電容式電壓互感器電磁單元異常發熱故障分析

黃海飛，許家響，王 靜，范小輝，朱旻哲

(國網江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

電壓互感器的主要功能是將較高的一次電壓轉變為低電壓以供保護、計量以及自動裝置等使用,是變電站內的重要設備。

電壓互感器在結構上主要分為電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器。與電磁式電壓互感器相比,電容式電壓互感器(capacitor voltage transformer,CVT)因具有結構合理、電場強度裕度大、不易形成鐵磁諧振等優點,在110 kV及以上的電網中得到了大量應用。但由于在設計制造、工藝材料、運行環境等方面的原因,隨著運行時間的增加,近年來,電容式電壓互感器的故障率一直居高不下。

以蘇州某變電站電容式電壓互感器電磁單元異常發熱故障為例,分析故障原因并提出預防措施,為這類CVT缺陷的處理與預防提供了經驗,同時對提高CVT運行可靠性和保證電網的安全運行起到了重要作用。

1 故障描述

2020年6 月,蘇州某220 kV變電站運維班運行人員在紅外測溫巡檢中發現1107正母電壓互感器C相電磁單元存在發熱現象,C相電磁單元最高溫度為27.1 ℃,A相電磁單元最高溫度為24.0 ℃,B相電磁單元最高溫度為24.3 ℃,C相較A、B兩相電磁單元的溫度高約3 ℃左右,電容單元溫度無異常。

該1107正母CVT的型號為TYD4110/3-0.02H,銘牌電容量為0.020288 μF,額定電壓為/0.1 kV,出廠日期為2011年3月,投運日期為2012年11月。

專業人員現場對1107正母CVT的外觀進行了檢查,發現三相電磁單元的油位基本一致,絕緣油無滲漏現象；三相套管無明顯放電痕跡,一次接線正常；1107正母避雷器在線監測表電流基本一致,計數器動作次數與上次試驗數據一致,未發生改變；在變電站控制室內發現三相監測電壓基本一致,測量相關二次回路的節點電壓值,也未發現異常。基于上述情況,專業人員分析此次發熱故障的時間不長,但如若不及時處理可能導致CVT內部絕緣擊穿,嚴重時可能發生油箱燒毀等事故,因此申請對1107正母CVT進行停電更換處理。

2 故障分析

2.1 電容式電壓互感器的基本結構

電容式電壓互感器為單相單柱式結構,由電容單元和電磁單元兩部分組成,如圖1所示。其中,電容單元由高壓電容C1和中壓電容C2串聯組成,電磁單元由中間變壓器T、補償電抗器L、補償電抗器低壓端E、電容分壓器低壓端N、抑制鐵磁諧振的阻尼器ZD、避雷器BL等部分組成,電磁單元從中壓電容C2獲取中間電壓U2,再由中間變壓器轉換為測量和保護用的二次電壓。

圖1 110 kV電容式電壓互感器結構原理

當高壓側運行相電壓為U1時,中間變壓器一次側電壓U2為：

2.2 診斷性試驗

停電狀態下,對1107正母C相CVT進行了診斷性試驗,試驗項目包括絕緣電阻試驗、電容量和介質損耗因數試驗,試驗結果見表1。

表1 試驗數據

C相CVT總的電容量(高壓電容C1和中壓電容C2串聯)為20096.0 pF,與銘牌電容量20288 pF的誤差為-0.95 %。根據Q/GDW 1168—2013《輸變電設備狀態檢修試驗規程》,表1中的試驗數據均滿足規程要求,未發現異常。由于此臺CVT電磁單元部分存在溫度過高現象,為進一步分析原因,對電磁單元絕緣油的油樣進行測試分析,測試結果見表2。

表2 絕緣油色譜分析數據 μL/L

根據表2中特征氣體組分和含量判斷,絕緣油中H2,C2H2和總烴含量超標,表明電磁單元內部發生過高能量放電現象。根據三比值法判斷,編碼組合為200,可能為電弧放電。

3 故障設備解體檢查

為進一步驗證試驗結論,公司組織相關專家和技術人員對1107正母C相CVT進行了解體檢查。在將電容單元吊起之后,發現電磁單元中間變壓器與電容單元之間的連接線過長,發生與中壓小套管接觸的情況,中壓小套管表面有明顯的放電痕跡,與中壓小套管接觸處的連接線外層絕緣皮已經燒毀,但連接線尚未斷裂。在吊起電容單元的同時,電磁單元油箱中沖出刺鼻和刺眼的氣體,打開電磁單元油箱箱蓋,發現絕緣油顏色黯淡無光,略顯渾濁,并伴有少許黑色碳化顆粒。抽出電磁單元中的絕緣油之后,觀察中間變壓器,除一次引線外,其鐵芯表面及二次引線等部位并無異常。

根據解體情況進行分析,由于電磁單元中間變壓器與電容單元之間的連接線過長,在進行安裝時其本身已經發生了彎折現象,導致連接線外層絕緣皮受損,其絕緣能力已經受到一定程度的破壞。安裝后,過長的連接線與中壓小套管發生接觸,經過長時間的運行,在電場和磁場的綜合作用下,連接線外層絕緣皮的絕緣情況進一步惡化,當其絕緣程度無法承受連接線與中壓小套管接地法蘭之間的電位差時,便發生了放電現象。放電進一步導致其絕緣皮劣化,以致發生燒毀現象。同時,放電導致油箱內絕緣油劣變,產生熱量以及特征氣體,熱量傳遞至油箱表面,運行人員通過紅外檢測儀器觀測到電磁單元存在發熱異常現象,這與絕緣油色譜分析的結果基本吻合。

4 預防措施及建議

基于上述對CVT油箱異常發熱現象的分析與處理,為確保CVT設備的安全可靠運行,提出以下幾點建議。

(1) 加強該類設備的巡視工作,重點關注設備是否存在異常振動、異常響聲或異味、有無滲漏油等現象；按照規程要求定期開展紅外測溫工作,觀測其是否存在異常發熱現象。

(2) 建議設備制造廠家改進和完善制造工藝,采用性能更好的原材料,以有效加強電磁單元中電氣連接部分的絕緣強度,使電氣連接線對油箱壁及其他元器件之間保持足夠的安全距離；加強設備制造過程中的監造工作,嚴格進行出廠驗收工作,確保出廠時的設備狀態完好。

(3) 設備投運前應進行嚴格的驗收工作,認真進行現場實地查看,并詳細驗收出廠試驗報告、設計圖紙、安裝記錄、交接試驗報告、監理報告等技術資料,確保設備的狀態良好。

(4) 在周期性停電工作中,試驗專業人員應認真做好例行試驗,將試驗數據與歷史試驗數據、出廠試驗數據和規程要求進行比較,綜合分析,準確判斷設備的狀態。