汪一波

摘要：介紹電容式電壓互感器（capacitor voltage transformer，CVT）的特點(diǎn)，針對目前運(yùn)行中電容式電壓互感器常見故障，提出故障分析判斷的方法。結(jié)合現(xiàn)場案例分析因電容式電壓互感器（CVT）異常而發(fā)現(xiàn)的電容擊穿情況，并依據(jù)工作中CVT二次電壓幅值和波形的運(yùn)行情況，探討了運(yùn)行中CVT后臺(tái)電壓的監(jiān)測及分析方法。

關(guān)鍵詞：電容式電壓互感器;電壓曲線;常見故障判斷

引言

電容式電壓互感器（CVT）與電磁式電壓互感器（PT）相比，具有絕緣強(qiáng)度高、不產(chǎn)生鐵磁諧振、價(jià)格較低、可兼作耦合電容器用于載波通信（PLC）等優(yōu)點(diǎn)，在我國電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。由于電容器元件設(shè)計(jì)場強(qiáng)高于其他電氣設(shè)備，故而容易擊穿，這又使電容量和介質(zhì)損耗增大，二次電壓偏高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致主絕緣擊穿，引起高、中壓電容尤其高壓電容爆炸。電容元件的損壞必然會(huì)影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，主要表現(xiàn)為運(yùn)行中二次電壓異?；蝾A(yù)防性試驗(yàn)中電容分壓器電容量和介損超標(biāo)。為提前發(fā)現(xiàn)或監(jiān)視CVT 的運(yùn)行狀態(tài)，檢修人員對有問題的CVT 進(jìn)行了試驗(yàn)分析和解體檢查并進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)分析，最終得出了一個(gè)CVT故障判斷的參考依據(jù)。

電容式電壓互感器是一種由電容分壓器（由高壓電容C1及中壓電容C2組成）和電磁單元（由中間變壓器、補(bǔ)償電抗器、保護(hù)間隙組成）組成的電壓互感器。通過電容分壓器的分壓，將分壓后得到的中間電壓（13kV）通過中間變壓器降為100/ √3V和100V 的電壓。在正常使用條件下工作時(shí)，電磁單元的二次電壓與加到電容分壓器上的電壓基本成正比，且相位接近于零，具有接地電壓互感器的功能。

1 故障現(xiàn)象

2017年3月2日，調(diào)度監(jiān)控發(fā)現(xiàn)110kV某站110kV1M電壓越限告警（B相采樣），某巡維中心班長立即組織現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)B相電壓（62.4V）比A、C兩相（58V）高出3-4V，不平衡度達(dá)6.8%，且紅外測溫B相（33.5度）整體較A、C相高出兩度（31.6度）（電壓型致熱），而10kV 1M51PT三相電壓平衡，證明電壓偏高為B相互感器自身原因。后現(xiàn)場測量該組PT開口三角形電壓達(dá)5V。后緊急申請停電試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)B相電容量（31400pF）較上次測量值（29370pF）高7%（超出廠家要求的5%）。

結(jié)合停電試驗(yàn)結(jié)果，基本可以判定為電容分壓單元的高壓臂電容發(fā)生擊穿，導(dǎo)致二次輸出電壓升高。該設(shè)備為桂林電力電容器總廠2002年產(chǎn)的電容式電壓互感器，運(yùn)行年限為15年。

2 故障情況及現(xiàn)象分析

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)初步判定為電容分壓單元的高壓臂電容發(fā)生擊穿，為進(jìn)一步驗(yàn)證故障的原因。將CVT進(jìn)行了解體。設(shè)備解體檢查情況如下：

1）電容分壓單元與電磁單元間存在滲漏，導(dǎo)致電容分壓單元油位降低;

2）電容分壓單元存在絕緣油電解現(xiàn)象，高壓臂電容芯子被擊穿，絕緣紙電解、碳化，絕緣油污染嚴(yán)重;

