电压互感器放电分析

王光明, 杨育京, 牛建鸿, 曾庆忠, 严 新

西安西电高压开关有限责任公司 西安 710018

1 电压互感器概述

在电力工业中,气体绝缘金属封闭开关设备和控制设备将一座变电站中除变压器以外的一次设备,经优化设计后有机地组合成一个整体[1-2],这些一次设备包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等。

电压互感器是气体绝缘金属封闭开关设备和控制设备中必不可少的关键元件,作为变电站日常运行中专门用作电压变换的特种变压器,可以将电力系统中的高电压按比例关系变换为标准二次电压,从而提供实时电压检测值,供电力系统电气测量和电气保护使用[3-5]。

电压互感器同时也是发电厂、变电所等输电和供电系统中不可缺少的检测元件,随着我国电力事业的蓬勃发展,电压互感器的性能要求越来越高。如果电压互感器的绝缘在运行中发生故障,将引起电压互感器放电,造成一次或二次线圈击穿,引发继电保护动作,使电压互感器退出运行,并使电力线路停运[6-13]。

2 工作原理

电压互感器在正常工作条件下,其二次电压实际上与一次电压成正比。当连接方向正确时,电压互感器二次电压对一次电压的相位差接近于零。电压互感器的一次线圈并联于电力线路,线路中的电压就是电压互感器的一次电压。电压互感器二次线圈外部回路接有测量仪器仪表、继电保护设备、自动控制装置等。电压互感器工作原理如图1所示[14]。

根据电力线路的电压等级,电压互感器的一次、二次线圈之间需要设置足够的绝缘,以保证所有低压设备与高电压之间实现隔离。

3 放电类型

根据相关文献及笔者公司生产电压互感器多年以来的经验,总结电压互感器常见的放电类型,并对其诱因进行分析。

图1 电压互感器工作原理

3.1 油类污染引起放电

电压互感器在现场安装时,由于抽真空处理过程中未严格按操作规程进行,导致真空泵油倒流,进入电压互感器气室之中,使气室之中屏蔽罩、电压互感器线圈等沾染油污。运行前期,由于进入电压互感器气室的真空泵油是一种绝缘油,因此可视作绝缘物。但随着电压互感器的运行,气室中一次高压所产生的局部放电导致绝缘油碳化,即绝缘油在高电压作用下分子链分解断裂,形成碳化物,在屏蔽罩或者电压互感器线圈上形成黑色附着层,进而形成放电通道,致使电压互感器产生放电击穿。

电压互感器线圈油污放电如图2所示,电压互感器中盘式绝缘子油污放电如图3所示。

图2 电压互感器线圈油污放电

图3 电压互感器盘式绝缘子油污放电

可见,无论是在电压互感器的生产厂家,还是在安装现场,抽真空处理时,必须严格按标准操作规程进行,并进行记录。一旦发生可能的真空泵油倒流,必须按规定对电压互感器产品进行解体检查,并重新进行处理。另外,对于抽真空所使用的机组,应尽可能采用防止真空油倒流的控制装置,避免对电压互感器气室造成危害。

3.2 铁心夹带异物引起放电

电压互感器在现场运行时,通常处于倒装状态,如图4所示。而在生产、运输过程中，电压互感器都处于正立状态。如果电压互感器产品在装配过程中不小心带入异物,夹杂在铁心或器身某个部位,那么当产品带电运行后,在电磁场作用下铁心等会产生微小振动,加之产品倒装,会导致异物掉落。异物在掉落的过程中,飘落于间隙距离最小之处,即高压导体与低压躯壳拔口电场最不均匀处,电场会产生局部畸变,高压导体对躯壳产生放电。放电产物喷溅后,导致六氟化硫气体被污染,之后可能引起线圈外侧的均压屏蔽对躯壳放电、一次线圈沿面放电、绝缘子表面一系列不规则贯穿性放电等故障现象。

图4 倒装状态电压互感器

针对铁心夹带异物引起的放电,提出在电压互感器铁心叠装之前,对每片铁心硅钢片使用无水酒精进行清洁擦拭。在叠装时需要使用叠装专用工装,防止由于摩擦产生金属粉末,夹带于铁心之中,随铁心装配而进入电压互感器气室,在电压互感器后期运行中引发故障。

