電容式電壓互感器電磁單元故障檢定方法

張志東，劉建月，薛趙紅

(1.國網山西省電力公司 檢修公司，山西太原030021; 2.國網山西省電力公司 技能培訓中心，山西太原030024; 3.華能左權煤電有限責任公司，山西左權032600)

電容式電壓互感器電磁單元故障檢定方法

張志東1，劉建月2，薛趙紅3

(1.國網山西省電力公司 檢修公司，山西太原030021; 2.國網山西省電力公司 技能培訓中心，山西太原030024; 3.華能左權煤電有限責任公司，山西左權032600)

根據設備結構特點和設計參數，結合檢修現場條件，提出了一種通過高壓試驗對電容式電壓互感器電磁單元(包括中間變壓器和阻尼器等)進行故障檢定的方法。通過剖析一起故障實例，對比現場試驗應用和返廠解體分析，從而驗證了該方法的正確性。這種方法可以及時、有效地發現電容式電壓互感器內部阻尼元件故障，無需解體，適合現場操作，便于運檢人員及早采取對應措施，避免擴大事故范圍。

電容式電壓互感器；電磁單元；阻尼器；故障；檢定

0 引言

500 kV變電站電壓互感器絕大多數為電容式。此類電容式設備的狀態監測量包括介質損耗因數、電容量、三相不平衡電流等[1]。但是，對于電容式設備的狀態在線監測尚不成熟[2]。通常，各種監測特征量和設備狀態關系錯綜復雜[3]。而離線式、預防性高壓試驗結果的分析已經積累了大量經驗，據此制訂出了相應規程[4]。因此，通過高壓試驗全面地對設備內部絕緣情況進行判斷，成為現階段檢修現場實用、有效的手段。

電容式電壓互感器(以下簡稱CVT)在運行中暴露出一些問題，主要表現為二次電壓輸出異常、二次端子排燒壞、電容器擊穿甚至爆炸等[4]。設備故障分析表明，其主要原因是電容分壓器和電磁單元絕緣水平下降、鐵磁諧振、內部元器件擊穿、設計不合理等[6]。本文分析了某變電站CVT電磁單元故障情況，通過高壓試驗分析異常原因，從而及時消除故障。作者由此提出參考CVT阻尼器電氣結構和設計參數，通過測量阻尼電流來判斷電磁單元阻尼器故障的方法。

1 CVT電磁單元故障檢定方法

1.1 CVT電磁單元工作原理

CVT由電容分壓器和電磁單元組成(如圖1所示)。其中，電容分壓器由高壓電容器C1和中壓電容器C2組成[7,8]。電磁單元由中間變壓器、補償電抗器、避雷器、二次回路等組成[9]。二次回路一般包括2～4組二次繞組和一組輔助繞組。輔助繞組主要元件為阻尼器[10]。

圖1 CVT工作原理

圖中：C1為高壓電容；C2中壓電容；T為中

間變壓器；L’為補償電抗器；F為保護裝置；L為阻尼器電抗器；C為阻尼器電容器；R為阻尼電阻1a，1n為主二次繞組1號 2a，2n為主二次繞組2號da，dn為剩余電壓繞組。

CVT廣泛使用的諧振型阻尼器原理如圖1所示。電磁單元中阻尼器由用于產生并聯諧振的電容器和電抗器并聯，再和阻尼電阻串聯。阻尼器并聯在額定電壓為100 V的輔助繞組(即剩余電壓繞組da-dn)上，電容C和電感L在工頻下調至并聯諧振狀態。此時回路阻抗很高，只有很小的電流流過阻尼電阻。當出現低頻分次鐵磁諧振時，回路的并聯諧振條件遭到破壞[11]。于是，阻抗下降，電流劇增，瞬時在阻尼電阻將會消耗殆盡該諧波功率，從而實現阻尼分頻諧振。

1.2 CVT電磁單元故障表征

母線過電壓往往導致與之相連的電壓互感器電磁單元損壞[12]。根據廠家故障統計，電磁單元中故障概率極高的部位是阻尼器電容器[13]。阻尼器電容器廠家主要采用自愈式電容器，該電容器在發生內部擊穿時，依靠擊穿能量使得擊穿點周圍的金屬極板涂層蒸發，從而使絕緣水平迅速得以恢復。但當擊穿點較多或擊穿面積較大時，其自恢復絕緣能力降低，并將加速內部介質的擊穿直至電容器短路，從而導致CVT測量電壓發生顯著變化。作者依據電磁單元內部結構特點衍生出本文的檢定方法。

