500 kV電容式電壓互感器電壓異常分析及處理

盧峰超，劉雪飛，白劍忠，王 偉

(河北省電力公司超高壓輸變電分公司，石家莊 050070)

受設(shè)計(jì)、制造、工藝水平和原材料等多種因素的限制，在電容式電壓互感器內(nèi)部，承受高電壓的電容分壓器介質(zhì)，存在被擊穿的可能，這不僅會(huì)影響一次電壓測量的準(zhǔn)確性，甚至可能引起互感器爆炸、起火等惡性事故，所以及時(shí)發(fā)現(xiàn)介質(zhì)異常至關(guān)重要。500 kV電壓互感器在河北省南部電網(wǎng)運(yùn)行情況良好，但隨著運(yùn)行年限的增加，極少部分CVT內(nèi)部電容單元出現(xiàn)了因絕緣介質(zhì)老化或者設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的介質(zhì)擊穿情況。以下就一起某500 kV變電站CVT電壓異常情況進(jìn)行分析。

1 CTV工作原理及結(jié)構(gòu)

電容式電壓互感器(簡稱“CVT”)是利用電容分壓原理，通過串聯(lián)電容器抽取電壓，再經(jīng)變壓器變壓作為表計(jì)、繼電保護(hù)等的電壓源，電容式電壓互感器還可以將載波頻率耦合到輸電線，用于長途通信，遠(yuǎn)方測量，選擇性的線路高頻保護(hù)、遙控等。與常規(guī)的電磁式電壓互感器相比，電容式電壓互感器除可防止因電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振外，在經(jīng)濟(jì)和安全上還有很多優(yōu)越之處。

圖1 CVT結(jié)構(gòu)示意

2 故障概況

2011年3月21日，在進(jìn)行電壓互感器二次電壓測試期間，專業(yè)人員通過監(jiān)控機(jī)發(fā)現(xiàn)該變電站500 kV 1號(hào)母線電壓為523.9 kV，2號(hào)母線電壓為527.6 kV，2號(hào)母線電壓互感器二次電壓異常，隨后對(duì)該變電站500 kV母線及線路電壓互感器的一次電壓監(jiān)測值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)500 kV 2號(hào)母線CVT一次電壓偏高(該變電站500 kV母線只U相安裝有電壓互感器設(shè)備)。2011年4月20日，500 kV 2號(hào)母線停電，轉(zhuǎn)為檢修狀態(tài)，高壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)500 kV 2號(hào)母線CVT下節(jié)高壓分壓電容器的C21電容量偏差為2.52%(相比出廠值，規(guī)程要求電容量初值差警示值不超過±2%)，介質(zhì)損耗tanδ為0.351%(注意值為0.2%)[2]。

3 故障原因分析

3.1 現(xiàn)場試驗(yàn)分析

3.1.1 CVT介損電容量測試

2011年4月20日對(duì)故障CVT進(jìn)行介損電容量測試，測試結(jié)果見表1。

表1 介損電容量數(shù)據(jù)

試驗(yàn)部位試驗(yàn)接法tanδ/%本次前次電容量/pF本次出廠誤差/%C11反接屏蔽0.0750.05415 39015 400-0.06C12正接線0.0530.05715 40015 2001.32C21自激法0.3510.05118 29017 8402.52C22自激法0.0510.09596 40096 2700.14

由表1可知C21單元電容量誤差為2.52%(限值為2%)，介損為0.351%(注意值為0.2%)[2]，初步判斷C21內(nèi)部電容單元存在擊穿，C11、C12、C22為正常狀態(tài)。

同時(shí)將歷次試驗(yàn)C21介損電容量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表2。

表2 C21介損電容量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

參數(shù)2002-10-112004-05-132007-06-09tanδ/%0.0450.0710.045電容量/pF17 84017 82017 740誤差/%0-0.11-0.56參數(shù)2008-04-182010-08-242011-04-20tanδ/%0.0550.0510.351電容量/pF17 78017 65018 290誤差/%-0.34-1.072.52

由表2介損及電容量數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化情況可以判斷，自投運(yùn)至2010年8月24日，該CVT C21單元運(yùn)行情況正常。2010年8月24日到2011年4月20日之間，C21內(nèi)部發(fā)生電容單元擊穿故障。

利用電容量數(shù)據(jù)計(jì)算電容單元擊穿個(gè)數(shù)為3～4個(gè)。在試驗(yàn)測試過程中，現(xiàn)場環(huán)境電磁干擾、試驗(yàn)設(shè)備誤差等因素都會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，所以定量分析計(jì)算擊穿的電容單元個(gè)數(shù)存在誤差應(yīng)為正常現(xiàn)象。但通過試驗(yàn)情況可以基本判斷，此電壓互感器內(nèi)部存在電容單元擊穿故障，從而造成介損及電容量試驗(yàn)數(shù)據(jù)異常。

3.1.2 一次電壓監(jiān)測

2011年3月21日12時(shí)，對(duì)該變電站500 kV母線及線路電壓互感器一次電壓監(jiān)測值進(jìn)行采集，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 500 kV母線及線路電壓互感器一次電壓監(jiān)測值

500 kV 1號(hào)母線測試點(diǎn)一次電壓值/kV500 kV 2號(hào)母線測試點(diǎn)一次電壓值/kV1號(hào)母線TV523.92號(hào)母線TV527.6潞辛Ⅰ線TV523.8辛聊Ⅰ線TV524.2潞辛Ⅱ線TV523.9辛聊Ⅱ線TV524.1辛藺線TV523.8辛彭線TV524.2辛邑線TV524.0