3）電磁單元各零部件未見異常。

因此根據(jù)該電容式電壓互感器故障表象、試驗(yàn)結(jié)果及解體檢查情況，可以判定故障原因?yàn)椋?/p>

4）電容分壓單元與電磁單元間密封失效，存在滲漏油現(xiàn)象，電容分壓單元油位降低，露出頂部電容芯子，在強(qiáng)電場下產(chǎn)生電解效應(yīng)，析出雜質(zhì)，絕緣油劣化;

5）雜質(zhì)進(jìn)入絕緣油后附著在電容芯子上，在絕緣薄弱處導(dǎo)致電容芯子放電，進(jìn)一步污染絕緣油，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致電容芯子擊穿。

3 故障分析判斷方法的研究

由于CVT是全密封設(shè)備，除發(fā)生滲漏油、異常聲響等較易發(fā)現(xiàn)，其他故障一般不易直觀發(fā)現(xiàn)，必須采取一定的技術(shù)手段才能發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)的異常情況。

1）紅外測溫

值班員和檢修人員例行巡檢和常規(guī)高壓試驗(yàn)方法不能有效地發(fā)現(xiàn)此類故障。定期開展紅外檢測對預(yù)知此類異常有很大幫助。因?yàn)榻^緣破壞前期都伴隨著熱量產(chǎn)生和持續(xù)，用紅外檢測能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備過熱性和潛伏性故障。由于CVT為高阻抗接地，通常情況下制熱原因?yàn)殡妷盒椭茻帷?/p>

油浸式電壓互感器熱像特征：以整體溫升偏高，且中上部溫度大。

故障特征：介質(zhì)損耗偏大、匝間短路或鐵芯損耗增大

處理意見：進(jìn)行介質(zhì)損耗、空載、油色譜及油中含水量測量

紅外測溫B相（33.5度）整體較A、C相高出兩度（31.6度）（環(huán)境溫度約為22度）

2）油位觀察

若電磁單元滿油 則有可能存在電容分壓部分漏油

我們認(rèn)為造成此電壓互感器內(nèi)部漏油的原因是電容分壓器底部低壓端子連接處導(dǎo)桿螺絲松動(dòng)， 密封面傾斜， 密封不嚴(yán)， 因此導(dǎo)致電容分壓器內(nèi)部缺油所致。少油的元件內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)局部放電， 長期的放電可能使介質(zhì)內(nèi)部參與的油劣化， 出現(xiàn)部分導(dǎo)電微粒， 這就是電容分壓器局部發(fā)熱的主要原因。

3）Tan值

電介質(zhì)的tan δ值稱為介質(zhì)損耗因數(shù)，表征的是電介質(zhì)中流過電流的有功分量和無功分量的比值。介質(zhì)是絕緣試驗(yàn)的主要項(xiàng)目之一。它在發(fā)現(xiàn)絕緣受潮、老化等分布性缺陷方面比較靈敏有效。在交流電壓的作用下，通過絕緣介質(zhì)的電流包括有功分量和無功分量，有功分量產(chǎn)生介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗在電壓頻率一定的情況下，與tan δ成正比。對于良好的絕緣介質(zhì)，通過電流的有功分量很小，介質(zhì)損耗也很小，tan δ很小，反之則增大因此通過介質(zhì)損失角正切值的測量就可以判斷絕緣介質(zhì)的狀態(tài)。

絕緣介質(zhì)在電壓作用下都有能量損耗，如果損耗較大，會(huì)使介質(zhì)溫度不斷上升，促使材料發(fā)熱老化以至損壞，從而喪失絕緣性能而擊穿。因此介質(zhì)損失角正切值（tan δ）的大小對判斷介質(zhì)的絕緣狀況有很大意義。

4）油色譜分析

根據(jù)DLT722，220kV及以下互感器油中溶解氣體含量（LルL）不應(yīng)超過下列數(shù)值：

CVT 一般為組合式單柱結(jié)構(gòu)， 上半部為電容式，下半部電磁裝置。因此，影響CVT正常運(yùn)行的常見故障有電磁單元故障和電容單元故障兩類。

