35kV電容式電壓互感器電磁單元發(fā)熱故障分析

梁 靜，吳冬文

（江西省電力公司檢修分公司，江西 南昌 330029）

0 引言

電容式電壓互感器（CVT）是用來將高電壓按比例關(guān)系變換成標(biāo)準(zhǔn)二次電壓，供保護(hù)、計(jì)量、儀表裝置使用的電氣設(shè)備。如果電壓互感器存在故障，不但無法起到測(cè)量、保護(hù)作用，還可能會(huì)影響其他設(shè)備的運(yùn)行，引發(fā)事故。因此，電壓互感器能否可靠運(yùn)行，是關(guān)系到電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要因素。

35 kV電容式電壓互感器是500 kV主變壓器過電壓繼電保護(hù)不可缺少重要設(shè)備。500 kV變壓器低壓側(cè)母線連接有較多的無功補(bǔ)償設(shè)備，在投切設(shè)備過程中，母線可產(chǎn)生較大過電壓，往往導(dǎo)致與之相連的電壓互感器二次阻尼器元件損壞，進(jìn)而阻尼器工頻諧振條件破壞，從而電氣發(fā)熱使阻尼器所處的互感器電磁單元溫度異常。

對(duì)運(yùn)行中的電容式電壓互感器進(jìn)行精確紅外診斷是電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)估和帶電診斷行之有效的技術(shù)手段和重要方法。電力設(shè)備的紅外診斷工作具有不停電、不取樣、不接觸、直觀、準(zhǔn)確、靈敏度高及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地判斷設(shè)備內(nèi)部故障，對(duì)保證電網(wǎng)安全運(yùn)行和提高設(shè)備運(yùn)行可靠率有重要作用[1]。

在迎峰度夏大負(fù)荷期間江西省電力公司檢修分公司技術(shù)人員對(duì)所轄變電一次設(shè)備進(jìn)行特巡，通過紅外精確測(cè)溫技術(shù)發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處置了一起35 kV電容式電壓互感器電磁單元發(fā)熱故障。

1 故障情況

2012年8 月，在紅外測(cè)溫巡檢中發(fā)現(xiàn)500 kV夢(mèng)山變電站2號(hào)主變35 kV側(cè)A相電磁單元過熱（最高溫度A相：36.65℃，B相：28.97℃，C相：28.77℃，環(huán)境溫度：21℃，濕度：65%），設(shè)備型號(hào)：TYD35√3-0.02FH。詳細(xì)圖譜見圖1。

圖1 35 k VCVT電磁單元發(fā)熱紅外圖譜

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)35 kV電壓互感器外觀及油箱油位進(jìn)行了停電檢查，A相無明顯放電痕跡，且油位正常。對(duì)2號(hào)主變壓器低壓側(cè)電壓和避雷器泄露電流及動(dòng)作情況也進(jìn)行檢測(cè)，除A相二次電壓值輕微增大外，其它無異常情況，由此可表明系統(tǒng)的一次電壓并無異常，其具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 2號(hào)主變35 k V側(cè)母線電壓值和避雷器泄露電流

2 35 kV電容式電壓互感器母線電壓分析

在超高壓、大容量的電網(wǎng)中安裝一定數(shù)量的無功補(bǔ)償裝置（包括并聯(lián)電抗器和電容器組），其目的：一是補(bǔ)償容性充電功率；二是在輕負(fù)荷時(shí)吸收無功功率，控制無功潮流，穩(wěn)定電網(wǎng)的運(yùn)行電壓[2]。500 kV夢(mèng)山變電站2號(hào)主變35 kV側(cè)母線集中連接的無功補(bǔ)償設(shè)備有干式電抗器2-1L、2-2L和電容器組2-1C，見圖2。根據(jù)系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)男枰?，可有選擇地投切電抗器或電容器，但由于無功設(shè)備的伏安特性曲線的非線性因素，斷路器在投切瞬間，并非出線在電流自然過零點(diǎn)瞬間，因此35 kV II母線將產(chǎn)生操作過電壓，此操作過電壓會(huì)對(duì)電容式電壓互感器內(nèi)部元件造成損壞。