1.3 CVT電磁單元故障檢定方法的提出

CVT電壓異常分為二次失壓、電壓值偏高或偏低。如果中間變壓器出現故障或避雷器擊穿，或中壓電容器C2擊穿，將無電壓輸出，引起電壓偏高或偏低的原因可能是電容分壓器有局部擊穿[14]。另外，也可能由于質量問題或者系統過電壓沖擊導致阻尼器電容器擊穿。通過高壓試驗測量阻尼回路電流可以及時、有效地發現CVT內部電磁單元阻尼器故障。

以圖1為例，根據歐姆定律，結合元件出廠參數計算阻尼電流額定值如式(1)所示：

(1)

式中：該產品各元件標稱值：R為5 Ω；L為50 mH；C為200 μF，則可得阻尼電流額定值有效值約為1 A。

本文由此提出試驗方法如圖2所示。具體分為兩步：第一，通過測量絕緣電阻和直流電阻是否符合規程來檢定二次繞組是否損壞。若異常，則二次繞組故障；若正常，轉入下一步。第二，檢查阻尼器狀態。先短接da～dn，打開d1～d2連接片。同時，還需要打開N-X連接片，使得中間變壓器在高壓試驗時空載運行，并構成獨立的、可測試兩端口的阻尼回路。再在阻尼器兩端口d1-d2上施加有效值為100 V的工頻電壓，測試其阻尼電流。最后根據測試結果檢定。判據為：若阻尼電流為0，說明阻尼回路開路，則可能是阻尼電阻燒毀。若阻尼電流大于0且不大于1A，則阻尼回路正常，否則超出范圍判斷為阻尼器電容器發生故障。現場多臺設備測試表明，阻尼電流一般為0.6 A左右。

圖2 CVT阻尼器試驗檢定法原理圖

值得注意的是，現場實測時，不同產品(不同類型和電壓等級)阻尼電流額定值有所不同，不能直接套用本方法中的標準值。本方法重點在于以高壓試驗為手段提出了一種解決問題的思路。因此，應參考廠家阻尼器電氣原理圖和設計參數，依據公式(1)的原理計算額定值。

另外，該測試方法可以推廣為從d1～d2端子施加工頻電壓10 V，再測試阻尼回路電流。正常情況下，阻尼電流不大于0.1 A。同時，測試要結合三相橫向對比和歷史數據的縱向對比來全面分析，保證判斷的準確性。

該方法適用于停電檢修，根據儀器條件，可以靈活應用。特別是目前例行試驗中未對阻尼電流進行考核，無法針對這類現場頻繁出現的由于電磁單元阻尼器損壞導致油箱發熱、二次電壓異常的故障進行狀態監督。因此，本文提出的檢定方法具有重要的實際意義。

2 故障實例分析

2.1 故障發現

以一起500 kV某變電站的35 kVA母線CVT(型號為TYD35/√3-0.02FH)電磁單元中阻尼器電容器擊穿故障為例，分析故障處理情況。

表1 現場高壓試驗數據(環溫：23℃，濕度：40%)

500 kV某變電站的35 kVA母線在運行中發出“母線接地報警”和“PT斷線報警”，后臺顯示CVT工作電壓異常，B相、C相油箱溫度偏高(達到50℃左右)。后經紅外測溫跟蹤發現溫度持續升高(B相最高達到75℃、C相最高達到83℃)，從視窗可見油箱內部絕緣油變為棕褐色。測量三相二次繞組電壓(正常為57.7 V)，分別為A相58.2 V、B相45.4 V、C相45.6 V，三相二次繞組電壓明顯不平衡，且B相、C相電壓明顯偏低。現場排查判定CVT存在故障。經過外觀檢查，CVT絕緣瓷瓶外表清潔、連接可靠、接地正常，未發現閃絡痕跡，初判是內部故障。

2.2 現場試驗

根據理論分析，二次電壓僅是降低并未完全失壓，故不可能是中間電壓變壓器一次引線斷線或接地、分壓電容器C2短路等故障所致[15]。推斷幾種可能的原因：一是電容分壓器故障，可能高壓電容C1減小或中壓電容C2增大[16]；二是電磁單元故障。電磁單元故障原因：一是電磁單元損壞，電壓比發生變化[17]，中間變壓器一次線圈匝數變大或二次線圈匝數變小；二是阻尼器電容器擊穿。

