王光明, 楊育京, 牛建鴻, 曾慶忠, 嚴(yán) 新

西安西電高壓開(kāi)關(guān)有限責(zé)任公司 西安 710018

1 電壓互感器概述

在電力工業(yè)中,氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備將一座變電站中除變壓器以外的一次設(shè)備,經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后有機(jī)地組合成一個(gè)整體[1-2],這些一次設(shè)備包括斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、電纜終端、進(jìn)出線套管等。

電壓互感器是氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備中必不可少的關(guān)鍵元件,作為變電站日常運(yùn)行中專(zhuān)門(mén)用作電壓變換的特種變壓器,可以將電力系統(tǒng)中的高電壓按比例關(guān)系變換為標(biāo)準(zhǔn)二次電壓,從而提供實(shí)時(shí)電壓檢測(cè)值,供電力系統(tǒng)電氣測(cè)量和電氣保護(hù)使用[3-5]。

電壓互感器同時(shí)也是發(fā)電廠、變電所等輸電和供電系統(tǒng)中不可缺少的檢測(cè)元件,隨著我國(guó)電力事業(yè)的蓬勃發(fā)展,電壓互感器的性能要求越來(lái)越高。如果電壓互感器的絕緣在運(yùn)行中發(fā)生故障,將引起電壓互感器放電,造成一次或二次線圈擊穿,引發(fā)繼電保護(hù)動(dòng)作,使電壓互感器退出運(yùn)行,并使電力線路停運(yùn)[6-13]。

2 工作原理

電壓互感器在正常工作條件下,其二次電壓實(shí)際上與一次電壓成正比。當(dāng)連接方向正確時(shí),電壓互感器二次電壓對(duì)一次電壓的相位差接近于零。電壓互感器的一次線圈并聯(lián)于電力線路,線路中的電壓就是電壓互感器的一次電壓。電壓互感器二次線圈外部回路接有測(cè)量?jī)x器儀表、繼電保護(hù)設(shè)備、自動(dòng)控制裝置等。電壓互感器工作原理如圖1所示[14]。

根據(jù)電力線路的電壓等級(jí),電壓互感器的一次、二次線圈之間需要設(shè)置足夠的絕緣,以保證所有低壓設(shè)備與高電壓之間實(shí)現(xiàn)隔離。

3 放電類(lèi)型

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及筆者公司生產(chǎn)電壓互感器多年以來(lái)的經(jīng)驗(yàn),總結(jié)電壓互感器常見(jiàn)的放電類(lèi)型,并對(duì)其誘因進(jìn)行分析。

圖1 電壓互感器工作原理

3.1 油類(lèi)污染引起放電

電壓互感器在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí),由于抽真空處理過(guò)程中未嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行,導(dǎo)致真空泵油倒流,進(jìn)入電壓互感器氣室之中,使氣室之中屏蔽罩、電壓互感器線圈等沾染油污。運(yùn)行前期,由于進(jìn)入電壓互感器氣室的真空泵油是一種絕緣油,因此可視作絕緣物。但隨著電壓互感器的運(yùn)行,氣室中一次高壓所產(chǎn)生的局部放電導(dǎo)致絕緣油碳化,即絕緣油在高電壓作用下分子鏈分解斷裂,形成碳化物,在屏蔽罩或者電壓互感器線圈上形成黑色附著層,進(jìn)而形成放電通道,致使電壓互感器產(chǎn)生放電擊穿。

電壓互感器線圈油污放電如圖2所示,電壓互感器中盤(pán)式絕緣子油污放電如圖3所示。

圖2 電壓互感器線圈油污放電

圖3 電壓互感器盤(pán)式絕緣子油污放電

可見(jiàn),無(wú)論是在電壓互感器的生產(chǎn)廠家,還是在安裝現(xiàn)場(chǎng),抽真空處理時(shí),必須嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程進(jìn)行,并進(jìn)行記錄。一旦發(fā)生可能的真空泵油倒流,必須按規(guī)定對(duì)電壓互感器產(chǎn)品進(jìn)行解體檢查,并重新進(jìn)行處理。另外,對(duì)于抽真空所使用的機(jī)組,應(yīng)盡可能采用防止真空油倒流的控制裝置,避免對(duì)電壓互感器氣室造成危害。

