220kV電容式電壓互感器介質損耗異常研究

大唐南京發電廠 劉大源

1 電容式電壓互感器的結構

220kV 電容式電壓互感器常采用疊裝式結構，主要由電容分壓器、電磁單元盒及各個配件組成。圖1所示電容分壓器由上節電容C11、下節電容C12和分壓電容C2串聯組成，每個電容器均采用平底設計，安裝在充滿干燥空氣的鋁箱之上。上節電容C11、下節電容C12串聯構成主電容C1，主電容C1與分壓電容C2串聯構成電容分壓器總電容C。則有式1：C1=(C11×C12)/(C11+C12)；式2：C=(C1×C2)/(C1+C2)。

圖1 220kV 電容式電壓互感器原理圖

電磁單元即中間變壓器T、補償電抗器、諧振電抗器等一系列配套電磁元件。電容式電壓互感器的中間變壓器采用包封繞組式樹脂澆注干式變壓器，充分利用空氣實現變壓器本體的散熱。對于電容式電壓互感器會多一組da、dn 自激繞組端子，用于對其采用自激法測試使用。N 點作為電磁元件和分壓電容C2的公共端，可按照測試需要拆除。

介質損耗和電容試驗是高壓電氣設備預防性試驗必做項目，是測試電氣設備性能的重要試驗之一。介質損耗和電容能夠直接反應絕緣介質的結緣性能。如圖2，絕緣介質可等效為絕緣電阻RJY與電容CJY并聯的等效電路。流過介質的泄露電流由兩部分組成，即流過CJY的電容電流分量IC，流過RJY電流分量IR。通過絕緣的總電流相量I 與其無功分量(電容電流)IC的相角差稱為介質損失角δ，并用其正切值tanδ 來表征絕緣介質的這一性質，tanδ 即介質損耗因數。

圖2 絕緣等值電路圖及向量圖

tanδ=IR/IC=(U／RJY)/(U／ωCJY)、tanδ=IR/IC=UIR/(UIC)=P/Q、P=U2/RJY，其中U 為試驗電壓，P是總介質損耗，Q 是總無功損耗，ω 為角頻率（ω=2πf，f 為工作電源頻率）。對于良好的絕緣介質，P?Q，絕緣介質的介質損耗應當非常小，才具有足夠的絕緣效果。當絕緣絕緣電阻RJY嚴重降低時，會引起介質損耗的增大。電容式電壓互感器的簡化原理圖如圖3所示。電容式電壓互感器需要對主電容C1和分壓電容C2的介質損耗和電容量的測量分別進行測試。根據接線方式分為正接法、反接法和自激法，進行試驗前需要先將分壓電容C2的N 點接線引出。

圖3 電容式電壓互感器簡化原理圖

在正接法測量接線中，對應電容兩端不能接地，測量數值受對地電容影響較小。正接法測量時待測電容一端接加壓線、另一端接標準電容，需要斷開所有的接地刀閘K1、K2。對上節電容C11和整體總電容C 的測試可采用正接法；反接法測量中，待測電容需要一端可靠接地、另一端加壓。反接法測試回路將被試電容與大地構成回路，簡化了測試接線。為了便于電容式電壓互感器采用反接法測量，在C2和中間變壓器的連線間加裝一副接地刀閘K2。在進行反接法前應將接地刀閘K2閉合。

自激法測量，即利用中壓變壓器低壓勵磁提供試驗電壓，通過測試儀器內部轉換開關的切換，將標準電容器Cn分別和C1、C2組成標準電容臂，測量分壓電容C2或主電容C1的介損及電容值。自激法測量時，需從自激繞組端子da、dn 加壓。在測試C2時的升壓過程中，C2與中間變壓器的電感及補償電感可能會產成諧振，一般自激法試驗不能大于2.5kV[1]。

