變電站母線電壓互感器故障及設(shè)備運(yùn)維探討

四川中電啟明星信息技術(shù)有限公司 屈凌志 郝建維

對(duì)于變電站母線來說，電壓互感器的存在是非常關(guān)鍵的，不僅可對(duì)母線電壓以及絕緣狀態(tài)作以監(jiān)視，也可為保護(hù)儀表等相關(guān)設(shè)備提供電壓回路，而它的運(yùn)轉(zhuǎn)效率會(huì)直接影響變電站全部電力機(jī)制的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。然而母線電壓互感器在使用期間會(huì)頻繁出現(xiàn)故障，這使得變電站的正常運(yùn)行受到嚴(yán)重的影響?，F(xiàn)今變電站系統(tǒng)所包含的部分漏洞，導(dǎo)致母線電壓互感器在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用期間總是會(huì)誘發(fā)事故的產(chǎn)生，大大地阻礙了變電站的順利運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。

1 變電站母線電壓互感器常見故障分析

隨著在電力設(shè)備中對(duì)電壓互感器的投入使用較多，因其成本少、效率高等特點(diǎn)。母線電壓互感器是變電站重要設(shè)備，同時(shí)為母線保護(hù)和線路保護(hù)提供電壓。電壓互感器作為一條母線上所有元件的電壓、電能、功率測量及繼電保護(hù)、信號(hào)裝置和自動(dòng)化設(shè)備的供電電源，發(fā)生故障后將嚴(yán)重影響變電站設(shè)備的正常運(yùn)行[2]。

變電站是供電企業(yè)中一個(gè)重要分支，而變電站母線是在變電站中各級(jí)電壓配電裝置的連接，以及變壓器等電氣設(shè)備和相應(yīng)配電裝置的連接，其大都采用矩形或圓形截面的裸導(dǎo)線或絞線。母線的作用是分配和傳送電能，所以對(duì)于變電站母線電壓互感器需要非常的重視，尤其是對(duì)所出現(xiàn)的故障需要及時(shí)檢測與處理。母線電壓互感器常見故障現(xiàn)象有一次熔斷器熔斷、二次熔斷器熔斷（或空氣開關(guān)跳閘）、斷線、短路等，對(duì)于母線電壓互感器異常對(duì)站內(nèi)設(shè)備影響較大，所以分析變電站母線電壓互感器常見的故障有以下幾類：

1.1 電壓過大造成電壓互感器過熱引起的故障

目前，由于過多客戶對(duì)于電力的需求逐漸增多，所以在這個(gè)過程中變電站的壓力也會(huì)隨之增大，電流也隨之增高，這樣導(dǎo)致內(nèi)部裝置的溫度偏高，最后造成電壓互感器中油箱的損壞。而油箱是電壓互感器中最重要的結(jié)構(gòu)組成，它對(duì)變電站母線電壓互感器的應(yīng)用時(shí)的效果以及使用時(shí)的性能都有著非常重要的影響，通過它從而影響變電站本身的運(yùn)行使得功率的高低。另一方面，電站母線電壓互感器的儲(chǔ)油箱在長期運(yùn)行的環(huán)境下很容易因?yàn)榻^緣受潮等原因而加大設(shè)備老化的幾率。所以需要重視對(duì)電壓互感器的改進(jìn)，從而提高其使用的效率以及使用壽命的長短。

1.2 絕緣元件絕緣性不高引起的故障

電壓互感器是一種半絕緣的設(shè)備，所以絕緣性能是決定電壓互感器能否高效工作的重要條件，一旦在絕緣性能這方面出現(xiàn)大的問題，那么電壓互感器的工作效率以及使用壽命的長短等方面就會(huì)受到一定的影響。目前國內(nèi)電壓互感器制作的工藝水平不是特別高，尤其是對(duì)于電壓互感器的電容元件制作的環(huán)境時(shí)不能處于一個(gè)相對(duì)干燥的地方。所以在制作電壓互感器的過程中就會(huì)有水分子滲入到電容元件中，這樣會(huì)大大的影響電容元件的絕緣性能，從而使電壓互感器在使用過程中被高電壓擊穿，導(dǎo)致電容元件的絕緣性能降低，使得電壓互感器無法正常工作。