圖2 2號(hào)主變35 k V側(cè)母線一次設(shè)備接線

3 35 kV電容式電壓互感器電氣原理分析

3.1 電容式電壓互感器工作原理及等值電路

電容式電壓互感器是利用電容串聯(lián)分壓的原理來實(shí)現(xiàn)電壓變換，即將高壓施加于幾個(gè)串聯(lián)的電容上，從其中一個(gè)電容抽取較低電壓，然后利用中間變壓器來實(shí)現(xiàn)高壓與低壓間的電氣隔離，見圖3。

圖3 CVT的電氣工作原理

圖3為CVT的電氣工作原理，其主要元件有電容單元（C1、C2）、補(bǔ)償電抗器L、中間電磁式變壓器T及阻尼器ZD等。由于兩個(gè)電容為串聯(lián)，所以兩個(gè)電容上的電壓總和等于電源電壓，即：

根據(jù)電路理論有：

因此，圖3中δ點(diǎn)的電壓為，運(yùn)行中的電壓互感器分壓電容器C2兩端可以看成一個(gè)有源二端口，利用戴維南等效定理，可等效成電路圖4、5。

圖4 戴維南等效定理

圖5 CVT等效電路

在圖5中，電路的等效電源為UC2，電源內(nèi)阻抗為：

中間變壓器漏抗中的感抗為，由于漏抗分量電阻抗較小，可忽略其影響。為了減少接入負(fù)荷時(shí)在電源內(nèi)阻抗和中間變壓器漏抗中產(chǎn)生壓降而形成電壓誤差，通常在中間變壓器一次側(cè)串聯(lián)一補(bǔ)償電抗L，其電抗值為，引入補(bǔ)償電抗器后，能有效地減少互感器的誤差，見式（4），此時(shí)回路的感抗基本上等于容抗。

正常運(yùn)行狀態(tài)下，中間變壓器T處于非飽和線性伏安特性下，勵(lì)磁阻抗較大，此時(shí)在電路中勵(lì)磁支路可以忽略為開路，并且負(fù)載阻抗遠(yuǎn)大于勵(lì)磁阻抗，因此負(fù)載也為開路。當(dāng)系統(tǒng)電壓受操作過電壓的影響，可使得中間變壓器鐵心飽和，此時(shí)中間變壓器處于非線性伏安特性曲線范圍內(nèi)，勵(lì)磁阻抗迅速下降，此時(shí)可能出現(xiàn)頻率較低的分頻或高頻形成等效回路中容抗等于或接近于感抗情況，即，此時(shí)電路處于串聯(lián)諧振或接近串聯(lián)諧振狀況。在諧振條件下，回路中的電流和在中間變壓器T的電壓都將異常增大，將使電壓互感器嚴(yán)重受損甚至燒毀[3-5]。

3.2 消諧措施

為有效消除諧振，最有效的方法就是在互感器二次剩余繞組并聯(lián)接入一阻尼器ZD，如圖3所示。將其等值阻抗折算到中間變壓器的一次側(cè)，則阻抗為，見圖5虛線部分。由于阻尼電阻與勵(lì)磁變壓器并聯(lián)，且相對(duì)于勵(lì)磁電抗很小，并聯(lián)回路中阻尼起主要作用，能有效逆抑制鐵磁諧振的發(fā)生，但條件是中間變壓器伏安特性曲線的拐點(diǎn)應(yīng)高于CVT二次側(cè)阻尼器伏安特性曲線的拐點(diǎn)，避免在過電壓下，中間變壓器先于阻尼器飽和形成諧振條件，失去阻尼器的阻尼作用[6-8]。

常見的阻尼器由產(chǎn)生并聯(lián)諧振的電容器C和電抗器L并聯(lián)后再串聯(lián)電阻R組成，見圖6。正常運(yùn)行時(shí)，電感L、電容C在工頻電壓下處于并聯(lián)諧振狀態(tài)下而呈高阻抗，但當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)操作過電壓時(shí)，電流分頻或高頻分量較大，回路并聯(lián)諧振條件破壞，則電流劇增，流過電阻R的電流增大，消耗較大功率，可以有效阻止諧振的發(fā)生。

