一起110 kV 母線電容式電壓互感器二次電壓異常分析

毛興華， 鄒學(xué)偉， 江明杰， 何建軍， 莫海平

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司衡陽供電分公司， 湖南 衡陽421001)

0 引言

電壓互感器在電力系統(tǒng)中是實現(xiàn)一、 二設(shè)備連接的重要紐帶， 起著監(jiān)控電網(wǎng)運行、 繼電保護、 計量的重要作用， 其運行可靠性關(guān)乎電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1]。 目前系統(tǒng)中電壓互感器應(yīng)用較為普遍的形式主要有電磁式與電容式 (以下簡稱CVT)，CVT 因具有優(yōu)越的性能， 被廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)中。 與傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器相比， CVT 能有效抑制鐵磁諧振， 同時分壓電容可以用作耦合電容器以實現(xiàn)通信載波。 近年來CVT 受制造工藝、 安裝水平及運行環(huán)境等因素影響故障頻發(fā)， 給整個電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來安全風(fēng)險[2]。

本文對一起110 kV 母線CVT 二次電壓異常故障案例進(jìn)行分析， 并給出了CVT 故障分析及處理相應(yīng)建議， 為現(xiàn)場故障診斷提供技術(shù)參考。

1 故障簡介

2020 年8 月6 日， 通過CVT 計量異常在線監(jiān)測裝置發(fā)現(xiàn)某220 kV 變電站110 kV Ⅰ母TV 計量裝置異常， 該裝置于2002 年12 月投運， CVT 型號為TYD110/-0.02H， A、 B、 C 相二次電壓分別為60 V、 60 V、 59 V， C 相二次電壓低于A、 B 相電壓1 V。 對該CVT 進(jìn)行停電試驗， 結(jié)果顯示電容量與變比偏大， 隨即對該母線電壓互感器進(jìn)行了更換， 對設(shè)備進(jìn)行解體， 并進(jìn)行故障原因分析。

2 理論分析及停電試驗

2.1 C 相二次電壓偏低理論分析

CVT 原理如圖1 所示， 上下節(jié)電容串聯(lián)分壓，上節(jié)電容為C1、 下節(jié)電容為C2， 每部分電容由多個電容元件串聯(lián)組成[3]。

圖1 電容式電壓互感器原理

結(jié)合原理圖分析， C 相二次電壓降低說明極有可能是分壓電容器C2上的電壓U2降低， 而根據(jù)分壓公式U2的表達(dá)式為:

式中， U 為母線相電壓。

根據(jù)分壓公式， 若U2電壓降低可能是由C2增大所致， 而C2是由多個電容元件串聯(lián)組成， 根據(jù)電容串聯(lián)公式， 只有當(dāng)C2串聯(lián)部分電容元件減小時， 總電容C2才會增大[5]。 因此， 初步懷疑下節(jié)電容C2內(nèi)有電容元件擊穿， 造成該CVT 變比增大，從而導(dǎo)致C 相二次電壓降低。

2.2 停電試驗情況

對該CVT 進(jìn)行了絕緣電阻、 介質(zhì)損耗及電容量、 電壓比及油中溶解氣體分析、 油耐壓、 介損、 微水等試驗。 其中絕緣電阻、 介質(zhì)損耗及電容量、 變比試驗、 油中溶解氣體分析數(shù)據(jù)分別見表1—4。

根據(jù)三比值法計算， 三比值 (C2H2/C2H4，CH4/H2， C2H4/C2H6) 代碼是102， 對應(yīng)的故障類型為電弧放電， 說明該CVT 內(nèi)部存在放電故障。

表1 絕緣電阻試驗數(shù)據(jù) MΩ

表2 介質(zhì)損耗及電容量試驗數(shù)據(jù)

表3 變比試驗數(shù)據(jù)

表4 C 相CVT 油中溶解氣體分析數(shù)據(jù)μL/L

通過停電試驗數(shù)據(jù)可以看出， 該CVT 的C 相總電容初值差達(dá)3.33%， 超過要求。 而造成總電容偏大的主要原因是下節(jié)電容C2明顯偏大， C2初值差達(dá)8.34%， 同時變比較A、 B 相CVT 有顯著差別。 結(jié)合電容量、 變比測試及油中溶解氣體分析結(jié)果， 初步判定該CVT 下節(jié)電容C2有電容元件被擊穿。

3 解體檢查分析

3.1 解體檢測情況

對該變電站110 kV Ⅰ母電壓互感器進(jìn)行了緊急更換， 將CVT 移至高壓試驗大廳進(jìn)行解體檢查。將外部套管取出， 檢查內(nèi)部電容芯子情況， 通過檢查發(fā)現(xiàn): 上節(jié)電容C1共有72 屏電容芯子， 下節(jié)電容C2共有34 屏電容芯子。 使用萬用表檢查每屏電容芯子兩極的導(dǎo)通情況， 上節(jié)電容C1檢測無異常，下節(jié)電容C2檢測至第30 屏電容芯子時， 發(fā)現(xiàn)兩極之間存在導(dǎo)通情況。

