非正常回路中感應(yīng)電流引起電容式電壓互感器發(fā)熱的研究

郭世曉，艾 飛，胡 巍，洪 麗，林 楠，張如宏

(國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，浙江 杭州 310009)

0 引 言

電容式電壓互感器(capacitive voltage transformer，CVT)是利用串聯(lián)電容分壓原理實現(xiàn)電壓變換的，與傳統(tǒng)電磁式電壓互感器相比，具有輸出容量大、瞬變響應(yīng)速度快、經(jīng)濟成本低、安全可靠性高、可兼作耦合電容器等優(yōu)點。因此，中國 35 kV 及以上電力系統(tǒng)的電壓測量一般采用CVT設(shè)備，電磁式電壓互感器主要應(yīng)用于110 kV以下的小電流接地系統(tǒng)[1-3]。電力系統(tǒng)采用CVT輸出二次側(cè)電壓，供測量、計量和繼電保護裝置采樣，故運行中的CVT如有缺陷，不僅會影響測量、計量的準(zhǔn)確度，甚至可能導(dǎo)致保護裝置誤動、拒動，會嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[4-5]。

國網(wǎng)杭州供電公司運行維護人員在220 kV變電站帶電檢測過程中發(fā)現(xiàn)某變電站4號主變壓器110 kV CVT的A相油箱存在嚴(yán)重點狀發(fā)熱現(xiàn)象，在停電更換同批次備品后，發(fā)現(xiàn)新更換CVT的相同部位仍發(fā)熱，初步判斷為家族性缺陷。國網(wǎng)杭州供電公司目前有上百臺該廠家同類型CVT在運行使用，因此對此類型CVT進行全面紅外測溫排查，又發(fā)現(xiàn)一臺有相同缺陷的運行CVT。下面從理論上分析了此CVT發(fā)熱的原因，給出了此類缺陷的處理措施，為變電運行維護人員和變電檢修人員提供參考，避免發(fā)生同類缺陷時盲目停電，并結(jié)合實際工作經(jīng)驗提出了相關(guān)建議及防范措施，預(yù)防此類缺陷再次發(fā)生，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

1 缺陷發(fā)現(xiàn)過程

某日，天氣晴，環(huán)境溫度約10 ℃左右。運行維護人員在對某220 kV變電站進行全站帶電檢測時，發(fā)現(xiàn)4號主變壓器110 kV 側(cè)A相CVT的電磁單元油箱局部發(fā)熱，達(dá)到了24.4 ℃，比B相和C相CVT的相同部位(12.2 ℃)高出12.2 K。根據(jù)規(guī)程DL/T 664-2008《帶電設(shè)備紅外測溫診斷應(yīng)用規(guī)范》[6]可知，電壓互感器發(fā)熱現(xiàn)象一般為電壓致熱型缺陷，相對溫差超過2 K即可構(gòu)成重要缺陷。現(xiàn)場紅外測溫圖譜顯示的發(fā)熱點位于CVT電磁單元處，紅外測溫圖譜如圖1所示。

圖1 紅外測溫

次日，檢修人員對該CVT進行紅外復(fù)測，測試結(jié)果和運行人員所測數(shù)據(jù)接近。DL/T 664-2008《帶電設(shè)備紅外測溫診斷應(yīng)用規(guī)范》關(guān)于電壓致熱型設(shè)備缺陷的診斷判據(jù)規(guī)定為: 溫差為2～3 K即建議進行介損、油色譜及油中含水量測量[6]。由于該 CVT 溫差已達(dá)到 12.2 K，可判定為重要缺陷以上，因該220 kV變電站恰在進行110 kV老舊AIS設(shè)備改造，故檢修人員決定結(jié)合該站的改造計劃進行緊急處理。檢修人員對留存的同型號備品CVT進行電氣試驗，各項電氣試驗合格。臨時停役該站4號主變壓器，更換了該缺陷CVT，但運行6 h后紅外測溫發(fā)現(xiàn)，新更換CVT的相同部位仍發(fā)熱，經(jīng)查詢該CVT與缺陷CVT為同批次產(chǎn)品，可能存在家族缺陷，后續(xù)的全面紅外測溫排查證實了這一點。

2 CVT的基本原理和基本結(jié)構(gòu)

CVT的電氣原理接線如圖2所示。

圖2 CVT電氣原理接線

圖2中：C1為高壓電容，由C11、C12和C13組成；F為結(jié)合濾波器；P1、P2為保護裝置；L2為補償電抗器；Z為阻尼器；TV為中間變壓器；1a-1n、2a-2n等為中間變壓器二次繞組，其輸出的二次電壓U1、U2等供給保護、計量及測量裝置；da-dn為剩余繞組。

根據(jù)電容器分壓原理，中壓Um與高壓Up的關(guān)系式為

Um=UpC1/(C1+C2)

(1)

由電路基礎(chǔ)知，式(1)只有在中壓側(cè)開路或接有高阻抗負(fù)載(如靜電電壓表等)時才成立，即要求運行CVT的二次回路帶有很大負(fù)荷。對于二次回路，電容分壓器相當(dāng)于電壓源，其內(nèi)阻越小，帶負(fù)載能力越高，故設(shè)計在CVT電容分壓器中串聯(lián)一電感(即補償電抗器L2)，理想情況下可實現(xiàn)全補償，即補償電抗器的阻抗ZL2等于電容分壓器感抗的內(nèi)阻Zc。

ZL2=Zc=1/ω(C1+C2)

(2)