(1)油氣試驗

在停電檢修中，對其進行油樣簡化、油色譜試驗。取油樣時有氣體從取油口噴出。油化驗結果表明，絕緣油含有懸浮雜質，導致油品質劣化，有揮發性刺鼻氣味。絕緣油的含氣量超標，內部發生過放電。

(2)電氣試驗

該CVT電容分壓器由一節獨立的電容器組成，一部分組成高壓電容C1，其余部分為中壓電容C2，通過引出抽頭與電磁單元一次繞組連接，此抽頭與電磁單元一次繞組均密封在電磁單元殼體內，無法直接檢查中壓電容C2。因此，首先對獨立的單節電容進行檢查，測量介質損耗因數及電容量。利用自激法測得B相、C相電壓互感器高壓電容器和中壓電容器電容值和介損值均正常。試驗結果表明，一次部分正常，排除電容分壓器故障的可能，那么可能是電磁單元故障。電磁單元中，中間變壓器一次繞組、補償電抗器及避雷器均密封在殼體內無法直接檢查，因此，先檢查二次繞組，進行絕緣電阻和直流電阻測量。各二次繞組絕緣電阻高于規程規定值10 MΩ[18]，直阻與出廠值相比無明顯變化，可以排除二次繞組故障的可能，應檢查一次繞組和其他元件。

該CVT結構和設計參數如上文所述。根據本文提出的檢定方法，現場測得在100 V電壓下，da～dn繞組阻尼電流均大于1A，檢修人員判定這兩臺CVT阻尼器電容器存在故障，無法繼續投運。現場試驗數據如表1所示(故障相和正常相設備對比，標準合格值依據狀態檢修試驗規程)。由于場現無法解體，一次繞組和其他內部組部件是否仍存在故障需要返廠解體檢查。因此，檢修人員對這兩臺故障CVT進行了整體更換。

2.3 返廠解體

2.3.1 解體試驗

將這兩臺CVT進行返廠解體檢查，測試電容分壓器電容值、介損值，避雷器絕緣電阻，中間變壓器空載試驗，阻尼器電容器電容值，油樣試驗等項目。返廠解體試驗數據如表2所示(故障設備和同型號待出廠新產品對比，標準合格值依據出廠規定)。試驗結果表明，中間變壓器和阻尼器電容器存在故障。

表2 返廠解體試驗數據(環溫：20℃，濕度：25%)

圖3 電磁單元解體對比

2.3.2 解體檢查

解體試驗完畢后，對故障組部件進行了拆卸檢查。

(1)中間變壓器

打開電磁單元后發現，CVT變壓器油已變色并存在異味，如圖3所示。

(2)阻尼器

圖4 阻尼器電容器解體對比

拆除阻尼器電容器發現，外殼鼓脹，如圖4所示。打開電容器外殼，清晰可見元件起皺損壞，殼體內仍殘留有變壓器絕緣油。利用電容量測試儀測試，電容值持續大幅度變化，無法穩定。

返廠解體結果表明：

(1)CVT電容分壓器、避雷器正常。

(2)CVT油質變色并有異味，油樣分析乙炔含量、氫氣含量、總烴含量、介損值、耐壓值均超標，判斷油已變質，故障屬于高能量放電。

(3)CVT中間變壓器空載試驗無法加電流，判斷高壓繞組擊穿。

(4)CVT阻尼器電容器實測電容無法獲得穩定數據，判斷電容器損壞。

這兩臺CVT阻尼器組部件電容器已經損壞。因此，這也驗證了本文提出的CVT電磁單元故障檢定方法的正確性。

2.4 故障分析

CVT解體和試驗數據表明，由于電容器質量差或系統過電壓(包括工頻過電壓和操作過電壓)沖擊，首先是諧振電容擊穿，電容量大幅變化，導致阻尼諧振回路失諧，引起阻尼電流大幅增加，中間變壓器一次繞組電流大增，溫升過高而匝間擊穿。擊穿后匝內電流更大，溫升急劇增高，使匝間短路迅速擴大，導致內部油質碳化。阻尼器電容器和中間變壓器的高能量放電最終導致變壓器油變色、產生大量氣體。同時，引起二次電壓偏低。

3 結論

本文提出了一種通過高壓試驗對CVT電磁單元中阻尼器進行故障檢定的方法。這種方法無需解體，適合現場操作，可以及時、有效地發現CVT內部阻尼元件故障，便于運檢人員及早采取對應措施，避免擴大事故范圍。另外，建議產品出廠試驗報告中應給出阻尼回路電流范圍以便參考。

[1]王曉輝，趙衛華. 500 kV電容式電壓互感器二次電壓異常狀況的分析與處理[J]. 上海電力學院學報，2009，25(1)：10-12.

