电容式电压互感器电磁单元异常发热故障分析

黄海飞，许家响，王 静，范小辉，朱旻哲

(国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司，江苏 苏州 215000)

0 引言

电压互感器的主要功能是将较高的一次电压转变为低电压以供保护、计量以及自动装置等使用,是变电站内的重要设备。

电压互感器在结构上主要分为电磁式电压互感器和电容式电压互感器。与电磁式电压互感器相比,电容式电压互感器(capacitor voltage transformer,CVT)因具有结构合理、电场强度裕度大、不易形成铁磁谐振等优点,在110 kV及以上的电网中得到了大量应用。但由于在设计制造、工艺材料、运行环境等方面的原因,随着运行时间的增加,近年来,电容式电压互感器的故障率一直居高不下。

以苏州某变电站电容式电压互感器电磁单元异常发热故障为例,分析故障原因并提出预防措施,为这类CVT缺陷的处理与预防提供了经验,同时对提高CVT运行可靠性和保证电网的安全运行起到了重要作用。

1 故障描述

2020年6 月,苏州某220 kV变电站运维班运行人员在红外测温巡检中发现1107正母电压互感器C相电磁单元存在发热现象,C相电磁单元最高温度为27.1 ℃,A相电磁单元最高温度为24.0 ℃,B相电磁单元最高温度为24.3 ℃,C相较A、B两相电磁单元的温度高约3 ℃左右,电容单元温度无异常。

该1107正母CVT的型号为TYD4110/3-0.02H,铭牌电容量为0.020288 μF,额定电压为/0.1 kV,出厂日期为2011年3月,投运日期为2012年11月。

专业人员现场对1107正母CVT的外观进行了检查,发现三相电磁单元的油位基本一致,绝缘油无渗漏现象；三相套管无明显放电痕迹,一次接线正常；1107正母避雷器在线监测表电流基本一致,计数器动作次数与上次试验数据一致,未发生改变；在变电站控制室内发现三相监测电压基本一致,测量相关二次回路的节点电压值,也未发现异常。基于上述情况,专业人员分析此次发热故障的时间不长,但如若不及时处理可能导致CVT内部绝缘击穿,严重时可能发生油箱烧毁等事故,因此申请对1107正母CVT进行停电更换处理。

2 故障分析

2.1 电容式电压互感器的基本结构

电容式电压互感器为单相单柱式结构,由电容单元和电磁单元两部分组成,如图1所示。其中,电容单元由高压电容C1和中压电容C2串联组成,电磁单元由中间变压器T、补偿电抗器L、补偿电抗器低压端E、电容分压器低压端N、抑制铁磁谐振的阻尼器ZD、避雷器BL等部分组成,电磁单元从中压电容C2获取中间电压U2,再由中间变压器转换为测量和保护用的二次电压。

图1 110 kV电容式电压互感器结构原理

当高压侧运行相电压为U1时,中间变压器一次侧电压U2为：

2.2 诊断性试验

停电状态下,对1107正母C相CVT进行了诊断性试验,试验项目包括绝缘电阻试验、电容量和介质损耗因数试验,试验结果见表1。

表1 试验数据

C相CVT总的电容量(高压电容C1和中压电容C2串联)为20096.0 pF,与铭牌电容量20288 pF的误差为-0.95 %。根据Q/GDW 1168—2013《输变电设备状态检修试验规程》,表1中的试验数据均满足规程要求,未发现异常。由于此台CVT电磁单元部分存在温度过高现象,为进一步分析原因,对电磁单元绝缘油的油样进行测试分析,测试结果见表2。

表2 绝缘油色谱分析数据 μL/L

根据表2中特征气体组分和含量判断,绝缘油中H2,C2H2和总烃含量超标,表明电磁单元内部发生过高能量放电现象。根据三比值法判断,编码组合为200,可能为电弧放电。

3 故障设备解体检查

为进一步验证试验结论,公司组织相关专家和技术人员对1107正母C相CVT进行了解体检查。在将电容单元吊起之后,发现电磁单元中间变压器与电容单元之间的连接线过长,发生与中压小套管接触的情况,中压小套管表面有明显的放电痕迹,与中压小套管接触处的连接线外层绝缘皮已经烧毁,但连接线尚未断裂。在吊起电容单元的同时,电磁单元油箱中冲出刺鼻和刺眼的气体,打开电磁单元油箱箱盖,发现绝缘油颜色黯淡无光,略显浑浊,并伴有少许黑色碳化颗粒。抽出电磁单元中的绝缘油之后,观察中间变压器,除一次引线外,其铁芯表面及二次引线等部位并无异常。

根据解体情况进行分析,由于电磁单元中间变压器与电容单元之间的连接线过长,在进行安装时其本身已经发生了弯折现象,导致连接线外层绝缘皮受损,其绝缘能力已经受到一定程度的破坏。安装后,过长的连接线与中压小套管发生接触,经过长时间的运行,在电场和磁场的综合作用下,连接线外层绝缘皮的绝缘情况进一步恶化,当其绝缘程度无法承受连接线与中压小套管接地法兰之间的电位差时,便发生了放电现象。放电进一步导致其绝缘皮劣化,以致发生烧毁现象。同时,放电导致油箱内绝缘油劣变,产生热量以及特征气体,热量传递至油箱表面,运行人员通过红外检测仪器观测到电磁单元存在发热异常现象,这与绝缘油色谱分析的结果基本吻合。

4 预防措施及建议

基于上述对CVT油箱异常发热现象的分析与处理,为确保CVT设备的安全可靠运行,提出以下几点建议。

(1) 加强该类设备的巡视工作,重点关注设备是否存在异常振动、异常响声或异味、有无渗漏油等现象；按照规程要求定期开展红外测温工作,观测其是否存在异常发热现象。

(2) 建议设备制造厂家改进和完善制造工艺,采用性能更好的原材料,以有效加强电磁单元中电气连接部分的绝缘强度,使电气连接线对油箱壁及其他元器件之间保持足够的安全距离；加强设备制造过程中的监造工作,严格进行出厂验收工作,确保出厂时的设备状态完好。

(3) 设备投运前应进行严格的验收工作,认真进行现场实地查看,并详细验收出厂试验报告、设计图纸、安装记录、交接试验报告、监理报告等技术资料,确保设备的状态良好。

(4) 在周期性停电工作中,试验专业人员应认真做好例行试验,将试验数据与历史试验数据、出厂试验数据和规程要求进行比较,综合分析,准确判断设备的状态。