电容式电压互感器电磁单元故障检定方法

张志东，刘建月，薛赵红

(1.国网山西省电力公司 检修公司，山西太原030021; 2.国网山西省电力公司 技能培训中心，山西太原030024; 3.华能左权煤电有限责任公司，山西左权032600)

电容式电压互感器电磁单元故障检定方法

张志东1，刘建月2，薛赵红3

(1.国网山西省电力公司 检修公司，山西太原030021; 2.国网山西省电力公司 技能培训中心，山西太原030024; 3.华能左权煤电有限责任公司，山西左权032600)

根据设备结构特点和设计参数，结合检修现场条件，提出了一种通过高压试验对电容式电压互感器电磁单元(包括中间变压器和阻尼器等)进行故障检定的方法。通过剖析一起故障实例，对比现场试验应用和返厂解体分析，从而验证了该方法的正确性。这种方法可以及时、有效地发现电容式电压互感器内部阻尼元件故障，无需解体，适合现场操作，便于运检人员及早采取对应措施，避免扩大事故范围。

电容式电压互感器；电磁单元；阻尼器；故障；检定

0 引言

500 kV变电站电压互感器绝大多数为电容式。此类电容式设备的状态监测量包括介质损耗因数、电容量、三相不平衡电流等[1]。但是，对于电容式设备的状态在线监测尚不成熟[2]。通常，各种监测特征量和设备状态关系错综复杂[3]。而离线式、预防性高压试验结果的分析已经积累了大量经验，据此制订出了相应规程[4]。因此，通过高压试验全面地对设备内部绝缘情况进行判断，成为现阶段检修现场实用、有效的手段。

电容式电压互感器(以下简称CVT)在运行中暴露出一些问题，主要表现为二次电压输出异常、二次端子排烧坏、电容器击穿甚至爆炸等[4]。设备故障分析表明，其主要原因是电容分压器和电磁单元绝缘水平下降、铁磁谐振、内部元器件击穿、设计不合理等[6]。本文分析了某变电站CVT电磁单元故障情况，通过高压试验分析异常原因，从而及时消除故障。作者由此提出参考CVT阻尼器电气结构和设计参数，通过测量阻尼电流来判断电磁单元阻尼器故障的方法。

1 CVT电磁单元故障检定方法

1.1 CVT电磁单元工作原理

CVT由电容分压器和电磁单元组成(如图1所示)。其中，电容分压器由高压电容器C1和中压电容器C2组成[7,8]。电磁单元由中间变压器、补偿电抗器、避雷器、二次回路等组成[9]。二次回路一般包括2～4组二次绕组和一组辅助绕组。辅助绕组主要元件为阻尼器[10]。

图1 CVT工作原理

图中：C1为高压电容；C2中压电容；T为中

间变压器；L’为补偿电抗器；F为保护装置；L为阻尼器电抗器；C为阻尼器电容器；R为阻尼电阻1a，1n为主二次绕组1号 2a，2n为主二次绕组2号da，dn为剩余电压绕组。

CVT广泛使用的谐振型阻尼器原理如图1所示。电磁单元中阻尼器由用于产生并联谐振的电容器和电抗器并联，再和阻尼电阻串联。阻尼器并联在额定电压为100 V的辅助绕组(即剩余电压绕组da-dn)上，电容C和电感L在工频下调至并联谐振状态。此时回路阻抗很高，只有很小的电流流过阻尼电阻。当出现低频分次铁磁谐振时，回路的并联谐振条件遭到破坏[11]。于是，阻抗下降，电流剧增，瞬时在阻尼电阻将会消耗殆尽该谐波功率，从而实现阻尼分频谐振。

1.2 CVT电磁单元故障表征

母线过电压往往导致与之相连的电压互感器电磁单元损坏[12]。根据厂家故障统计，电磁单元中故障概率极高的部位是阻尼器电容器[13]。阻尼器电容器厂家主要采用自愈式电容器，该电容器在发生内部击穿时，依靠击穿能量使得击穿点周围的金属极板涂层蒸发，从而使绝缘水平迅速得以恢复。但当击穿点较多或击穿面积较大时，其自恢复绝缘能力降低，并将加速内部介质的击穿直至电容器短路，从而导致CVT测量电压发生显著变化。作者依据电磁单元内部结构特点衍生出本文的检定方法。

1.3 CVT电磁单元故障检定方法的提出

CVT电压异常分为二次失压、电压值偏高或偏低。如果中间变压器出现故障或避雷器击穿，或中压电容器C2击穿，将无电压输出，引起电压偏高或偏低的原因可能是电容分压器有局部击穿[14]。另外，也可能由于质量问题或者系统过电压冲击导致阻尼器电容器击穿。通过高压试验测量阻尼回路电流可以及时、有效地发现CVT内部电磁单元阻尼器故障。

