一起110 kV CVT内部故障引起母线电压异常分析及处理

赵 淼

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司, 安徽 合肥 230601)



一起110 kV CVT内部故障引起母线电压异常分析及处理

赵 淼

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司, 安徽 合肥 230601)

针对某发电厂110 kVⅠ段和Ⅱ段母线电压偏差异常，通过分散控制系统(DCS)数据调阅、带电检查、理论计算和停电试验等方法综合分析，认为母线电容式电压互感器(CVT)内的部分电容单元存在击穿短路是引起该次母线电压显示异常的原因。返厂解体检查验证了前期分析结果，同时查明该批次电容单元介质薄膜存在绝缘薄弱点和浸油性不好等质量缺陷。据此，要求制造商对该型号批次的产品全部进行了更换，并提出了同类设备的预防措施及处理建议。

母线电压;电容式电压互感器;电容单元;击穿短路

0 引言

电容式电压互感器(CVT)相对于电磁式电压互感器具有结构简单、生产成本低、不与系统发生铁磁谐振、可兼作高频通信载波电容器和瞬变响应特性优良等优点，在电力系统中广泛应用于110 kV电压等级以上的线路和母线上。但受设计水平、生产工艺和制造材料等因素影响，近年来CVT运行异常和故障时有发生，故障率远高于电磁式电压互感器，严重影响了电能计量的准确性和电网的安全稳定运行[1-6]。

本文分析了一起由于CVT内部故障引起的110 kV母线电压显示异常案例，通过前期数据分析、带电检测和理论分析等方法诊断出CVT本体内个别电容单元存在击穿短路故障，并由后期停电试验和解体检查得以验证，同时提出了整改措施，避免了一起由于CVT质量缺陷引发的发电厂母线接地短路事故，保障了电力系统的安全稳定运行。

1 情况概述

2016年1月8日4时00分，某发电厂1号机组分散控制系统(DCS)显示110 kV Ⅱ段母线电压由119.32 kV突变为115.92 kV，Ⅰ段母线电压维持在119.94 kV。2月15日，1号机组DCS显示Ⅰ段和Ⅱ段母线电压最大差值接近5 kV，2号机组Ⅰ段和Ⅱ段母线电压也存在不同程度的显示异常。

该厂110 kV升压站为室内敞开式布置，Ⅰ段和Ⅱ段母线各接一组CVT，两段母线为并运行方式，1号机组DCS Ⅰ段母线电压取自Ⅰ母CVT B相，Ⅱ段母线电压取自Ⅱ母CVT B相；2号机组DCS Ⅰ段母线电压取自Ⅰ母CVT A相，Ⅱ段母线电压取自Ⅱ母CVT B相，110 kV升压站主接线如图1所示。出现DCS显示电压异常前后厂内无倒闸操作和检修维护作业。

2 现场检查分析

2.1 DCS数据调阅

从DCS调阅了1号机和2号机母线电压历史数据，自1月12日至2月18日选取10组数据进行比对，如表1所示。

表1 DCS系统显示1号机和2号机母线电压数据Table 1 DCS system shows bus voltage data for no.1 and no.2 Unit kV

由于母线电压随负荷波动，为进一步分析Ⅰ母和Ⅱ母电压之间的关系，选取DCS中1号机Ⅱ母与Ⅰ母电压的比值进行比对分析，两段母线电压及电压比值变化曲线见图2和图3。

图1 110 kV升压站主接线Fig.1 110 kV booster station main wiring diagram

图2 1号机DCS显示Ⅰ母和Ⅱ母电压Fig.2 No.1 unit DCS showsⅠbus and Ⅱbus voltage

图3 1号机DCS Ⅱ母电压与Ⅰ母电压比值Fig.3 The No.1 unit ratio ofⅡbus and Ⅰbus voltage in DCS

从图3可看出，1号机Ⅱ母和Ⅰ母电压比值分为明显的两个区间，从第1采样点至第5采样点为第一区间，比值维持在0.971～0.984，即电压比偏差范围为-1.6%～-2.9%；第6采样点至第10采样点为第二区间，比值维持在0.954～0.965，即电压比偏差范围为-3.5%～-4.6%；此外2号机DCS显示的Ⅰ母和Ⅱ母电压也存在较大差值，其Ⅱ母和Ⅰ母电压比偏差范围为-3.2%～0.1%。

2号机的第5和第6采样点实际为1月31日突变前后的两点，首先发现1月27日和2月2日电压比值变化较大，后由电压日曲线中查出。至此，共发现2号机Ⅱ母B相电压相对Ⅰ母B相电压发生了2次电压值突降，分别为2016年1月8日4时00分由119.32 kV突变为115.92 kV，2016年1月31日2时10分由116.07 kV突变为113.24 kV。