2 故障情況及試驗過程

近期某火力發電廠220kV 升壓站的某220kV 出線開展停電檢修。該線路僅A 相裝設一臺電容式電壓互感器，型號TEMP20050、總電容C5000pF、主電容C15587pF、分壓電容C263454pF。試驗時正值秋雨期，氣溫29℃、大氣濕度80%。因調度工作安排需要，須在陰雨天氣的情況下對該電容式電壓互感器進行停電預防性試驗。根據《DL/T 電力設備預防性試驗規程》和《GB50150電氣設備安裝工程電氣設備交接試驗標準》中對電容式電壓互感器的預防性試驗要求，首先需要對其各元件進行絕緣測試后，然后進行介質損耗和電容量試驗。

首先進行絕緣電阻測試。斷開接地刀閘K1、合上接地刀閘K2，兆歐表采用2500V 檔位測量主電容C1、分壓電容C2絕緣電阻。斷開接地刀閘K2、K1，解除中間變壓器二次接線，兆歐表采用1000V 檔位測量二次端子絕緣電阻。測試結果如下：主電容C1—地2500MΩ、分壓電容C2—地400MΩ、中間變壓器高壓側—地30MΩ、1a&1n—地100MΩ、da&dn—地100MΩ。

由上所示，絕緣電阻基本合格，可對主電容C1、分壓電容C2介質損耗及電容量的測試。測試結果如表1所示。查詢上次試驗結果，試驗方法采用的是反接法。對比兩次試驗結果并折算溫度系數，得到主電容C1和分壓電容C2的絕緣電阻、介質損耗值tanδ和電容量的變化量，如表2所示。由表2可知，該電容式電壓互感器整體絕緣電阻降低，其整體的介質損耗明顯增高。主電容介質損C1的介質損耗與上次測試結果相比高出一倍以上。據此判斷該電容式電壓互感器受大氣濕度影響，試驗結果存在較大偏差。考慮在晴好天氣在進行試驗，并檢查絕緣受潮位置。

表1 電容式電壓互感器介質損耗試驗結果

表2 試驗結果變化量

在第二天氣溫28℃、大氣濕度65%的情況下，再次進行了測試。本次測試以檢查電容式電壓互感器絕緣性能為目標，采用三種方式進行試驗結果對比。絕緣電阻測試數據如下：上節電容C115000MΩ、下節電容C12100MΩ、分壓電容C2200MΩ，介質損耗試驗結果如表3所示。

表3 第一次介質損耗試驗結果

由表3中反接法測試數據，帶入式1、式2，得主電容C1的計算值為5630.0pF、 總電容C 的計算值為5171.9pF。由所測自激法測試數據帶入式2，得主電容C1的計算值為5106.9pF。將表3中反接法測試數據帶入介質損耗計算公式tanδ=(tanδ1C1+tanδ2C2)/C1+C2)，主電容C1介質損耗的計算值為0.056%、總電容C 介質損耗的計算值為0.088%。由表3中數據可知，下節電容C12進行自激法測試數據遠高于反接法測式數值。總電容C的正接法測試介質損耗值相對較高，與上次測量值相比增長了4倍之多。查詢歷史測量方法，多采用反接法進行試驗。與歷史測試值相比反接法測試結果更接近歷史值，自激測試結果存在較大偏差。

3 電容式電壓互感器故障分析

電壓互感器已運行十年，調閱檢修記錄得知其上節電容C11及下節電容C12外部絕緣套管進行過三次RPV 絕緣涂料噴涂。仔細檢查電壓互感器外觀，發現套管表有很多明顯的小凸起。小凸起的端部絕緣材料相對較薄，仔細觀察存在細小裂紋。說明每次噴涂前并未對套管表面進行仔細清灰處理。在主電容C 上下節的連接處存在多處裂紋，有些裂紋被絕緣材料覆蓋的，有些明顯暴露在空氣中。同時，在試驗前已發現在電壓互感器220kV 高壓接線端存在少許絕緣油滲出跡象。介質損耗和電容試驗結束后，絕緣油滲出量明顯增多。試驗進行時正值陰雨天氣。套管表面的雜質和裂紋及絕緣油的滲漏處必然會滲入大量水分。經過協商后，決定于晴好天氣后再次進行試驗。