以图1为例，根据欧姆定律，结合元件出厂参数计算阻尼电流额定值如式(1)所示：

(1)

式中：该产品各元件标称值：R为5 Ω；L为50 mH；C为200 μF，则可得阻尼电流额定值有效值约为1 A。

本文由此提出试验方法如图2所示。具体分为两步：第一，通过测量绝缘电阻和直流电阻是否符合规程来检定二次绕组是否损坏。若异常，则二次绕组故障；若正常，转入下一步。第二，检查阻尼器状态。先短接da～dn，打开d1～d2连接片。同时，还需要打开N-X连接片，使得中间变压器在高压试验时空载运行，并构成独立的、可测试两端口的阻尼回路。再在阻尼器两端口d1-d2上施加有效值为100 V的工频电压，测试其阻尼电流。最后根据测试结果检定。判据为：若阻尼电流为0，说明阻尼回路开路，则可能是阻尼电阻烧毁。若阻尼电流大于0且不大于1A，则阻尼回路正常，否则超出范围判断为阻尼器电容器发生故障。现场多台设备测试表明，阻尼电流一般为0.6 A左右。

图2 CVT阻尼器试验检定法原理图

值得注意的是，现场实测时，不同产品(不同类型和电压等级)阻尼电流额定值有所不同，不能直接套用本方法中的标准值。本方法重点在于以高压试验为手段提出了一种解决问题的思路。因此，应参考厂家阻尼器电气原理图和设计参数，依据公式(1)的原理计算额定值。

另外，该测试方法可以推广为从d1～d2端子施加工频电压10 V，再测试阻尼回路电流。正常情况下，阻尼电流不大于0.1 A。同时，测试要结合三相横向对比和历史数据的纵向对比来全面分析，保证判断的准确性。

该方法适用于停电检修，根据仪器条件，可以灵活应用。特别是目前例行试验中未对阻尼电流进行考核，无法针对这类现场频繁出现的由于电磁单元阻尼器损坏导致油箱发热、二次电压异常的故障进行状态监督。因此，本文提出的检定方法具有重要的实际意义。

2 故障实例分析

2.1 故障发现

以一起500 kV某变电站的35 kVA母线CVT(型号为TYD35/√3-0.02FH)电磁单元中阻尼器电容器击穿故障为例，分析故障处理情况。

表1 现场高压试验数据(环温：23℃，湿度：40%)

500 kV某变电站的35 kVA母线在运行中发出“母线接地报警”和“PT断线报警”，后台显示CVT工作电压异常，B相、C相油箱温度偏高(达到50℃左右)。后经红外测温跟踪发现温度持续升高(B相最高达到75℃、C相最高达到83℃)，从视窗可见油箱内部绝缘油变为棕褐色。测量三相二次绕组电压(正常为57.7 V)，分别为A相58.2 V、B相45.4 V、C相45.6 V，三相二次绕组电压明显不平衡，且B相、C相电压明显偏低。现场排查判定CVT存在故障。经过外观检查，CVT绝缘瓷瓶外表清洁、连接可靠、接地正常，未发现闪络痕迹，初判是内部故障。

2.2 现场试验

根据理论分析，二次电压仅是降低并未完全失压，故不可能是中间电压变压器一次引线断线或接地、分压电容器C2短路等故障所致[15]。推断几种可能的原因：一是电容分压器故障，可能高压电容C1减小或中压电容C2增大[16]；二是电磁单元故障。电磁单元故障原因：一是电磁单元损坏，电压比发生变化[17]，中间变压器一次线圈匝数变大或二次线圈匝数变小；二是阻尼器电容器击穿。

(1)油气试验

在停电检修中，对其进行油样简化、油色谱试验。取油样时有气体从取油口喷出。油化验结果表明，绝缘油含有悬浮杂质，导致油品质劣化，有挥发性刺鼻气味。绝缘油的含气量超标，内部发生过放电。

(2)电气试验

该CVT电容分压器由一节独立的电容器组成，一部分组成高压电容C1，其余部分为中压电容C2，通过引出抽头与电磁单元一次绕组连接，此抽头与电磁单元一次绕组均密封在电磁单元壳体内，无法直接检查中压电容C2。因此，首先对独立的单节电容进行检查，测量介质损耗因数及电容量。利用自激法测得B相、C相电压互感器高压电容器和中压电容器电容值和介损值均正常。试验结果表明，一次部分正常，排除电容分压器故障的可能，那么可能是电磁单元故障。电磁单元中，中间变压器一次绕组、补偿电抗器及避雷器均密封在壳体内无法直接检查，因此，先检查二次绕组，进行绝缘电阻和直流电阻测量。各二次绕组绝缘电阻高于规程规定值10 MΩ[18]，直阻与出厂值相比无明显变化，可以排除二次绕组故障的可能，应检查一次绕组和其他元件。