由表3可知，500 kV 1號(hào)母線電壓互感器一次電壓為523.9 kV，2號(hào)母線電壓互感器一次電壓為527.6 kV，電壓異常。2號(hào)母線一次電壓值較其他CVT高出3.5 kV左右，一次電壓存在不平衡。初步判斷CVT本體或二次電壓采集、傳輸電路存在故障。二次人員現(xiàn)場對(duì)二次傳輸回路進(jìn)行檢查，無異常。從而進(jìn)一步判斷，是由于CVT本體存在電容單元擊穿故障，導(dǎo)致一次電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)異常。

3.1.3 角差比差測試

現(xiàn)場對(duì)該CVT進(jìn)行絕緣電阻試驗(yàn)、極性試驗(yàn)、二次直阻試驗(yàn)，結(jié)果無異常。同時(shí)進(jìn)行角差比差試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 CVT角差比差試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Ub/%S/VA(100/100)幅差f/%角差δ/(')S/VA(2.5/0)幅差f/%角差δ/(')800.5906.4000.7550.3101000.5846.3900.7520.3201200.5826.2600.7480.300

注：S 2個(gè)數(shù)值分別表示二次計(jì)量繞組與保護(hù)繞組的負(fù)荷值。

由表4可知，當(dāng)二次繞組帶額定負(fù)荷或輕負(fù)荷時(shí)，角差均在正常值范圍(-10′～10′)內(nèi)，但幅差均大于正常限值0.2。測試結(jié)果說明CVT變比發(fā)生變化，進(jìn)一步驗(yàn)證了分析的正確性。

3.2 返廠解體檢查分析

C21單元進(jìn)行解體檢查，對(duì)套管內(nèi)絕緣油進(jìn)行氣相色譜試驗(yàn)分析，油色譜分析數(shù)據(jù)見表5。

表5 套管油色譜分析數(shù)據(jù) μL/L

φ(C1+C2)φ(C2H2)φ(C2H6)φ(C2H4)4 724.672 054.08108.021 924.5φ(CH4)φ(H2)φ(CO)φ(CO2)637.2117 056.371 306.66952.95

由表5可以看出，C1+C2、H2和C2H2的體積分?jǐn)?shù)均已嚴(yán)重超標(biāo)(要求值，C1+C2、H2和C2H2的體積分?jǐn)?shù)分別為100 μL/L、 150 μL/L、 1 μL/L)，證明設(shè)備內(nèi)存在嚴(yán)重放電。

對(duì)電容單元進(jìn)行電容量測試，發(fā)現(xiàn)3只電容單元電容量測試數(shù)據(jù)為零，與分析計(jì)算

結(jié)果相符。對(duì)3只電容單元解剖檢查，發(fā)現(xiàn)電容單元已完全擊穿，并存在大量蠟狀物，如圖2所示。

圖2 局部放電產(chǎn)生的蠟狀物

通過解體檢查發(fā)現(xiàn)，因制作工藝存在問題，造成鋁箔卷內(nèi)端面有毛刺產(chǎn)生。在長期運(yùn)行高電壓作用下，毛刺產(chǎn)生低能局部放電，致使其周圍油劣化分解產(chǎn)生蠟狀物。放電生成的蠟狀物改變?cè)须妶龇植迹瑢?dǎo)致局部電壓升高，進(jìn)一步增強(qiáng)局部放電，最終導(dǎo)致絕緣油紙及鋁箔完全擊穿。電容單元擊穿后，引起電容分壓比變化，造成一次電壓監(jiān)測值異常。

4 故障處理及建議

經(jīng)過以上分析，認(rèn)為此次電壓互感器故障屬于產(chǎn)品制作工藝問題，初步判斷該批次電壓互感器都可能存在類似缺陷，采取對(duì)故障CVT進(jìn)行更換，并對(duì)同批次產(chǎn)品加強(qiáng)監(jiān)測。故障CVT更換后，該變電站母線電壓互感器運(yùn)行正常。

綜上所述，當(dāng)CVT內(nèi)部個(gè)別電容單元存在擊穿故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電容分壓比變化，從而導(dǎo)致一次電壓監(jiān)測值變化。通過對(duì)高壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以對(duì)故障情況做出準(zhǔn)確判斷。因此綜合利用介損電容量及一次電壓數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可以對(duì)CVT運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷。針對(duì)以后的工作提出以下建議：

a. 加強(qiáng)CVT設(shè)備的一次電壓值監(jiān)測，當(dāng)電壓數(shù)值存在異常時(shí)，綜合CVT設(shè)備的電容量及介質(zhì)損耗測試結(jié)果對(duì)CVT狀態(tài)進(jìn)行判斷。

b. 做好CVT設(shè)備一次電壓數(shù)據(jù)的長期記錄，根據(jù)一次電壓值變化量的大小，來判斷設(shè)備是否存在內(nèi)部故障。正常來講，監(jiān)控機(jī)顯示的電壓互感器電壓值并非完全一致，會(huì)存在一定的誤差，可通過數(shù)據(jù)的積累，分清誤差與設(shè)備故障之間的界限。

c. 加裝CVT在線監(jiān)測裝置，當(dāng)初步判定電壓存在異常時(shí)，可以在不停電的情況下，通過在線監(jiān)測裝置測量CVT的電容量及介質(zhì)損耗，然后再作綜合判斷。

d. 設(shè)備制造廠應(yīng)嚴(yán)格管控制造工藝，提高產(chǎn)品運(yùn)行可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蘇勝新，咸日常.運(yùn)行中的電容式電壓互感器二次失壓故障分析和試驗(yàn)方法[J].電力電容器，2002(2)：24-27.

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