3.3 气室中微水引起放电

电压互感器二次线圈的绕线匝数高达数万匝,线圈层间所用聚酯薄膜绝缘材料、漆包线表面绝缘漆、铁心硅钢片表面油漆、电压互感器躯壳内表面油漆等均有高分子材料,表面极易吸附空气中的微量水分子。如果电压互感器线圈在装配前未严格按工艺文件要求进行加热除潮工序处理,那么容易夹带部分水分进入电压互感器气室。在电压互感器运行过程中,由于高压线圈内部温度较高,其中的微量水分随即散发于电压互感器气室中。若在电压互感器气室中部分零部件存在尖角、毛刺等缺陷,则在高电压的作用下,会产生局部放电现象。气室中的绝缘介质六氟化硫气体会发生分解,分解物与水发生化学反应,形成具有腐蚀性的氢氟酸、硫酸等,对聚酯薄膜、铝导体等零部件产生腐蚀,从而引发短路故障。在短路大电流作用下,瞬间会产生大量热量,引起绝缘材料气化变质,形成絮状、粉状、氧化等损坏形态。典型絮状损坏形态如图5所示。

图5 典型絮状损坏形态

为了尽可能降低电压互感器中的微水含量,在产品装配过程中,必须严格按照装配工艺文件要求对电压互感器的一次、二次线圈严格执行加热烘干工艺,同时保证绕线工序所处的工作环境达到工艺文件规定的洁净度、温度、湿度要求。

3.4 杂质引起放电

电压互感器在现场发生放电击穿事故后进行解体,可见在电压互感器线圈、环氧浇注绝缘子、线圈安装底板、躯壳之上均布满粉尘,同时可见放电击穿所产生的痕迹。

对电压互感器的整体装配过程进行分析,提出为防止装配过程中带入灰尘等异物,要求定期检测电压互感器装配环境洁净度,定期更换试验用六氟化硫气体,对产品密封面按工艺文件要求涂覆密封胶,对进入装配前的已涂覆防锈油脂的零部件必须执行清洗烘干等工艺要求,从而避免在装配阶段带入灰尘、异物,同时避免产品安装后雨水、微尘等从密封面缝隙渗入产品内部。

3.5 铁磁谐振引起放电

在电力系统中有许多铁心电感元件,如发电机、变压器、电压互感器、消弧线圈、并联补偿电抗器等。这些元件大部分为非线性电感元件,能够和系统中的电容元件组成许多复杂的振荡回路。在某种大扰动或操作作用下,非线性电感元件可能进入饱和区,从而与线路和电容形成特殊的单相或三相共振回路,激发持续的较高幅值过电压或过电流,即铁磁谐振。

电压互感器发生铁磁谐振时,过电压有可能不高,但过电流很大,导致电压互感器高压线圈匝间绝缘严重损坏,最严重时可能使电压互感器爆炸。

发生铁磁谐振时,形成谐振过电压,同时伴随较大的过电流,加之谐振持续时间很长,会在电压互感器内部产生高温,导致线包内部固化胶体熔化,使线包固定失效,产生位移,最终导致放电。放电污染六氟化硫气体,造成电压互感器进一步放电击穿、屏蔽移动等故障。

为增强电压互感器抗铁磁谐振变形能力,可采取以下措施:① 电压互感器一次和二次线圈应选取优质铜导线,且导线截面积尽可能大,以提高电压互感器耐受过电流的能力;② 要求对紧固螺钉按工艺要求的紧固力矩进行紧固;③ 特殊螺钉涂覆紧固胶紧固;④ 使用冲撞记录仪记录运输过程中是否产生过量冲击,防止电压互感器产品在运输过程中的薄弱环节产生损坏,增强抗铁磁谐振变形能力。

4 结束语

通过对电压互感器放电故障进行分析,确定引发电压互感器放电故障的主要原因。针对不同类型放电故障,在电压互感器生产过程中制订相对应的改进措施,加强质量过程控制,从而降低电压互感器故障发生率,保证气体绝缘金属封闭开关设备和控制设备在电网中长期可靠运行。