该CVT结构和设计参数如上文所述。根据本文提出的检定方法，现场测得在100 V电压下，da～dn绕组阻尼电流均大于1A，检修人员判定这两台CVT阻尼器电容器存在故障，无法继续投运。现场试验数据如表1所示(故障相和正常相设备对比，标准合格值依据状态检修试验规程)。由于场现无法解体，一次绕组和其他内部组部件是否仍存在故障需要返厂解体检查。因此，检修人员对这两台故障CVT进行了整体更换。

2.3 返厂解体

2.3.1 解体试验

将这两台CVT进行返厂解体检查，测试电容分压器电容值、介损值，避雷器绝缘电阻，中间变压器空载试验，阻尼器电容器电容值，油样试验等项目。返厂解体试验数据如表2所示(故障设备和同型号待出厂新产品对比，标准合格值依据出厂规定)。试验结果表明，中间变压器和阻尼器电容器存在故障。

表2 返厂解体试验数据(环温：20℃，湿度：25%)

图3 电磁单元解体对比

2.3.2 解体检查

解体试验完毕后，对故障组部件进行了拆卸检查。

(1)中间变压器

打开电磁单元后发现，CVT变压器油已变色并存在异味，如图3所示。

(2)阻尼器

图4 阻尼器电容器解体对比

拆除阻尼器电容器发现，外壳鼓胀，如图4所示。打开电容器外壳，清晰可见元件起皱损坏，壳体内仍残留有变压器绝缘油。利用电容量测试仪测试，电容值持续大幅度变化，无法稳定。

返厂解体结果表明：

(1)CVT电容分压器、避雷器正常。

(2)CVT油质变色并有异味，油样分析乙炔含量、氢气含量、总烃含量、介损值、耐压值均超标，判断油已变质，故障属于高能量放电。

(3)CVT中间变压器空载试验无法加电流，判断高压绕组击穿。

(4)CVT阻尼器电容器实测电容无法获得稳定数据，判断电容器损坏。

这两台CVT阻尼器组部件电容器已经损坏。因此，这也验证了本文提出的CVT电磁单元故障检定方法的正确性。

2.4 故障分析

CVT解体和试验数据表明，由于电容器质量差或系统过电压(包括工频过电压和操作过电压)冲击，首先是谐振电容击穿，电容量大幅变化，导致阻尼谐振回路失谐，引起阻尼电流大幅增加，中间变压器一次绕组电流大增，温升过高而匝间击穿。击穿后匝内电流更大，温升急剧增高，使匝间短路迅速扩大，导致内部油质碳化。阻尼器电容器和中间变压器的高能量放电最终导致变压器油变色、产生大量气体。同时，引起二次电压偏低。

3 结论

本文提出了一种通过高压试验对CVT电磁单元中阻尼器进行故障检定的方法。这种方法无需解体，适合现场操作，可以及时、有效地发现CVT内部阻尼元件故障，便于运检人员及早采取对应措施，避免扩大事故范围。另外，建议产品出厂试验报告中应给出阻尼回路电流范围以便参考。

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Test Method for Capacitor Voltage Transformer Electromagnetic Unit Fault

Zhang Zhidong1, Liu Jianyue2, Xue Zhaohong3

(1. Maintenance Company of State Grid Shanxi Province Electrical Power Company, Taiyuan 030021, China; 2. Skill Training Center of State Grid Shanxi Electrical Power Company, Taiyuan 030024, China;3. Huanengzuoquan Coal and Electricity LLC, Zuoquan 032600, China)

Based on the characteristics and design parameters of the device structure, combined with the maintenance field conditions, a test method for capacitor voltage transformer electromagnetic unit (including intermediate transformers and damper component, etc.) fault detection through high voltage tests is proposed in this paper. Analysis of an actual fault case and comparison between field test applications and depot disintegration analysis verified the correctness of the method. This method can be timely and effective in detecting without disintegration the capacitor voltage transformer internal damper component fault, suitable for field operation, and easy for electricity maintenance staff to take countermeasures as early as possible to avoid expansion of the scope of an accident.

capacitor voltage transformers; electromagnetic unit; damper component; fault; detection

2015-07-06。

张志东(1984-)，男，工程师，主要从事高压电气设备检修、试验方面的研究，E-mail:zzd695@163.com。

TM451

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.09.012