一起電容式電壓互感器二次電壓異常升高故障分析

國網河南省電力公司新鄉供電公司 劉 東

電容式電壓互感器在實際運行中經常會出現一些問題，如電容分壓器內部元件損壞、電磁單元受潮引起內部變壓器短路等，這些故障將引起電壓互感器二次電壓異常，甚至會造成變電站母線失壓的嚴重后果，對電網的安全穩定運行構成威脅。本文介紹了一起110kV 電容式電壓互感器電容分壓器內部電容元件擊穿導致的二次電壓異常升高的故障診斷分析。

1 電容式電壓互感器工作原理

電容式電壓互感器主要由電容分壓器和電磁單元兩部分組成，其結構原理圖如圖1所示。

圖1 電容式電壓互感器結構原理圖

其中，C1、C2組成電容分壓器，C1為高壓電容，首端接電網一次側高電壓，C2為中壓電容，末端一般接地。虛線框中為電磁單元，其由中間變壓器T、補償電抗器L 及限壓裝置F、阻尼器Z 等組成。1a、1n與2a、2n 均為主二次繞組，da、dn 為輔助二次繞組。電容式電壓互感器通過電容分壓器及變壓器兩級降壓，將一次側高電壓變為二次側低電壓，供測量和保護用。

由圖1可知，電容式電壓互感器二次電壓值的異常既與電容分壓單器有關，又與電磁單元有關。為確定故障原因，須綜合采用紅外測溫、停電試驗等多種手段分別對電容分壓器和電磁單元進行檢測分析[1]。

2 故障概況

2021年5月22日，檢修人員在停電檢修前對某變電站設備進行專業化巡視與現場勘察，發現后臺監控D5000系統上110kV 西母電壓互感器B 相二次電壓較A、C 兩相異常升高，異常設備概況見表1。

表1 異常設備概況

3 故障原因分析及防范措施

3.1 現場檢查試驗

現場人員立即對該設備進行紅外精確測溫，發現B 相電容式電壓互感器電容分壓器存在發熱現象，詳細測溫數據見表2。

表2 110kV 西母電容式電壓互感器紅外測溫數據

通過表2橫向對比可見，B 相電容式電壓互感器電容分壓器熱點位置與其余兩相最大溫差為2.1℃。根據規定，當熱點位置與正常部位橫向對比溫差達2℃時，可判定該設備內部存在缺陷，且為電壓致熱型缺陷[2]。

現場檢修試驗人員立即匯報情況申請停電，對該設備開展停電檢查試驗。試驗中，該電容式電壓互感器電磁單元的變壓器一次繞組、二次繞組絕緣電阻、直流電阻試驗均未見異常。因電磁單元完全密封無法取油樣，未對內部變壓器油進行油色譜分析。在對電容分壓器進行試驗時，發現其介質損耗因數及電容量試驗項目嚴重超標，相關試驗數據見表3。

表3 110kV 西母B 相電容式電壓互感器介質損耗因數及電容量測試試驗數據

由表3試驗數據可見，B 相電容式電壓互感器高壓電容C1介質損耗因數達到0.67%，超標明顯（介質損耗因數標準為≤0.25%），電容量初值差為3.8%，亦超過警示值（電容量誤差警示值為±2%）[3]。

試驗人員進一步查詢歷史試驗數據，2015年1月13日該設備曾進行停電例行試驗，相關試驗數據見表4。

表4 110kV 西母B 相電容式電壓互感器歷史試驗數據

對比2015年例行試驗數據可見，B 相電容式電壓互感器高壓電容C1介質損耗因數及電容量試驗數據均有明顯增長。

經反復試驗，排除干擾因素等，數據未有明顯好轉，判斷為B 相電容式電壓互感器上節高壓電容C1存在內部故障，初步判斷可能原因為部分電容元件之間存在絕緣受潮或放電缺陷，造成部分電容元件之間短路擊穿，從而出現電容量增大和介損超標，該故障進一步引發電容分壓器發熱及電容式電壓互感器二次電壓異常升高。檢修人員立即對故障設備進行了更換。

3.2 設備解體檢查

為徹底查清電容式電壓互感器二次電壓異常的原因，檢修試驗人員對故障設備進行了解體檢查。

首先解體電磁單元，因前期檢查將設備故障定位在電容分壓器，故未對電磁單元做詳細檢查，僅取變壓器油樣做油色譜分析，其檢測結果亦未見異常。

然后解體檢查電容分壓器。放出內部絕緣油，對絕緣油進行外觀檢查，油質發黃，顏色略深，未見明顯沉淀物。拆除上端蓋，拆下上端蓋內部與電容分壓器頂部電容元件相連的引線，檢查引線接線端子及引線外絕緣外觀良好，未見放電痕跡等異常，引線兩側接線端子螺栓緊固良好。拆除電容分壓器外瓷套下部法蘭，吊離瓷套，露出電容分壓器本體（如圖2所示）。