3.2 鐵心夾帶異物引起放電

電壓互感器在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí),通常處于倒裝狀態(tài),如圖4所示。而在生產(chǎn)、運(yùn)輸過(guò)程中，電壓互感器都處于正立狀態(tài)。如果電壓互感器產(chǎn)品在裝配過(guò)程中不小心帶入異物,夾雜在鐵心或器身某個(gè)部位,那么當(dāng)產(chǎn)品帶電運(yùn)行后,在電磁場(chǎng)作用下鐵心等會(huì)產(chǎn)生微小振動(dòng),加之產(chǎn)品倒裝,會(huì)導(dǎo)致異物掉落。異物在掉落的過(guò)程中,飄落于間隙距離最小之處,即高壓導(dǎo)體與低壓軀殼拔口電場(chǎng)最不均勻處,電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生局部畸變,高壓導(dǎo)體對(duì)軀殼產(chǎn)生放電。放電產(chǎn)物噴濺后,導(dǎo)致六氟化硫氣體被污染,之后可能引起線圈外側(cè)的均壓屏蔽對(duì)軀殼放電、一次線圈沿面放電、絕緣子表面一系列不規(guī)則貫穿性放電等故障現(xiàn)象。

圖4 倒裝狀態(tài)電壓互感器

針對(duì)鐵心夾帶異物引起的放電,提出在電壓互感器鐵心疊裝之前,對(duì)每片鐵心硅鋼片使用無(wú)水酒精進(jìn)行清潔擦拭。在疊裝時(shí)需要使用疊裝專(zhuān)用工裝,防止由于摩擦產(chǎn)生金屬粉末,夾帶于鐵心之中,隨鐵心裝配而進(jìn)入電壓互感器氣室,在電壓互感器后期運(yùn)行中引發(fā)故障。

3.3 氣室中微水引起放電

電壓互感器二次線圈的繞線匝數(shù)高達(dá)數(shù)萬(wàn)匝,線圈層間所用聚酯薄膜絕緣材料、漆包線表面絕緣漆、鐵心硅鋼片表面油漆、電壓互感器軀殼內(nèi)表面油漆等均有高分子材料,表面極易吸附空氣中的微量水分子。如果電壓互感器線圈在裝配前未嚴(yán)格按工藝文件要求進(jìn)行加熱除潮工序處理,那么容易夾帶部分水分進(jìn)入電壓互感器氣室。在電壓互感器運(yùn)行過(guò)程中,由于高壓線圈內(nèi)部溫度較高,其中的微量水分隨即散發(fā)于電壓互感器氣室中。若在電壓互感器氣室中部分零部件存在尖角、毛刺等缺陷,則在高電壓的作用下,會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。氣室中的絕緣介質(zhì)六氟化硫氣體會(huì)發(fā)生分解,分解物與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成具有腐蝕性的氫氟酸、硫酸等,對(duì)聚酯薄膜、鋁導(dǎo)體等零部件產(chǎn)生腐蝕,從而引發(fā)短路故障。在短路大電流作用下,瞬間會(huì)產(chǎn)生大量熱量,引起絕緣材料氣化變質(zhì),形成絮狀、粉狀、氧化等損壞形態(tài)。典型絮狀損壞形態(tài)如圖5所示。

圖5 典型絮狀損壞形態(tài)

為了盡可能降低電壓互感器中的微水含量,在產(chǎn)品裝配過(guò)程中,必須嚴(yán)格按照裝配工藝文件要求對(duì)電壓互感器的一次、二次線圈嚴(yán)格執(zhí)行加熱烘干工藝,同時(shí)保證繞線工序所處的工作環(huán)境達(dá)到工藝文件規(guī)定的潔凈度、溫度、濕度要求。

