中間變壓器繞組匝間短路引起CVT電磁單元發熱故障分析

國網湖南電力科學研究院 劉赟

中間變壓器繞組匝間短路引起CVT電磁單元發熱故障分析

國網湘西供電公司 羅曉冬 唐民富 姚華

國網湖南電力科學研究院 劉赟

針對一起電容式電壓互感器（Capacitive Voltage Fransformer，CVT）電磁單元異常發熱故障，根據自激法介損測量過程中出現的不尋常情況和變比測量結果得出的異常數據，并結合儀器原理進行分析，判斷電磁單元內部中間變壓器繞組存在嚴重匝間短路缺陷，解體檢查驗證了這一判斷。

電容式電壓互感器；電磁單元；發熱故障；中間變壓器；匝間短路

0 引言

電容式電壓互感器主要由電容分壓單元和電磁單元兩部分組成，具有制造簡單、體積小、價格低、不會與系統發生鐵磁諧振等優點，已在電力系統中廣泛應用[1]。其中，電磁單元一般由中間變壓器、補償電抗器、放電間隙和阻尼器等部分組成[2]，而電容分壓單元結構簡單，主要由一些小電容元件串并聯組成。在實際運行中，電容分壓單元的主要缺陷表現為進水受潮、小電容單元擊穿等，電磁單元因為結構復雜，其故障原因往往也較復雜。

1 故障案例情況

在某110kV變電站進行專業化巡檢時發現一條35kV線路CVT的電磁單元明顯發熱，熱點溫度比其他部位高出11.9K，比相鄰線路同廠同型號同批次CVT的相同部位高出14.2K，如圖1所示。根據DL/T 664-2008《帶電設備紅外診斷應用規范》[3]，該線路CVT發熱已到達危急缺陷，必須立即退出運行。

該故障CVT電氣原理如圖2所示，圖中T為中間變壓，P為低壓氧化鋅避雷器，L1為補償電抗器，R為阻尼電阻，L2為飽和電抗器。CVT電氣參數如表1所示。

2 試驗診斷

對該互感器開展了絕緣電阻、介質損耗因數與電容量、變比和油中溶解氣體分析四項試驗項目，試驗時環境溫度為5℃，相對濕度為60%。

2.1 絕緣電阻測量

首先開展絕緣電阻測量，分別檢測主絕緣電阻與二次絕緣電阻，測量結果見表1。與歷史試驗數據相比，主絕緣和二次絕緣無顯著下降。

2.2 介質損耗因數測量

圖1 故障CVT紅外圖譜

圖2 故障CVT電氣原理圖

表1 故障CVT參數

表2 故障CVT絕緣電阻

介質損耗因數測量分兩個方案開展，一是用CVT自激法進行測量，測量過程中儀器高壓輸出達到451V時電壓就無法繼續升高，而試驗時設定的內高壓限值為3000V，正常CVT用自激法測量介損時完全可達到此電壓值；二是將CVT電容單元和電磁單元分解后單獨測試電容分壓單元的電容量和介質損耗因數，結果見表3，試驗數據合格。由此可初步確認電容單元無異常，故障點在電磁單元內部。

表3 故障CVT介質損耗因數及電容量

表4 故障CVT變比試驗結果

表5 故障CVT油中溶解氣體

2.3 變比試驗

用介質損耗測試儀變比測試功能開展CVT變比測量，發現變比試驗值與額定值相差甚大，說明CVT電磁單元內部的電氣參數已發生了嚴重變化，試驗數據詳如表4所示。

2.4 油中溶解氣體分析

對該互感器電磁單元內絕緣油進行了油中溶解氣體分析，結果詳見表5。表中乙炔C2H2含量為0，但總烴含量較高，超過《輸變電設備狀態檢修試驗規程》規定的注意值（150μL/L），說明電磁單元內部存在缺陷。進一步用三比值法分析，五項特征氣體對應的三比值編碼為020，屬于典型的過熱缺陷，與紅外測溫結果符合。

3 解體檢查與故障分析

3.1 一次繞組異常

通過試驗確認，問題主要在電磁單元內。其中CVT自激法介損試驗和變比試驗各存在蹊蹺點：自激法測量介損時內高壓無法升高，變比較額定值巨幅增大。

根據所用介損儀的自激法試驗原理圖（圖3）可知：自激法測量介質損耗因數時，儀器從中間變壓器二次側激勵電壓，在電容單元尾端感應高壓側電壓。試驗過程中儀器內部會對二次電流和一次電壓進行限制，其中二次電流不超過30A，一次電壓不超過4kV。本次試驗一次電壓僅能加到451V就無法繼續升高，原因為此時二次電流已經達到最高限值。這表明中間變壓器勵磁電流較正常情況下要大很多，繞組存在匝間短路的可能性較大。

