35kV电容式电压互感器电磁单元发热故障分析

2013-10-11吴冬文

江西电力 2013年2期

梁静，吴冬文

（江西省电力公司检修分公司，江西南昌 330029）

0 引言

电容式电压互感器（CVT）是用来将高电压按比例关系变换成标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用的电气设备。如果电压互感器存在故障，不但无法起到测量、保护作用，还可能会影响其他设备的运行，引发事故。因此，电压互感器能否可靠运行，是关系到电力系统安全运行的一项重要因素。

35 kV电容式电压互感器是500 kV主变压器过电压继电保护不可缺少重要设备。500 kV变压器低压侧母线连接有较多的无功补偿设备，在投切设备过程中，母线可产生较大过电压，往往导致与之相连的电压互感器二次阻尼器元件损坏，进而阻尼器工频谐振条件破坏，从而电气发热使阻尼器所处的互感器电磁单元温度异常。

对运行中的电容式电压互感器进行精确红外诊断是电力设备状态评估和带电诊断行之有效的技术手段和重要方法。电力设备的红外诊断工作具有不停电、不取样、不接触、直观、准确、灵敏度高及应用范围广等优点，可以准确地判断设备内部故障，对保证电网安全运行和提高设备运行可靠率有重要作用[1]。

在迎峰度夏大负荷期间江西省电力公司检修分公司技术人员对所辖变电一次设备进行特巡，通过红外精确测温技术发现并及时处置了一起35 kV电容式电压互感器电磁单元发热故障。

1 故障情况

2012年8 月，在红外测温巡检中发现500 kV梦山变电站2号主变35 kV侧A相电磁单元过热（最高温度A相：36.65℃，B相：28.97℃，C相：28.77℃，环境温度：21℃，湿度：65%），设备型号：TYD35√3-0.02FH。详细图谱见图1。

图1 35 k VCVT电磁单元发热红外图谱

现场对35 kV电压互感器外观及油箱油位进行了停电检查，A相无明显放电痕迹，且油位正常。对2号主变压器低压侧电压和避雷器泄露电流及动作情况也进行检测，除A相二次电压值轻微增大外，其它无异常情况，由此可表明系统的一次电压并无异常，其具体数据见表1。

表1 2号主变35 k V侧母线电压值和避雷器泄露电流

2 35 kV电容式电压互感器母线电压分析

在超高压、大容量的电网中安装一定数量的无功补偿装置（包括并联电抗器和电容器组），其目的：一是补偿容性充电功率；二是在轻负荷时吸收无功功率，控制无功潮流，稳定电网的运行电压[2]。500 kV梦山变电站2号主变35 kV侧母线集中连接的无功补偿设备有干式电抗器2-1L、2-2L和电容器组2-1C，见图2。根据系统无功补偿的需要，可有选择地投切电抗器或电容器，但由于无功设备的伏安特性曲线的非线性因素，断路器在投切瞬间，并非出线在电流自然过零点瞬间，因此35 kV II母线将产生操作过电压，此操作过电压会对电容式电压互感器内部元件造成损坏。

图2 2号主变35 k V侧母线一次设备接线

3 35 kV电容式电压互感器电气原理分析

3.1 电容式电压互感器工作原理及等值电路

电容式电压互感器是利用电容串联分压的原理来实现电压变换，即将高压施加于几个串联的电容上，从其中一个电容抽取较低电压，然后利用中间变压器来实现高压与低压间的电气隔离，见图3。

图3 CVT的电气工作原理

图3为CVT的电气工作原理，其主要元件有电容单元（C1、C2）、补偿电抗器L、中间电磁式变压器T及阻尼器ZD等。由于两个电容为串联，所以两个电容上的电压总和等于电源电压，即：

根据电路理论有：

因此，图3中δ点的电压为，运行中的电压互感器分压电容器C2两端可以看成一个有源二端口，利用戴维南等效定理，可等效成电路图4、5。

图4 戴维南等效定理

图5 CVT等效电路

在图5中，电路的等效电源为UC2，电源内阻抗为：

中间变压器漏抗中的感抗为，由于漏抗分量电阻抗较小，可忽略其影响。为了减少接入负荷时在电源内阻抗和中间变压器漏抗中产生压降而形成电压误差，通常在中间变压器一次侧串联一补偿电抗L，其电抗值为，引入补偿电抗器后，能有效地减少互感器的误差，见式（4），此时回路的感抗基本上等于容抗。

正常运行状态下，中间变压器T处于非饱和线性伏安特性下，励磁阻抗较大，此时在电路中励磁支路可以忽略为开路，并且负载阻抗远大于励磁阻抗，因此负载也为开路。当系统电压受操作过电压的影响，可使得中间变压器铁心饱和，此时中间变压器处于非线性伏安特性曲线范围内，励磁阻抗迅速下降，此时可能出现频率较低的分频或高频形成等效回路中容抗等于或接近于感抗情况，即，此时电路处于串联谐振或接近串联谐振状况。在谐振条件下，回路中的电流和在中间变压器T的电压都将异常增大，将使电压互感器严重受损甚至烧毁[3-5]。

3.2 消谐措施

为有效消除谐振，最有效的方法就是在互感器二次剩余绕组并联接入一阻尼器ZD，如图3所示。将其等值阻抗折算到中间变压器的一次侧，则阻抗为，见图5虚线部分。由于阻尼电阻与励磁变压器并联，且相对于励磁电抗很小，并联回路中阻尼起主要作用，能有效逆抑制铁磁谐振的发生，但条件是中间变压器伏安特性曲线的拐点应高于CVT二次侧阻尼器伏安特性曲线的拐点，避免在过电压下，中间变压器先于阻尼器饱和形成谐振条件，失去阻尼器的阻尼作用[6-8]。

常见的阻尼器由产生并联谐振的电容器C和电抗器L并联后再串联电阻R组成，见图6。正常运行时，电感L、电容C在工频电压下处于并联谐振状态下而呈高阻抗，但当系统出现操作过电压时，电流分频或高频分量较大，回路并联谐振条件破坏，则电流剧增，流过电阻R的电流增大，消耗较大功率，可以有效阻止谐振的发生。

图6 阻尼器等效电路

4 电磁单元发热故障分析

如前所述，阻尼器是电容式电压互感器内部电路中防止串联回路中分频谐振或高频谐振必不可少的重要元件，但如果互感器运行电压出现较大的操作过电压时，电压的峰值可击穿阻尼器单元中的电容元件C，使得阻尼电路中电抗L、电容C并联工频谐振条件破坏，阻尼器流过的工频电流剧增。

从而使得电磁单元温度升高。可以采用合适的电路检测阻尼器的谐振电流来判断各元件的完好性，因互感器的阻尼器和二次剩余绕组并联于电磁单元油箱中，检测谐振电流的方法必须打开互感器下部电磁单元油箱，采用图7电路进行谐振电流测量。由于阻尼器的额定工作电压即为互感器的二次剩余绕组输出电压，为交流100 V，因此可直接使用滑刷式220/250 V型调压器TR进行变压，测量出电容元件故障时阻尼器伏安特性曲线电流值随电压增加而迅速增大，额定电压交流100 V值时电流达6.3A。更换合格的电容元件后，阻尼器伏安特性曲线电流值随电压增加而增速平缓，形成明显并联谐振电路特性，额定电压交流100 V值时电流为0.32 A，见图8。阻尼器电阻元件R的阻值为10Ω，因此阻尼器电容元件故障后回路电流过大使得电阻元件异常发热，是造成CVT电磁单元过热的主要原因。更换合格的电容元件后（图9），电压互感器运行正常。