2.2 带电检查

对母联开关、2组母线CVT本体和各处引线接头等进行红外热成像检测未发现异常[7]，CVT间隔各接地点接地情况良好；在Ⅰ母和Ⅱ母CVT二次端子出线盒、端子箱、切换柜等处逐级测量保护绕组和计量绕组电压，二次回路电压及连接正常。2月18日在CVT端子箱测得Ⅱ母CVT B相电压低于Ⅰ母CVT B相约为2.6 V，偏差率为-4.17%，测得二次电压和二次电流数据如表2所示。

表2 110 kV CVT端子箱二次绕组测量数据Table 2 The secondary winding data measured in the 110 kV CVT terminal box

从表2可看出，二次侧负荷电流较小，且二次侧电压大小与二次侧电流无对应关系；Ⅱ母CVT B相和Ⅰ母CVT B相保护绕组电压比值为0.958 3，测量绕组为0.961 4，与DCS系统数据中1号机Ⅱ母和Ⅰ母电压比值的第二个区间值相吻合(0.954～0.965)；Ⅱ母CVT B相和Ⅰ母CVT A相保护绕阻电压比值为0.985 1，测量绕组为0.988 4，DCS系统数据中2号机Ⅱ母和Ⅰ母电压比值为0.981 6。从表1和表2也可看出，Ⅰ母 A相和C相 CVT、Ⅱ母A相CVT 与Ⅰ母 B相CVT也存在较大差值，电压比偏差为-2.7%左右。

综上所述，DCS系统显示的电压偏差与二次侧各绕组测得偏差的趋势一致，因二次绕组的三组线圈为独立绕制，多支互感器的三组线圈不可能同时出现故障导致电压偏低，结合DCS系统数据调阅和现场检查情况分析判定二次回路系统无异常。

3 理论计算分析

图4 CVT结构原理Fig.4 CVT schematic diagram

因Ⅰ段和Ⅱ段母线为并列运行，Ⅱ段母线B相电压相对Ⅰ段母线B相电压出现2次阶梯式突降，且就地实测对应的二次绕组与DCS系统显示一致，判断Ⅱ母CVT B相本体内存在故障，因同一支CVT多个二次侧绕组测得电压的偏差一致，可首先排除电磁单元存在故障，根据电压下降的方式和二次侧测试结果分析，CVT电压异常与其内部电容单元存在局部击穿故障相符。

DCS中显示的母线电压在电容单元短路后与短路前的比值可表示如下：

(1)

(2)

k2=nnor/Nnor

(3)

式中：nabnor为CVT发生部分电容单元短路后C2内剩余正常电容单元的数量；Nabnor为CVT发生部分电容单元短路后电容分压器内剩余正常电容单元的总数量；nnor为C2内电容单元的设计数量,本文为29；Nnor为电容分压器内电容单元的设计数量,本文为93。经计算,k2为0.311 8。

当C2内1支电容单元短路后，将式(2)和式(3)代入式(1),可得DCS中显示母线电压短路后与短路前电压比值为0.976 1，即电压偏差理论计算值为-2.4%；同理，若C2内2支电容单元击穿短路，电压比值为0.951 6，短路后电压偏差理论计算值为-4.8%，若C2内2支电容单元和C1内1支电容电元击穿短路，电压比值为0.962 2，短路后电压偏差理论计算值为-3.8%。此计算结果与Ⅱ母电压和Ⅰ母电压的二次比值波动曲线范围相吻合，B相电容单元存在击穿短路得到进一步印证，且故障随运行时间呈发展趋势。

4 停电试验检查

4.1 停电试验

对Ⅱ母CVT进行了绝缘电阻测试、介质损耗因数和电容量测量、计量绕组比差和角差测量等试验项目[12，13]。绝缘电阻、介质损耗因数和电容量测试结果未见明显异常，但3支CVT中A相和B相比差存在严重超差(规定值≤0.2%)，测量数据见表3(仅列出额定电压下数据)。

表3 Ⅱ母CVT额定电压下比差与角差测量值Table 3 The ratio error and phase displacement data under rated voltage ofⅡbus CVT

表3中，B相和A相的比差测量数据分别与中压电容存在2支和1支电容单元短路情况的理论计算值吻合[14-16]，试验结果表明Ⅱ母CVT本体的确存在故障。通过表2中停电前二次端子箱测量数据比对可以判断Ⅰ母A相和C相CVT的确存在问题。

Ⅰ母和Ⅱ母6支CVT于2015年11月投运，短时间内出现多支电压显示异常，该型号批次产品质量存在安全隐患，且内部故障呈发展趋势，长期运行会引起较大的计量误差,造成售电量损失，一旦发展为整支CVT短路故障，会引起互感器爆炸起火，机组跳闸，严重危及电厂的安全稳定运行。充分技术讨论后，决定对Ⅰ母CVT进行停电检查确认，同时要求制造厂家对该批次6支110 kV母线CVT进行更换。