另外，根據所用介損儀的變比測量原理圖（圖4）可知，變比測量時儀器高壓輸出10kV，經電容分壓后感應到中間變壓器二次繞組從而獲得二次側電壓，再通過計算一次電壓與二次電壓的比值作為CVT的變比。根據前面的試驗結果，當一次電壓為10kV時，實測變比3325和5750對應的二次電壓分別為3V和1.74V，遠低于額定變比下對應的二次電壓（分別為28.6V和16.5V）。

由以上分析可知，該CVT的中間變壓器無論是從一次繞組還是從二次繞組激磁，另一側繞組均無法感應出正常電壓。這種現象說明繞組存在匝間短路，因為匝間短路時存在短路環，短路環流對一次勵磁和二次勵磁均起到去磁作用，致使另一側電壓遠低于正常值。

為進一步確認試驗診斷分析的正確性，對中間變壓器和補償電抗器進行解體分析，發現中間變壓器一次繞組絕緣嚴重碳化，纏護一次繞組的絕緣膠紙碳化部分用手可輕松捏碎，越靠近鐵芯的部分碳化越嚴重，如圖5所示。而二次繞組顏色锃亮，無異常情況，補償電抗器也無異常。據此可判斷該互感器發熱主要為中間變壓器一次繞組存在嚴重的匝間短路引起。

3.2 阻尼電阻熔斷

圖3 自激法測量CVT介損原理圖

解體檢查還發現阻尼電阻絲已經熔斷，如圖6所示。

圖5 中間變壓器一次繞組

圖6 阻尼電阻絲熔斷圖景

圖7 避雷器外絕緣熱老化

圖8 避雷器內部存在液體

經仔細檢查分析，發現該阻尼電阻與速飽和電抗器串聯一起后再并聯安裝在a1n1二次繞組上，與設備技術說明書原理圖（圖2）不符合。根據消諧原理可知，CVT速飽和電抗器磁通密度的設計值比中間變壓器高得多，互感器在運行過程中遇到諧振過電壓時，飽和電抗器能在中間變壓器飽和前就達到飽和狀態，使阻尼電阻起到消耗諧振能量的作用，從而實現抑制分次諧波過電壓的目的。通過設備名牌參數確定，輔助繞組dadn的額定電壓ud為100/3V，二次繞組1a1n的額定電壓u1為100/√3V，u1是ud的1.732倍。而本臺故障CVT原本設計安裝在dadn繞組上的阻尼裝置錯誤安裝在1a1n繞組上，導致速飽和電抗器運行中將長期承受1.732倍的額定電壓設計值而飽和而使阻抗急劇降低，從而致使阻尼電阻長時間通過較大電流而熔斷。

3.2 低壓避雷器損壞

此外還發現低壓氧化鋅避雷器損壞，用萬用表測量其兩極間電阻只有821Ω，避雷器外絕緣存在明顯的熱老化痕跡，如圖7所示。剖開避雷器時其內部流程淡綠色液體，如圖8所示。

經分析，避雷器損壞的原因為：由于中間變壓器的一次繞組存在嚴重匝間短路而使勵磁阻抗降低，致使避雷器和補償電抗器承擔的電壓升高，導致避雷器運行中長期承受較高的電壓而擊穿損壞。而其內部具有液體則是因為擊穿后的避雷器內部閥片等同于發熱電阻，使外絕緣熱老化膨脹導致密封性破壞，使變壓器油進入避雷器內部。

4 綜合分析

綜合診斷試驗和解體檢查確定該故障CVT發熱的主要原因為中間變壓器一次繞組存在嚴重的匝間短路，運行過程中匝間短路環內存在較大環流而使電磁單元嚴重發熱。

匝間短路還改變了電磁單元內部元件的電壓分布情況，導致低壓避雷器長時間承受較高電壓而擊穿損壞。

阻尼電阻熔斷的原因主要在于其安裝錯誤，導致正常運行過程中與其串聯的速飽和電抗器長期飽和而失去限流作用，阻尼電阻長時間通過較大電流而熔斷。

5 結語

（1）紅外測溫能有效發現CVT電磁單元的發熱缺陷，輔助開展油色譜分析、介損與電容量、變比等項目對故障診斷與分析具有較大作用。

（2）通過本例故障診斷分析發現，匝間短路會導致CVT自激法介損測量過程中出現電壓無法正常升高的情況，也會導致互感器變比出現巨增。日常檢修試驗過程中不僅要重視試驗結果本身，對試驗過程中出現的異常情況也不能忽視，同時也應結合試驗儀器的原理進行診斷分析。

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