實際情況需考慮角差，一般設(shè)計為過補償，即ZL2稍大于Zc。這樣的設(shè)計造成CVT結(jié)構(gòu)中同時存在電容元件和電感元件，電力系統(tǒng)發(fā)生擾動產(chǎn)生的電沖擊或過電壓可能導(dǎo)致CVT出現(xiàn)鐵磁諧振現(xiàn)象，故CVT二次側(cè)的剩余繞組均裝設(shè)有阻尼器，就是利用電感L1和電容C1構(gòu)成工頻下的并聯(lián)諧振回路，并與電阻R1串聯(lián)，吸收多次諧波的能量。

3 缺陷原因分析

因外觀檢查未發(fā)現(xiàn)缺陷CVT的其他部位存在異常，為查明該家庭性缺陷引起CVT電磁單元油箱發(fā)熱的原因，防止同類缺陷再次發(fā)生，對更換下來的缺陷CVT進行了一系列的電氣試驗和解體分析。

絕緣電阻試驗、介損及電容量試驗和阻尼電阻試驗均未發(fā)現(xiàn)異常情況。結(jié)合CVT 紅外測溫檢查現(xiàn)象及電氣試驗看，該缺陷CVT的電容部分完好(含分壓電容)，因此推斷故障發(fā)熱點位于電壓互感器電磁單元。吊起電容分壓器單元后，檢查油箱內(nèi)油位正常，油的微水測試和油色譜分析均正常，待油箱內(nèi)油全部吸干后，發(fā)現(xiàn)電磁單元油箱內(nèi)下部一只阻尼電阻的穿心螺桿與油箱內(nèi)壁非正常接觸，如圖3所示。對照紅外圖譜，發(fā)熱點的中心部位與該非正常接觸部位吻合。

根據(jù)該缺陷CVT發(fā)熱部位和電磁單元接線原理圖，再結(jié)合 CVT 箱體結(jié)構(gòu)圖，得知穿過阻尼器速飽和電抗鐵芯的安裝支架與箱體之間形成了一個非正常的閉合回路。阻尼器的額定工作電壓為CVT的二次剩余繞組輸出電壓，即交流100 V。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，電磁單元阻尼線圈中存在變化的電磁場，此非正常回路因電磁感應(yīng)產(chǎn)生了感應(yīng)電流，示意如圖4所示。因阻尼電阻穿心螺桿與油箱內(nèi)壁的接觸部位電阻大，感應(yīng)電流在此非正常接觸點引起點狀發(fā)熱，原理類似于變壓器鐵芯多點接地造成的環(huán)流發(fā)熱[9]。

圖3 電磁單元油箱解體

圖4 感應(yīng)電流產(chǎn)生

4 缺陷處理

由上節(jié)原因分析可知，該CVT發(fā)熱是非正常回路中感應(yīng)電流引起的，屬于電流致熱型缺陷。根據(jù)DL/T 664-2008《帶電設(shè)備紅外測溫診斷應(yīng)用規(guī)范》，電流致熱型缺陷的溫差不超過15 K均屬于一般缺陷。又構(gòu)成非正常回路的是螺栓、外殼等非主要元件，且經(jīng)廠家試驗驗證，已更換下的缺陷CVT的輸出電壓、阻尼器抑制鐵磁諧振的功能均正常，即該缺陷不影響CVT的正常運行，故暫時不再安排該220 kV變電站4號主變壓器110 kV A相CVT的停電處理工作。

對已更換下的缺陷CVT進行維修，調(diào)整其阻尼器與電磁單元油箱內(nèi)壁之間的間隙，同時在油箱內(nèi)壁和阻尼器之間增加電工絕緣紙，確保運行中不出現(xiàn)發(fā)熱。對新更換上去的備品CVT在停電處理前需每周對其進行紅外測溫跟蹤，并對二次電壓進行監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)缺陷有發(fā)展趨勢或其他異常情況要及時上報。

對在運行的2005年及以前生產(chǎn)的同類CVT，進行了全面紅外測溫普查并統(tǒng)計溫度異常情況，共發(fā)現(xiàn)3臺有相同缺陷的CVT，后結(jié)合停電計劃安排了現(xiàn)場維修。

5 結(jié) 語

目前， CVT 設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)和帶電測試技術(shù)還不太成熟，一般通過綜合采取多種方法，如利用紅外測溫、局部放電測試、絕緣電阻測試、介損及電容測量、油樣試驗等各種手段發(fā)現(xiàn)和分析診斷CVT的異常情況，確定故障原因，在CVT缺陷發(fā)展成為事故之前及時發(fā)現(xiàn)并消除，確保電網(wǎng)完全穩(wěn)定運行。

針對CVT設(shè)備的運行維護，結(jié)合實際工作經(jīng)驗，給出以下建議：

1)為避免CVT的材料、備件質(zhì)量及生產(chǎn)、裝配工藝不合格導(dǎo)致的缺陷，電力公司應(yīng)完善對電力設(shè)備廠家的評價體系，并加強對CVT設(shè)備廠家設(shè)計、制造階段的全過程管控，嚴(yán)把設(shè)備全過程技術(shù)監(jiān)督關(guān)。

2)加強對 CVT 二次電壓及遙測數(shù)據(jù)的監(jiān)視， 當(dāng)相關(guān)裝置的測量、計量數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，運行人員應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)并初步判斷二次電壓異常的原因，以便檢修人員迅速作出應(yīng)急反應(yīng)，選擇合適的診斷方法最終判斷具體原因。

3)積極開展運行CVT帶電檢測技術(shù)應(yīng)用，如紅外線測溫診斷設(shè)備故障具有準(zhǔn)確、實時、快速的特征[10]。運行人員應(yīng)通過定期對 CVT 進行紅外線測溫巡視，在無需停電的情況下及早發(fā)現(xiàn)CVT設(shè)備缺陷，排除事故隱患。