4.2 返厂解体检查

在制造厂家进行CVT解体检查，发现CVT高压和中压电容器分别存在电容单元击穿短路现象，与前期分析诊断结果吻合。

具体解体检查方案为从6支CVT中选取比差数据较大的2支进行角差比差复测、电容器局部放电测量和介损及电容量测量等试验，然后将试品解体进行外观检查并逐支测量高压和中压电容器的电容单元的绝缘电阻，将绝缘电阻较低的电容单元分层展开查找故障点。

按上述方案选取了Ⅰ母A相和Ⅱ母B相CVT作为解体检查对象，复测结果表明，比差超差情况与前期测量结果一致，在二次负荷满载下Ⅰ母A相为-5.39%，Ⅱ母B相为-4.42%；局部放电测量未见异常；Ⅰ母A相和Ⅱ母B相CVT电容单元的电容量存在明显异常，数据见表4。

表4 电容单元电容量数据Table 4 Capacitance data of capacitor unit

分析现场试验未发现电容量发生明显变化的原因为，电容单元击穿点导电通道在被绝缘油渍情况下，故障初期仍具一定绝缘，现场试验采用自激法，在较低电压下未测出电容量异常，返厂后采用反接线，试验电压高于自激法；此外，经过返厂后多次局部放电测量和高压介损测量等高压试验，故障电容电元内的击穿点放电通道进一步发展比初期稳定，因此测出电容量发生了明显变化。

解体后外观检查未发现电容单元放电痕迹，随后进行单支电容单元绝缘电阻测量，结果为Ⅰ母A相CVT的C2自下而上第1个和第5个电容单元阻值为0，C1无异常；Ⅱ母B相CVT的C2自下而上第3个和第5个电容单元阻值为0，C1自上而下第1个电容单元阻值为0。随后对上述绝缘电阻为0的电容单元展开查找故障点，发现内部均存在多层击穿现象。

该型号CVT内部的电容单元为全膜介质结构，电容器单元由2层锡箔和3层绝缘薄膜介质卷绕而成。对多个故障点检查，未发现电容单元存在“S”形褶皱、层间杂质、锡箔机械裂纹等加工卷绕缺陷，电容单元击穿非设计和加工环节引起。分析为电容单元锡箔间绝缘薄膜介质的材质存在薄弱点，经受不住长期额定运行电压，导致击穿放电。

制造厂家告知，该批次产品临时更换了薄膜介质供应商，薄膜材料质量存在绝缘薄弱点和浸油性不好的缺点。查阅原材料记录，制造厂家使用该材料加工了10支电容分压器用于电容式电压互感器，本次供货的110kV母线CVT占其中6支，其他4支作为库存，在检验中发现问题并未出厂，现已停用该供应商的绝缘材料。

5 结语

该次发电厂DCS110kVⅠ段和Ⅱ段母线电压显示异常现象由母线CVT内部电容单元存在局部击穿短路引起。当CVT内部个别电容单元存在击穿故障时，会导致电容分压比变化，从而导致一次电压监测值变化。鉴于母线电压随负荷变化经常波动，采用分析不同母线间电压比值变化及查找电压跃变点的方法能更明显反映母线电压异常变化程度；CVT比差和角差测量比例行试验中介质损耗因数和电容量测量更容易发现电容单元击穿短路缺陷。

制造厂家应加强CVT制造过程中电容单元的质量管控，当绝缘薄膜介质等材料批次或厂家变更后，要做好原材料质量检测等工作。电厂技术人员应加强对在运CVT的监测工作,一旦发现电压数值存在异常，应及时分析母线电压数据，并视情况开展二次绕组电压测量和停电试验检查。

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(编辑 刘晓燕)

Analysis and Treatment of Abnormal Bus Voltage Caused by Internal Faultof 110 kV Capacitor Voltage Transformer

ZHAO Miao

(China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co. Ltd. East China Branch, Hefei 230601, China)

According to the abnormal voltage deviation of 110 kV section I and II bus in a power plant, the DCS system data, on-line examination, theoretical calculation and electrical test are comprehensive analyzed in this paper. Thinking that the 110 kV bus voltage anomaly is caused by some internal capacitor unit short circuit in the CVT. Then return the equipment to the factory, the result of the preliminary analysis is verified by the disassembly inspection, at the same time some capacitor unit quality defects are founded out, such as insulation material weakness and bad dipping property. Accordingly, require the manufacturer to replace all the products of this batch, then propose some treatment measures and suggestions for the same type equipment.

bus voltage；capacitor voltage transformer；capacitor unit；breakdown

2017-02-03；

2017-03-18

TM451.2

B

2096-3203(2017)03-0110-06

赵 淼

赵 淼(1985—)，男，黑龙江齐齐哈尔人，工程师，从事电气设备绝缘监督与故障诊断工作。