兩天后雨過天晴，再次進行試驗。首先對該電容式電壓互感器中間變壓器分別進行絕緣電阻測試。測試結果如為：上節電容C11、下節電容C12、分壓電容C2均為10000+MΩ，中間變壓器高壓側—地0.05MΩ、1a&1n—地0.2MΩ、da&dn—地0.1MΩ，顯示在晴好天氣時電容式電壓互感器各電容套管明顯提高，中間變壓器各部位絕緣電阻因前幾日的潮氣滲透明顯降低。再對電容式電壓互感器進行外觀檢查，發現下節底座縫隙處以及電磁元件接線盒內均有明顯的水跡。再次對電容式電壓互感器采用三種方式進行介質損耗和電容試驗（表4）。

表4 第二次介質損耗試驗結果

對比表3和表4數據可知，采用正接法測試所得數據基本不變，說明正接法能夠有效避免雜散電容影響；采用反接法測試數據整體略微減小，說明潮氣會對測試結果造成一些影響，但并不是主要影響；采用自激法的測試數據，介質損耗值明顯增大、電容值基本沒變。因此潮氣對電容式電互感器各電容本身的電容值影響較小，其影響可忽略。

表3中數據為電容式電壓互感器受潮初期，下節電容C12自激測量和主電容C1正接法測量時介質損耗明顯偏高。此時接地刀閘K2打開時a 點處于絕緣狀態，會因水分的影響造成a 點局部介質損耗嚴重增大。在惡劣的運行環境中a 點至中間變壓器之間的絕緣老化，也會對中間變壓器的絕緣性能產成嚴重影響。分壓電容C2、中間變壓器、過電壓保護器、電抗器位于二次接線盒內部，單獨對中間變壓器進行匝間絕緣測試如下：中間變壓器高壓側—1a&1n0.02MΩ、中間變壓器高壓側—da&dn0.02MΩ、1a&1n—da&dn0.5MΩ。

由以上數據可知，中間變壓器內部已存在嚴重的潮氣滲透，內部絕緣嚴重降低。雖然樹脂澆筑干式變壓器本體的故障率相對較低[2]，但隨著潮氣和水分的滲透，中間變壓器絕緣介質表面泄漏電流增大，內部嚴重受潮，介質損耗增大。采用自激法測試時，測試回路和測試儀器內部計算中均包含中間變壓器本體的介質損耗數值，必然導致試驗結果的失真。所以表4數據中主電容C1和分壓電容C2自激法測試介質損耗結果，比陰雨天氣時（表3數據）還要大。在自激法測試前，需對中間變壓器的整體絕緣性能進行測試。如果絕緣測試不合格則不能采用自激法進行試驗。

采用反接法進行試驗時，接地刀閘K2閉合、a點處于接地狀態。采用反接法進行試驗，避免了a點或中間變壓器高壓側的絕緣性能的影響，提高了工作效率。因此介質損耗和電容試驗中應首選反接法。但采用反接法時，會因外絕緣套管的絕緣性能及雜散電容的變化對測試數據造成一定的影響。對于高壓電容式電壓互感器的主電容C1，根據電壓等級會分為多段電容串聯成一體。與a 點不相連的各段電容宜采用正接法測量數據更為真實。為避免外界環境的影響，必要時采用反接法與正接法結合的方式測量，能夠保障數據真實合理，更利于試驗工作的進行。

綜上，進行電容式電壓互感器的介質損耗試驗應當首選反接法，因為此方法能準確反應介質損耗測量值，降低內部接線和電磁單元的影響，提高工作效率。為提高試驗結果的準確性，建議盡量在晴好天氣進行時試驗，并采用反接法與正接法結合的方式測量。