1.3 電壓互感器質(zhì)量問題引發(fā)的故障

電力系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率的影響因素不僅有外界環(huán)境因素，還與電壓互感器本身的質(zhì)量問題有著一定的關(guān)系。隨著變電站構(gòu)建的數(shù)量不斷上升，隨之上漲的還有電壓互感器的需求，但其中最需要關(guān)注的還是電壓互感器的質(zhì)量問題。部分廠家在生產(chǎn)電壓互感器時(shí)選取的材料本身質(zhì)量不過關(guān)，尤其在選取內(nèi)部材料時(shí)沒有達(dá)到國家要求的標(biāo)準(zhǔn)，從而使得電壓互感器的質(zhì)量有所下降，最后在使用的過程中出現(xiàn)非常多的故障，導(dǎo)致電壓互感器使用的時(shí)間大大縮減，從而使得電力系統(tǒng)受到過度的影響。通常由于質(zhì)量問題造成電壓互感器的故障有以下八種：

電壓互感器鐵芯片間的絕緣設(shè)施出現(xiàn)損壞，這時(shí)就會(huì)使得在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)溫度升高等一系列問題，產(chǎn)生這種故障的主要原因是由于鐵芯片間的絕緣不良，并且對(duì)于設(shè)備使用的環(huán)境條件相對(duì)惡劣，還有就是設(shè)備長期處于高溫當(dāng)中，很容易使鐵芯片間的絕緣設(shè)施出現(xiàn)老化的現(xiàn)象；電壓互感器接地片與鐵芯接觸不良，這樣會(huì)使得鐵芯與油箱在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生放電聲。這是因?yàn)榻拥仄瑳]有插緊且安裝的螺絲也沒有擰緊，從而導(dǎo)致設(shè)備中出現(xiàn)芯片接觸不良的現(xiàn)象；由于電壓互感器鐵芯松動(dòng)，會(huì)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生不正常的振動(dòng)或者其他噪聲。這是因?yàn)殍F芯的內(nèi)部元件松動(dòng)，從而導(dǎo)致鐵芯片間的松動(dòng)。

電壓互感器繞組匝間出現(xiàn)短路，在運(yùn)行時(shí)不僅設(shè)備的溫度升高且會(huì)出現(xiàn)放電聲，以及高壓熔斷器熔斷、二次側(cè)電壓表指示不穩(wěn)定。這是由于該系統(tǒng)長期處于過載運(yùn)行中，使絕緣部分出現(xiàn)老化；電壓互感器的繞組斷線，在運(yùn)行時(shí)就會(huì)在斷線處產(chǎn)生電弧并伴有放電聲，斷線的電壓表指示降低或是為零。產(chǎn)生這一故障的原因是由于焊接的過程中出現(xiàn)技術(shù)性的問題導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度不夠或引出線不合格，最終造成繞組引線斷線；電壓互感器繞使得絕緣被擊穿，這時(shí)高壓側(cè)熔斷器連續(xù)熔斷。這是由于繞組絕緣部分老化，或是由于絕緣油受潮、通過電壓時(shí)被擊穿，最終嚴(yán)重缺油等。

電壓互感器繞組相間出現(xiàn)短路，這時(shí)也會(huì)出現(xiàn)高壓側(cè)熔斷器熔斷的現(xiàn)象，同時(shí)由于油溫劇增會(huì)出現(xiàn)噴油冒煙現(xiàn)象，原因同樣是由于繞組絕緣老化，絕緣油受潮等一系列問題。需重點(diǎn)注意的是最新檢修投入使用的母線電壓互感器，在開始時(shí)必須進(jìn)行“定相”才允許進(jìn)行母線的并列。在兩條運(yùn)行母線并列時(shí)，對(duì)于母線電壓互感器隔離開關(guān)QS1及QS2均在合位的情況出現(xiàn)時(shí)、其輔助觸點(diǎn)同時(shí)也將會(huì)使其二次并列起來，在最后引起的相位不一致及短路的現(xiàn)象，極大可能時(shí)因?yàn)樵谧畛鯖]有進(jìn)行“定向”檢查。對(duì)于110kV 及以上電壓系統(tǒng)來說，電壓互感器的基本二次繞組需定相外，輔助二次繞組也需進(jìn)行定相的檢查，以免在后期中3U0極性錯(cuò)誤引起線路零序方向繼電器拒動(dòng)或是誤動(dòng)的現(xiàn)象出現(xiàn)。

