一起110 kV 母线电容式电压互感器二次电压异常分析

毛兴华， 邹学伟， 江明杰， 何建军， 莫海平

(国网湖南省电力有限公司衡阳供电分公司， 湖南 衡阳421001)

0 引言

电压互感器在电力系统中是实现一、 二设备连接的重要纽带， 起着监控电网运行、 继电保护、 计量的重要作用， 其运行可靠性关乎电网的安全稳定运行[1]。 目前系统中电压互感器应用较为普遍的形式主要有电磁式与电容式 (以下简称CVT)，CVT 因具有优越的性能， 被广泛应用在电力系统中。 与传统的电磁式电压互感器相比， CVT 能有效抑制铁磁谐振， 同时分压电容可以用作耦合电容器以实现通信载波。 近年来CVT 受制造工艺、 安装水平及运行环境等因素影响故障频发， 给整个电网稳定运行带来安全风险[2]。

本文对一起110 kV 母线CVT 二次电压异常故障案例进行分析， 并给出了CVT 故障分析及处理相应建议， 为现场故障诊断提供技术参考。

1 故障简介

2020 年8 月6 日， 通过CVT 计量异常在线监测装置发现某220 kV 变电站110 kV Ⅰ母TV 计量装置异常， 该装置于2002 年12 月投运， CVT 型号为TYD110/-0.02H， A、 B、 C 相二次电压分别为60 V、 60 V、 59 V， C 相二次电压低于A、 B 相电压1 V。 对该CVT 进行停电试验， 结果显示电容量与变比偏大， 随即对该母线电压互感器进行了更换， 对设备进行解体， 并进行故障原因分析。

2 理论分析及停电试验

2.1 C 相二次电压偏低理论分析

CVT 原理如图1 所示， 上下节电容串联分压，上节电容为C1、 下节电容为C2， 每部分电容由多个电容元件串联组成[3]。

图1 电容式电压互感器原理

结合原理图分析， C 相二次电压降低说明极有可能是分压电容器C2上的电压U2降低， 而根据分压公式U2的表达式为:

式中， U 为母线相电压。

根据分压公式， 若U2电压降低可能是由C2增大所致， 而C2是由多个电容元件串联组成， 根据电容串联公式， 只有当C2串联部分电容元件减小时， 总电容C2才会增大[5]。 因此， 初步怀疑下节电容C2内有电容元件击穿， 造成该CVT 变比增大，从而导致C 相二次电压降低。

2.2 停电试验情况

对该CVT 进行了绝缘电阻、 介质损耗及电容量、 电压比及油中溶解气体分析、 油耐压、 介损、 微水等试验。 其中绝缘电阻、 介质损耗及电容量、 变比试验、 油中溶解气体分析数据分别见表1—4。

根据三比值法计算， 三比值 (C2H2/C2H4，CH4/H2， C2H4/C2H6) 代码是102， 对应的故障类型为电弧放电， 说明该CVT 内部存在放电故障。

表1 绝缘电阻试验数据 MΩ

表2 介质损耗及电容量试验数据

表3 变比试验数据

表4 C 相CVT 油中溶解气体分析数据μL/L

通过停电试验数据可以看出， 该CVT 的C 相总电容初值差达3.33%， 超过要求。 而造成总电容偏大的主要原因是下节电容C2明显偏大， C2初值差达8.34%， 同时变比较A、 B 相CVT 有显著差别。 结合电容量、 变比测试及油中溶解气体分析结果， 初步判定该CVT 下节电容C2有电容元件被击穿。

3 解体检查分析

3.1 解体检测情况

对该变电站110 kV Ⅰ母电压互感器进行了紧急更换， 将CVT 移至高压试验大厅进行解体检查。将外部套管取出， 检查内部电容芯子情况， 通过检查发现: 上节电容C1共有72 屏电容芯子， 下节电容C2共有34 屏电容芯子。 使用万用表检查每屏电容芯子两极的导通情况， 上节电容C1检测无异常，下节电容C2检测至第30 屏电容芯子时， 发现两极之间存在导通情况。

