一起110 kV 母线电容式电压互感器二次电压异常分析

2021-05-08毛兴华邹学伟江明杰何建军莫海平

湖南电力 2021年2期

毛兴华，邹学伟，江明杰，何建军，莫海平

(国网湖南省电力有限公司衡阳供电分公司，湖南衡阳421001)

0 引言

电压互感器在电力系统中是实现一、二设备连接的重要纽带，起着监控电网运行、继电保护、计量的重要作用，其运行可靠性关乎电网的安全稳定运行[1]。目前系统中电压互感器应用较为普遍的形式主要有电磁式与电容式 (以下简称CVT)，CVT 因具有优越的性能，被广泛应用在电力系统中。与传统的电磁式电压互感器相比， CVT 能有效抑制铁磁谐振，同时分压电容可以用作耦合电容器以实现通信载波。近年来CVT 受制造工艺、安装水平及运行环境等因素影响故障频发，给整个电网稳定运行带来安全风险[2]。

本文对一起110 kV 母线CVT 二次电压异常故障案例进行分析，并给出了CVT 故障分析及处理相应建议，为现场故障诊断提供技术参考。

1 故障简介

2020 年8 月6 日，通过CVT 计量异常在线监测装置发现某220 kV 变电站110 kV Ⅰ母TV 计量装置异常，该装置于2002 年12 月投运， CVT 型号为TYD110/-0.02H， A、 B、 C 相二次电压分别为60 V、 60 V、 59 V， C 相二次电压低于A、 B 相电压1 V。对该CVT 进行停电试验，结果显示电容量与变比偏大，随即对该母线电压互感器进行了更换，对设备进行解体，并进行故障原因分析。

2 理论分析及停电试验

2.1 C 相二次电压偏低理论分析

CVT 原理如图1 所示，上下节电容串联分压，上节电容为C1、下节电容为C2，每部分电容由多个电容元件串联组成[3]。

图1 电容式电压互感器原理

结合原理图分析， C 相二次电压降低说明极有可能是分压电容器C2上的电压U2降低，而根据分压公式U2的表达式为:

式中， U 为母线相电压。

根据分压公式，若U2电压降低可能是由C2增大所致，而C2是由多个电容元件串联组成，根据电容串联公式，只有当C2串联部分电容元件减小时，总电容C2才会增大[5]。因此，初步怀疑下节电容C2内有电容元件击穿，造成该CVT 变比增大，从而导致C 相二次电压降低。

2.2 停电试验情况

对该CVT 进行了绝缘电阻、介质损耗及电容量、电压比及油中溶解气体分析、油耐压、介损、微水等试验。其中绝缘电阻、介质损耗及电容量、变比试验、油中溶解气体分析数据分别见表1—4。

根据三比值法计算，三比值 (C2H2/C2H4，CH4/H2， C2H4/C2H6) 代码是102，对应的故障类型为电弧放电，说明该CVT 内部存在放电故障。

表1 绝缘电阻试验数据 MΩ

表2 介质损耗及电容量试验数据

表3 变比试验数据

表4 C 相CVT 油中溶解气体分析数据μL/L

通过停电试验数据可以看出，该CVT 的C 相总电容初值差达3.33%，超过要求。而造成总电容偏大的主要原因是下节电容C2明显偏大， C2初值差达8.34%，同时变比较A、 B 相CVT 有显著差别。结合电容量、变比测试及油中溶解气体分析结果，初步判定该CVT 下节电容C2有电容元件被击穿。

3 解体检查分析

3.1 解体检测情况

对该变电站110 kV Ⅰ母电压互感器进行了紧急更换，将CVT 移至高压试验大厅进行解体检查。将外部套管取出，检查内部电容芯子情况，通过检查发现: 上节电容C1共有72 屏电容芯子，下节电容C2共有34 屏电容芯子。使用万用表检查每屏电容芯子两极的导通情况，上节电容C1检测无异常，下节电容C2检测至第30 屏电容芯子时，发现两极之间存在导通情况。

拆除该CVT 电容芯子两侧支撑件，查看下节电容C2第30 屏电容芯子周围情况。通过观察发现C2电容下部有明显的放电击穿痕迹，且C2电容下部外侧有清晰的灼烧现象，灼烧面积覆盖第30—32 屏，如图2—3 所示。

图2 C2电容下部电容芯子

图3 第30、 31 屏电容芯子放电痕迹

对每一屏电容芯子进行拆除，检测电容芯子内部情况，通过图2—3 可以看到该CVT 下节电容C2的第30、 31 屏电容芯子中间发生明显的放电击穿。利用万用表电阻档对每屏电容芯子进行电阻测量，结果显示外观良好的电容芯子其两极电阻无限大，而第30、 31 屏电容芯子其两极电阻分别为295.9 Ω、 369.5 Ω，进一步验证了该电容芯子确已发生击穿现象。

3.2 故障原因分析

1) 通过停电试验数据可以看出， C 相电压互感器1a-1n 绕组的额定变比k1=1 100，而实测变比k2=1 121。后台数据显示该变电站Ⅰ母电压为116 kV，由此计算1a-1n 绕组在额定变比的二次电压为:

1a-1n 绕组实测变比的二次电压为:

这也是C 相二次电压比A、 B 相低1 V 的原因。

2) 由图1 可知， 1a-1n 绕组二次电压U1a1n的表达式为:

式中， kT为中间变压器对1a-1n 绕组的电压比。

电压互感器1a-1n 绕组的变比公式k 为:

根据实测的电容量， C 相与A 相的1a-1n 绕组变比之比Δk 为:

而实测变比之比Δk′为:

通过计算可以看出，实测变比与理论计算变比基本一致(存在一定的仪器测量误差)，故C 相与正常相的电容量偏差是导致C 相变比增大的原因。

下节电容芯子有34 屏，由电容量一致的电容芯子串联组成， A 相C2的总电容量为63 480 pF，根据电容串联公式，其每一屏电容芯子的电容量为63 480×34=2 158 320 pF。通过解体检查发现C 相C2电容第30、 31 屏发生击穿，实际工作电容芯子仅为32 屏，则对应的C 相C2总电容量计算值应为2 158 320÷32=67 447.5 pF，计算的理论数据与实测数据保持一致。进一步说明C 相二次电压比A、B 相低1V 的根本原因是C 相电容式电压互感器下节电容C2两屏电容芯子被击穿。

3) 结合解体检查情况分析，认为故障原因是:

①出厂制造过程中，电容芯子制作工艺不良，第30 屏电容芯子下部极板不平整导致场强局部集中，低能放电，致使绝缘逐渐老化，最终导致第30 屏电容芯子下部击穿放电，并延伸至其他电容芯子。

②通过解体发现C2下部电容芯子上存在少量污秽，油耐压数据为U=29.9 kV，低于规程要求。因此推测此CVT 电容芯子被击穿是由于油内存在污秽微粒，因油流作用附着在下部电容屏上，导致电容芯子两极间绝缘降低，在强电场作用下部分电容屏被击穿。