圖2 電容元件連接片周圍放電燒蝕

對電容分壓器本體進行外觀檢查，其頂部金屬膨脹器完好無破損，伸縮正常，膨脹器片間未見沉淀物及放電痕跡，固定用木質支架牢固無偏斜，橫向扎帶綁扎牢固無異常。該電容分壓器整體上分為高壓電容C1的4個包共計48個電容元件，中壓電容C2的1個包共計12個電容元件，各電容元件及其之間的連接片排列相對整齊無偏斜破損劃傷等，整體外觀檢查未見明顯放電痕跡等異常。

隨后檢修試驗人員按照高壓試驗的初步判斷結果，繼續對高壓電容C1的4個包48個電容元件進行進一步解體，并對每個電容元件依次進行絕緣電阻測試，發現第39個與第40個電容元件有擊穿，絕緣電阻為零，其余元件測試無異常。對中壓電容C2的1個包12個電容元件解體并測試絕緣電阻，結果無異常。檢修人員對擊穿的第39個與第40個電容元件進行展開解剖，發現這兩個電容元件連接片周圍數層電容極存在大量炭黑，放電痕跡明顯，尤其是第39個電容元件與連接片接觸的電容層處存在劃痕及連接片鋁箔矩形樣放電燒蝕痕跡（如圖2所示），至此本次設備故障部位徹底查清。

3.3 故障原因分析

根據故障設備現場試驗及解體檢查情況，分析造成電容式電壓互感器二次電壓異常升高的原因如下。

一是電容分壓器內的電容元件之間的引線連接片存在制造工藝不良的問題，其邊緣在加工時存在毛刺或比較鋒利，電容式電壓互感器的部件在廠內組裝或運輸過程中存在振動或搖晃，在此作用下，電容元件間的引線連接片與電容元件薄膜之間產生相對位移，薄膜被劃傷，從而造成電容元件絕緣破損。

二是單個電容元件僅有兩層薄膜絕緣，薄而柔軟，當插入厚而堅硬的引線片再進行整體壓緊固定后，引起局部場強畸變，投入運行后在高電壓作用下，使絕緣破損部位產生局部放電，在積累效應下由弱到強，逐漸導致電容元件擊穿。

三是單個電容元件擊穿使剩余的正常電容元件承受更高的工作電壓，且擊穿過程中釋放的能量與物質使故障部位周圍的電容元件運行工況更加惡劣，先于其他部位元件放電擊穿。同時，因該故障發現及時，放電產生的物質較少，僅造成絕緣油顏色略深而無明顯沉淀物。

四是高壓電容C1部分電容元件擊穿短路后，C1電容量增大，使中間變壓器T 獲得的一次電壓升高，在變壓器變比不變時，造成電容式電壓互感器二次電壓異常升高。

3.4 防范及改進措施

一是加強二次電壓監測巡視。目前，電容式電壓互感器在線監測手段有限，由于各種原因，介損和電容量在線監測技術并未在電力系統中大規模應用。而基于電壓互感器自身工作原理的二次電壓監測既能夠監測電網系統電壓，又能夠反映互感器自身工作狀態。已有研究證明，二次電壓的監測對發現電容式電壓互感器設備內部缺陷，比電容量和介損在線監測具有更好的靈敏度。因此，運維人員應加強對電容式電壓互感器二次電壓監測的日常巡視及值班管理，如發現異常情況及時匯報處理。

二是加強紅外測溫巡視。當設備存在電壓致熱型缺陷時，開展紅外測溫時一般絕對溫度不高，此時應注意加強三相設備及同型號設備數據的橫向對比，即使絕對溫升合格，但相間溫差超標時仍需引起足夠重視。本次故障后立即安排了運維檢修人員對故障電容式電壓互感器的同廠同型設備開展精確紅外測溫隱患排查，拍照建檔留痕。

三是督促生產廠家改進生產工藝。首先對容易引起局部場強畸變的電容元件連接片的加工工藝進行改良升級，采取減小連接片厚度，進行圓倒角處理，對連接片邊緣進行打磨拋光或采用卷邊工藝等措施，使局部場強更加均勻，并減少金屬連接片對電容元件薄膜的機械傷害，從而降低局部放電發生概率。其次加強廠內設備部件的組裝與運輸管理，關鍵部件綁緊壓實再運輸或減少搬運頻次，從而降低部件產生相對位移概率。三是加強出廠試驗項目尤其是局部放電試驗的監督落實。

4 結語

本文對某變電站電容式電壓互感器二次電壓異常升高進行分析，通過高壓試驗及解體檢查等方法找出了造成該故障的具體原因，并提出了相應的電力設備制造工藝及設備運維方面的防范改進措施，為電容式電壓互感器故障處理及技術進步提供有效的指導，有利于保證電力系統的安全可靠運行。