如果是高溫過熱，將產(chǎn)生少量乙炔，如發(fā)生放電型故障，則產(chǎn)生大量乙炔。氫氣時(shí)油中發(fā)生放電分解的氣體，但其產(chǎn)生不完全時(shí)放電引起的，在伴隨氫氣含量超標(biāo)時(shí)，同時(shí)一氧化碳、二氧化碳含量較大，則可能是固體絕緣受潮后加速老化的后果。局部放電、過熱等潛伏性故障均會(huì)使絕緣油分解出不同的烴類氣體，故障涉及固體絕緣，又會(huì)產(chǎn)生CO、CO2 氣體，逐漸溶解在油中形成油中溶解氣體，氣體的含量和組成與故障的性質(zhì)和嚴(yán)重程度密切相關(guān)。通過絕緣油中溶解氣體的色譜試驗(yàn)可以有效分析互感器內(nèi)放電性故障、過熱故障。

5）二次電壓監(jiān)測

但是根據(jù)CVT的工作特點(diǎn)可知，其本身是計(jì)量器具，二次電壓的幅值、相位和波形能反映出設(shè)備本身的運(yùn)行狀況。實(shí)際運(yùn)行中可利用此，注意監(jiān)視，選定合理的比照對象，從而可以較早地發(fā)現(xiàn)CVT的異常情況。

高壓電容為C1等于單個(gè)電容C除以匝數(shù)N 即：

若高壓臂電容發(fā)生擊穿，則N減小，C1增大，由于電容芯子為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，電容兩側(cè)電量相等，可得：

可得：

由上式可知，電容擊穿會(huì)導(dǎo)致二次電壓升高。

1）電容單元擊穿個(gè)數(shù)與電容量變化關(guān)系

若擊穿1個(gè)電容芯子，則，電容變化率，當(dāng)n=80時(shí)為0.0127，根據(jù)故障電壓互感器停電試驗(yàn)實(shí)測電容量變化率，可知擊穿電容芯子個(gè)數(shù)大約為，結(jié)和高壓臂內(nèi)絕像油劣化導(dǎo)致電容量降低效應(yīng)，可認(rèn)為擊穿5個(gè)電容電容單元

2）電容擊穿個(gè)數(shù)與電壓變化關(guān)系根據(jù)上述分析及現(xiàn)場實(shí)測電壓，可認(rèn)為：，擊穿5層電容子后，代入可得代入可得：基本與現(xiàn)場實(shí)測二次電壓62.4V相符合。

因?yàn)樨?fù)荷影響出現(xiàn)的一次電壓波動(dòng)，往往從100%～110%都有可能，但一般來說，A、B、C三相因負(fù)荷影響的電壓波動(dòng)會(huì)相對同步，因此，相間差不會(huì)這么大，限值5%應(yīng)該是可以的。關(guān)鍵是如果電容元件擊穿，造成的影響是單向變動(dòng)，不會(huì)恢復(fù)，因此，如果相間差持續(xù)增大，就有可能發(fā)現(xiàn)故障。

系統(tǒng)波動(dòng)導(dǎo)致電壓越上限

該站調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)母線電壓告警值設(shè)置電壓上限報(bào)警值設(shè)置為117.7是為了躲避躲避電壓波動(dòng)，但是三相電壓波動(dòng)往往是同步，由上圖可知，117.7這個(gè)值對于單相來說并不是一個(gè)安全值。因此可以設(shè)置一個(gè)程序來判斷電壓波動(dòng)是三相同時(shí)變化還是某相或者某兩項(xiàng)的變化，然后在結(jié)合計(jì)算三相相間差來實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的報(bào)警。

結(jié)論

由于CVT 設(shè)備的特殊性，筆者結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，簡單介紹采用油位觀察、紅外測溫、二次電壓監(jiān)測、油色譜、介損和電容容量等判斷手段，對電容式電壓互感器故障進(jìn)行分析，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，有利于設(shè)備故障的早發(fā)現(xiàn)。