溫，開箱檢查線纜外觀、表皮完整情況。

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（編輯 姚 鑫編輯）

Fault analysis and removal of secondary voltage anomaly of 220 kV capacitive voltage transformer

XU" Chenkai1， WU" Wenjie1， CHEN" Zhongxian2

（1.State Grid Jiangsu Power Company Limited Suzhou Power Supply Branch， Suzhou 215000， China;

2.School of Intelligent Manufacture， Huanghuai University， Zhumadian 463000， China）

Abstract： An abnormal secondary voltage fault of 220 kV Capacitive Voltage Transformer （CVT） was analyzed and diagnosed. Firstly， the causes of secondary voltage anomaly are analyzed comprehensively. Secondly， through infrared temperature measurement， it is found that the electromagnetic unit of CVT has abnormal high temperature （temperature difference 41.6°）. Subsequently， dielectric loss， capacitance measurement and insulation test were carried out， and it was found that the secondary cable skin of the CVT was damaged， the ground insulation was damaged， the secondary circuit generated short circuit current， the core magnetic flux was saturated， and the arrester breakdown and other secondary winding voltage anomalies were caused. Finally， the measures to prevent this kind of failure in CVT are put forward.

Key words： CVT；secondary voltage anomaly; poor insulation; core saturation