3.4 雜質(zhì)引起放電

電壓互感器在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生放電擊穿事故后進(jìn)行解體,可見(jiàn)在電壓互感器線圈、環(huán)氧澆注絕緣子、線圈安裝底板、軀殼之上均布滿粉塵,同時(shí)可見(jiàn)放電擊穿所產(chǎn)生的痕跡。

對(duì)電壓互感器的整體裝配過(guò)程進(jìn)行分析,提出為防止裝配過(guò)程中帶入灰塵等異物,要求定期檢測(cè)電壓互感器裝配環(huán)境潔凈度,定期更換試驗(yàn)用六氟化硫氣體,對(duì)產(chǎn)品密封面按工藝文件要求涂覆密封膠,對(duì)進(jìn)入裝配前的已涂覆防銹油脂的零部件必須執(zhí)行清洗烘干等工藝要求,從而避免在裝配階段帶入灰塵、異物,同時(shí)避免產(chǎn)品安裝后雨水、微塵等從密封面縫隙滲入產(chǎn)品內(nèi)部。

3.5 鐵磁諧振引起放電

在電力系統(tǒng)中有許多鐵心電感元件,如發(fā)電機(jī)、變壓器、電壓互感器、消弧線圈、并聯(lián)補(bǔ)償電抗器等。這些元件大部分為非線性電感元件,能夠和系統(tǒng)中的電容元件組成許多復(fù)雜的振蕩回路。在某種大擾動(dòng)或操作作用下,非線性電感元件可能進(jìn)入飽和區(qū),從而與線路和電容形成特殊的單相或三相共振回路,激發(fā)持續(xù)的較高幅值過(guò)電壓或過(guò)電流,即鐵磁諧振。

電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振時(shí),過(guò)電壓有可能不高,但過(guò)電流很大,導(dǎo)致電壓互感器高壓線圈匝間絕緣嚴(yán)重?fù)p壞,最嚴(yán)重時(shí)可能使電壓互感器爆炸。

發(fā)生鐵磁諧振時(shí),形成諧振過(guò)電壓,同時(shí)伴隨較大的過(guò)電流,加之諧振持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng),會(huì)在電壓互感器內(nèi)部產(chǎn)生高溫,導(dǎo)致線包內(nèi)部固化膠體熔化,使線包固定失效,產(chǎn)生位移,最終導(dǎo)致放電。放電污染六氟化硫氣體,造成電壓互感器進(jìn)一步放電擊穿、屏蔽移動(dòng)等故障。

為增強(qiáng)電壓互感器抗鐵磁諧振變形能力,可采取以下措施:① 電壓互感器一次和二次線圈應(yīng)選取優(yōu)質(zhì)銅導(dǎo)線,且導(dǎo)線截面積盡可能大,以提高電壓互感器耐受過(guò)電流的能力;② 要求對(duì)緊固螺釘按工藝要求的緊固力矩進(jìn)行緊固;③ 特殊螺釘涂覆緊固膠緊固;④ 使用沖撞記錄儀記錄運(yùn)輸過(guò)程中是否產(chǎn)生過(guò)量沖擊,防止電壓互感器產(chǎn)品在運(yùn)輸過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生損壞,增強(qiáng)抗鐵磁諧振變形能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電壓互感器放電故障進(jìn)行分析,確定引發(fā)電壓互感器放電故障的主要原因。針對(duì)不同類(lèi)型放電故障,在電壓互感器生產(chǎn)過(guò)程中制訂相對(duì)應(yīng)的改進(jìn)措施,加強(qiáng)質(zhì)量過(guò)程控制,從而降低電壓互感器故障發(fā)生率,保證氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備在電網(wǎng)中長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。