拆除該CVT 電容芯子兩側(cè)支撐件， 查看下節(jié)電容C2第30 屏電容芯子周圍情況。 通過觀察發(fā)現(xiàn)C2電容下部有明顯的放電擊穿痕跡， 且C2電容下部外側(cè)有清晰的灼燒現(xiàn)象， 灼燒面積覆蓋第30—32 屏， 如圖2—3 所示。

圖2 C2電容下部電容芯子

圖3 第30、 31 屏電容芯子放電痕跡

對每一屏電容芯子進(jìn)行拆除， 檢測電容芯子內(nèi)部情況， 通過圖2—3 可以看到該CVT 下節(jié)電容C2的第30、 31 屏電容芯子中間發(fā)生明顯的放電擊穿。利用萬用表電阻檔對每屏電容芯子進(jìn)行電阻測量，結(jié)果顯示外觀良好的電容芯子其兩極電阻無限大，而第30、 31 屏電容芯子其兩極電阻分別為295.9 Ω、 369.5 Ω， 進(jìn)一步驗證了該電容芯子確已發(fā)生擊穿現(xiàn)象。

3.2 故障原因分析

1) 通過停電試驗數(shù)據(jù)可以看出， C 相電壓互感器1a-1n 繞組的額定變比k1=1 100， 而實測變比k2=1 121。 后臺數(shù)據(jù)顯示該變電站Ⅰ母電壓為116 kV， 由此計算1a-1n 繞組在額定變比的二次電壓為:

1a-1n 繞組實測變比的二次電壓為:

這也是C 相二次電壓比A、 B 相低1 V 的原因。

2) 由圖1 可知， 1a-1n 繞組二次電壓U1a1n的表達(dá)式為:

式中， kT為中間變壓器對1a-1n 繞組的電壓比。

電壓互感器1a-1n 繞組的變比公式k 為:

根據(jù)實測的電容量， C 相與A 相的1a-1n 繞組變比之比Δk 為:

而實測變比之比Δk′為:

通過計算可以看出， 實測變比與理論計算變比基本一致(存在一定的儀器測量誤差)， 故C 相與正常相的電容量偏差是導(dǎo)致C 相變比增大的原因。

下節(jié)電容芯子有34 屏， 由電容量一致的電容芯子串聯(lián)組成， A 相C2的總電容量為63 480 pF，根據(jù)電容串聯(lián)公式， 其每一屏電容芯子的電容量為63 480×34=2 158 320 pF。 通過解體檢查發(fā)現(xiàn)C 相C2電容第30、 31 屏發(fā)生擊穿， 實際工作電容芯子僅為32 屏， 則對應(yīng)的C 相C2總電容量計算值應(yīng)為2 158 320÷32=67 447.5 pF， 計算的理論數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)保持一致。 進(jìn)一步說明C 相二次電壓比A、B 相低1V 的根本原因是C 相電容式電壓互感器下節(jié)電容C2兩屏電容芯子被擊穿。

3) 結(jié)合解體檢查情況分析， 認(rèn)為故障原因是:

①出廠制造過程中， 電容芯子制作工藝不良，第30 屏電容芯子下部極板不平整導(dǎo)致場強局部集中， 低能放電， 致使絕緣逐漸老化， 最終導(dǎo)致第30 屏電容芯子下部擊穿放電， 并延伸至其他電容芯子。

②通過解體發(fā)現(xiàn)C2下部電容芯子上存在少量污穢， 油耐壓數(shù)據(jù)為U=29.9 kV， 低于規(guī)程要求。因此推測此CVT 電容芯子被擊穿是由于油內(nèi)存在污穢微粒， 因油流作用附著在下部電容屏上， 導(dǎo)致電容芯子兩極間絕緣降低， 在強電場作用下部分電容屏被擊穿。

4 結(jié)語

電壓互感器是變電站重要設(shè)備之一， 是否可靠運行直接關(guān)系到電網(wǎng)安全， 因此， 對于電壓互感器應(yīng)引起足夠的重視。

結(jié)合本次110 kV CVT 二次電壓異常故障分析實例給出如下建議:

1) 110 kV CVT 若出現(xiàn)某相二次電壓偏低， 可能是下節(jié)分壓電容部分電容元件擊穿導(dǎo)致； 二次電壓偏高， 可能是上節(jié)分壓電容部分電容元件擊穿導(dǎo)致。

2) CVT 在運行中出現(xiàn)某相二次電壓異常的情況， 應(yīng)引起必要的關(guān)注， 跟蹤二次電壓的變化情況， 并開展紅外精確測溫， 必要時進(jìn)行停電診斷試驗。

3) 針對CVT 故障事故頻發(fā)的問題， 設(shè)備投運前應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)監(jiān)督相關(guān)要求開展驗收， 對不符合要求的設(shè)備及時提出整改措施， 避免設(shè)備帶“病” 入網(wǎng)。