[2]朱德恒，嚴璋，談克雄，等.電氣設備狀態監測與故障診斷技術[M]. 北京：中國電力出版社，2002.

[3]國家電網公司生產技術部. 電網設備狀態檢測技術應用典型案例[M]. 北京：中國電力出版社，2012.

[4]國家電網公司運維檢修部. 電網設備帶電檢測技術[M]. 北京：中國電力出版社，2015.

[5]盛國釗，倪學峰，王曉琪. 1995～1999年電容式電壓互感器的運行及故障情況分析[J]. 電力設備，2001，2(2)：27-29.

[6]丁濤，陳卓婭，劉忠，等.一起500 kV電容式電壓互感器電壓異常的分析處理[J]. 電力電容器與無功補償，2010，31(2)：52-55.

[7]唐崇年. 電力互感器故障綜合測試診斷技術的研究和應用[D]. 保定：華北電力大學，2012.

[8]楊洋，許強，覃偉，等. 某500 kV CVT的故障原因診斷及分析[J]. 電力電容器與無功補償， 2011，32(4)：68-71.

[9]李繼忠.220 kV電容式電壓互感器故障分析[J]. 電力科學與工程，2013，29(3)：65-68.

[10]李焉燕，張金強.一例500kVCVT電壓測量異常分析與處理[J]. 高壓電器，2008，44(1)：76-77.

[11]王文潔，王泱，古海濱.電磁式電壓互感器引發的鐵磁諧振的研究[J]. 華北電力大學學報(自然科學版)，2006，33(6)：43-46.

[12]吳茂林，崔翔，張衛東.電壓互感器寬頻傳遞特性的時域測量方法[J]. 華北電力大學學報(自然科學版)，2004，31(1)：25-28.

[13]印華，王勇，宋偉，等.電容式電壓互感器常見故障及原因分析[J]. 電工技術，2007，(10)：70-71.

[14]丁濤，陳卓婭，劉忠，等.一起500kV電容式電壓互感器電壓異常的分析處理[J]. 電力電容器與無功補償，2010，31(2)：52-55.

[15]徐長海，王靜君.一起35 kV電容式電壓互感器二次電壓異常升高故障分析[J]. 江蘇電機工程，2014，33(3)：10-11.

[16]喬立鳳，高敬更，溫定筠，等.330 kV電流互感器電流異常故障分析[J]. 電子測量技術，2013，36(7)：125-127.

[17]梁靜，吳冬文.35 kV電容式電壓互感器電磁單元發熱故障分析[J]. 江西電力，2013，37(2)：65-68.

[18]國家電網公司生產技術部.Q/GDW1168-2013輸變電設備狀態檢修試驗規程[M]. 北京：中國電力出版社，2013.

Test Method for Capacitor Voltage Transformer Electromagnetic Unit Fault

Zhang Zhidong1, Liu Jianyue2, Xue Zhaohong3

(1. Maintenance Company of State Grid Shanxi Province Electrical Power Company, Taiyuan 030021, China; 2. Skill Training Center of State Grid Shanxi Electrical Power Company, Taiyuan 030024, China;3. Huanengzuoquan Coal and Electricity LLC, Zuoquan 032600, China)

Based on the characteristics and design parameters of the device structure, combined with the maintenance field conditions, a test method for capacitor voltage transformer electromagnetic unit (including intermediate transformers and damper component, etc.) fault detection through high voltage tests is proposed in this paper. Analysis of an actual fault case and comparison between field test applications and depot disintegration analysis verified the correctness of the method. This method can be timely and effective in detecting without disintegration the capacitor voltage transformer internal damper component fault, suitable for field operation, and easy for electricity maintenance staff to take countermeasures as early as possible to avoid expansion of the scope of an accident.

capacitor voltage transformers; electromagnetic unit; damper component; fault; detection

2015-07-06。

張志東(1984-)，男，工程師，主要從事高壓電氣設備檢修、試驗方面的研究，E-mail:zzd695@163.com。

TM451

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.09.012