拆除该CVT 电容芯子两侧支撑件， 查看下节电容C2第30 屏电容芯子周围情况。 通过观察发现C2电容下部有明显的放电击穿痕迹， 且C2电容下部外侧有清晰的灼烧现象， 灼烧面积覆盖第30—32 屏， 如图2—3 所示。

图2 C2电容下部电容芯子

图3 第30、 31 屏电容芯子放电痕迹

对每一屏电容芯子进行拆除， 检测电容芯子内部情况， 通过图2—3 可以看到该CVT 下节电容C2的第30、 31 屏电容芯子中间发生明显的放电击穿。利用万用表电阻档对每屏电容芯子进行电阻测量，结果显示外观良好的电容芯子其两极电阻无限大，而第30、 31 屏电容芯子其两极电阻分别为295.9 Ω、 369.5 Ω， 进一步验证了该电容芯子确已发生击穿现象。

3.2 故障原因分析

1) 通过停电试验数据可以看出， C 相电压互感器1a-1n 绕组的额定变比k1=1 100， 而实测变比k2=1 121。 后台数据显示该变电站Ⅰ母电压为116 kV， 由此计算1a-1n 绕组在额定变比的二次电压为:

1a-1n 绕组实测变比的二次电压为:

这也是C 相二次电压比A、 B 相低1 V 的原因。

2) 由图1 可知， 1a-1n 绕组二次电压U1a1n的表达式为:

式中， kT为中间变压器对1a-1n 绕组的电压比。

电压互感器1a-1n 绕组的变比公式k 为:

根据实测的电容量， C 相与A 相的1a-1n 绕组变比之比Δk 为:

而实测变比之比Δk′为:

通过计算可以看出， 实测变比与理论计算变比基本一致(存在一定的仪器测量误差)， 故C 相与正常相的电容量偏差是导致C 相变比增大的原因。

下节电容芯子有34 屏， 由电容量一致的电容芯子串联组成， A 相C2的总电容量为63 480 pF，根据电容串联公式， 其每一屏电容芯子的电容量为63 480×34=2 158 320 pF。 通过解体检查发现C 相C2电容第30、 31 屏发生击穿， 实际工作电容芯子仅为32 屏， 则对应的C 相C2总电容量计算值应为2 158 320÷32=67 447.5 pF， 计算的理论数据与实测数据保持一致。 进一步说明C 相二次电压比A、B 相低1V 的根本原因是C 相电容式电压互感器下节电容C2两屏电容芯子被击穿。

3) 结合解体检查情况分析， 认为故障原因是:

①出厂制造过程中， 电容芯子制作工艺不良，第30 屏电容芯子下部极板不平整导致场强局部集中， 低能放电， 致使绝缘逐渐老化， 最终导致第30 屏电容芯子下部击穿放电， 并延伸至其他电容芯子。

②通过解体发现C2下部电容芯子上存在少量污秽， 油耐压数据为U=29.9 kV， 低于规程要求。因此推测此CVT 电容芯子被击穿是由于油内存在污秽微粒， 因油流作用附着在下部电容屏上， 导致电容芯子两极间绝缘降低， 在强电场作用下部分电容屏被击穿。

4 结语

电压互感器是变电站重要设备之一， 是否可靠运行直接关系到电网安全， 因此， 对于电压互感器应引起足够的重视。

结合本次110 kV CVT 二次电压异常故障分析实例给出如下建议:

1) 110 kV CVT 若出现某相二次电压偏低， 可能是下节分压电容部分电容元件击穿导致； 二次电压偏高， 可能是上节分压电容部分电容元件击穿导致。

2) CVT 在运行中出现某相二次电压异常的情况， 应引起必要的关注， 跟踪二次电压的变化情况， 并开展红外精确测温， 必要时进行停电诊断试验。

3) 针对CVT 故障事故频发的问题， 设备投运前应严格按照技术监督相关要求开展验收， 对不符合要求的设备及时提出整改措施， 避免设备带“病” 入网。