圖6 阻尼器等效電路

4 電磁單元發(fā)熱故障分析

如前所述，阻尼器是電容式電壓互感器內(nèi)部電路中防止串聯(lián)回路中分頻諧振或高頻諧振必不可少的重要元件，但如果互感器運(yùn)行電壓出現(xiàn)較大的操作過電壓時(shí)，電壓的峰值可擊穿阻尼器單元中的電容元件C，使得阻尼電路中電抗L、電容C并聯(lián)工頻諧振條件破壞，阻尼器流過的工頻電流劇增。

從而使得電磁單元溫度升高。可以采用合適的電路檢測(cè)阻尼器的諧振電流來判斷各元件的完好性，因互感器的阻尼器和二次剩余繞組并聯(lián)于電磁單元油箱中，檢測(cè)諧振電流的方法必須打開互感器下部電磁單元油箱，采用圖7電路進(jìn)行諧振電流測(cè)量。由于阻尼器的額定工作電壓即為互感器的二次剩余繞組輸出電壓，為交流100 V，因此可直接使用滑刷式220/250 V型調(diào)壓器TR進(jìn)行變壓，測(cè)量出電容元件故障時(shí)阻尼器伏安特性曲線電流值隨電壓增加而迅速增大，額定電壓交流100 V值時(shí)電流達(dá)6.3A。更換合格的電容元件后，阻尼器伏安特性曲線電流值隨電壓增加而增速平緩，形成明顯并聯(lián)諧振電路特性，額定電壓交流100 V值時(shí)電流為0.32 A，見圖8。阻尼器電阻元件R的阻值為10Ω，因此阻尼器電容元件故障后回路電流過大使得電阻元件異常發(fā)熱，是造成CVT電磁單元過熱的主要原因。更換合格的電容元件后（圖9），電壓互感器運(yùn)行正常。

圖7 阻尼器工頻諧振電流測(cè)量電路圖

圖8 阻尼器伏安特性曲線

圖9 更換35 kVCVT電磁單元中的電容元件

5 結(jié)語

在超高壓、大容量的電網(wǎng)中的無功補(bǔ)償裝置并聯(lián)電抗器和電容器組集中安裝在主變低壓側(cè)母線上，用于補(bǔ)償容性充電功率或吸收無功功率，控制無功潮流，以穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。在投切無功補(bǔ)償裝置電抗器或電容器過程中，母線將產(chǎn)生操作過電壓，過電壓傳遞到互感器二次剩余繞組，會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)在剩余繞組的阻尼器電容元件擊穿損壞。

阻尼器是電容式電壓互感器防分頻或高頻諧振重要的裝置，一般由電容器元件和電抗器元件并聯(lián)組成，在正常運(yùn)行條件下，呈工頻并聯(lián)諧振狀態(tài)，但當(dāng)電容元件受操作高電壓擊穿損壞后，工頻諧振條件破壞，流過阻尼器的工頻電流激增，造成電容器電磁單元發(fā)熱。

對(duì)運(yùn)行中帶電設(shè)備進(jìn)行精確紅外診斷是電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)估和帶電診斷行之有效的技術(shù)手段和重要方法。能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備的先期缺陷，避免缺陷發(fā)展成設(shè)備停電事故，保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

[1]李長(zhǎng)慶，敬江彬，趙春捷，等.淺談紅外診斷技術(shù)在變電站電力設(shè)備中的應(yīng)用[J].黑龍江電力，2008，30(2):11-15.

[2]陳鵬云，劉晉，王成智，等.500 kV變電站35 kV無功補(bǔ)償電容器裝置設(shè)計(jì)問題分析[J].華中電力，2010，23(4):15-18.

[3]江礓，張富剛，樊越甫，等.110 kV變電站電壓互感器故障分析 [J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30(10):30-36．

[4]丁濤，陳卓婭，劉忠，等.一起500 kV電容式電壓互感器電壓異常的分析處理[J].電力電容與無功補(bǔ)償，2010，31(2):76-79．

[5]全先德，盧垠西.電壓互感器二次開口三角短路故障分析[J].變壓器，2012，49(9):31-34．

[6]司馬文霞，郭飛，楊慶，等.變電站鐵磁諧振仿真分析及抑制措施研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2007，27(6):76-79．

[7]劉芳.電磁式電壓互感器諧振過電壓的防范措施[J].云南電力技術(shù)，2008，36(5):41-44．

[8]楊斌文，李文圣.電壓互感器鐵磁諧振的產(chǎn)生與消除[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30(3):26-30．