2 保障電壓互感器的長期運(yùn)行

2.1 定期對(duì)電壓互感器進(jìn)行檢測維修

為保證電壓互感器的長期運(yùn)行，必須對(duì)其進(jìn)行定期的保護(hù)與維修，具體的細(xì)節(jié)操作我會(huì)在后面提出，雖然費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但為了保障電壓互感器穩(wěn)定的在電力系統(tǒng)中運(yùn)行，必須要做到定期維修保護(hù)。我國目前電力行業(yè)廣泛應(yīng)用的變電站母線電壓互感器由于存在著一定的設(shè)計(jì)不合理等原因造成了電壓互感器故障問題頻發(fā)再加上電壓互感器結(jié)構(gòu)的特殊性加大了故障檢修工作人員的檢修難度。

不僅需要簡單的維護(hù)且需對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測與詳細(xì)計(jì)算：以下實(shí)驗(yàn)針對(duì)10kV 系統(tǒng)相電壓、線電壓不平衡。最初需對(duì)該電壓互感器一次繞組末端“N”進(jìn)行一定的緊固檢查，在未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)或斷線的跡象的情況下，同時(shí)對(duì)該電壓互感器要進(jìn)行電氣試驗(yàn)。

從圖1可知如何查找電氣試驗(yàn)規(guī)程，在保證直流電阻互差未超出規(guī)程規(guī)定±5%及絕緣電阻大于規(guī)定值1000MΩ、繞組變比未超出規(guī)程規(guī)定的±5%的情況下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程以及最終的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，該設(shè)備屬于正常狀態(tài)，在排除電壓互感器對(duì)電壓不平衡的影響之外。通過以上實(shí)驗(yàn)可知，只有通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的檢測與計(jì)算才能知道哪些地方需要維修、哪些不需要維修，可縮小具體維修的范圍，這樣更有利于設(shè)備的維修。

圖1 電壓互感器試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 提高電壓互感器的質(zhì)量

電壓互感器不僅需維修工人的定期維修，還要注意提高電壓互感器的質(zhì)量問題，尤其是對(duì)于電壓互感器的內(nèi)部要有詳細(xì)的設(shè)計(jì)。從生產(chǎn)環(huán)境、操作技術(shù)、材料質(zhì)量等都需要大幅度的提高，從根本上解決電壓互感器給設(shè)備帶來的故障問題。首先是對(duì)電壓互感器中的小零件進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)，尤其是電壓互感器的鐵芯片的制作工藝需要有大的改進(jìn)，這樣能有更好的絕緣效果；其次是對(duì)電壓互感器繞組的制作與設(shè)計(jì)，好的產(chǎn)品能防止電壓互感器繞組匝間短路，電壓互感器繞組對(duì)地絕緣擊穿以及電壓互感器繞組相間短路。

2.3 電壓互感器位置與數(shù)量的合理安排

由于用電的客戶逐漸增多，少量的電壓互感器對(duì)于變電母線來說會(huì)導(dǎo)致電流過大，使得電壓互感器的溫度升高從而降低效率，所以增加投入使用電壓互感器的數(shù)量，能有效地提高運(yùn)行的效率。并且在安裝電壓互感器時(shí)將2/3的電壓互感器安裝在母線上。電壓互感器的主要作用是通過將高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?00V 或者是更為低級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)的二次電壓，將其提供給保護(hù)、計(jì)量、儀表裝置所取用。與此同時(shí)，電壓互感器也可以將高電壓與電氣工作人員相隔離。電壓互感器雖然是按照電磁感應(yīng)原理進(jìn)行相關(guān)工作，但對(duì)于它的電磁結(jié)構(gòu)關(guān)系與電流互感器相比恰恰相反。所以將大部分的電壓互感器裝在母線上時(shí)是合理的，這樣既降低成本也達(dá)到應(yīng)有效果，且變電站內(nèi)線路上安裝電壓互感器一般只裝設(shè)一個(gè)，目的只是為了判斷線路是否帶電，這個(gè)線路電壓是用于線路重合閘的。

3 電壓互感器的維修檢測

電壓互感器投入運(yùn)行之后，需要注意間隔氣室的氣體壓力、氣體微水檢測以及局部放射測試分析等一系列常規(guī)性的檢查記錄之外，同時(shí)還需要使用紅外熱像的技術(shù)問題要多加以關(guān)注，只有這樣才能保障電壓互感器在運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)更高效率的工作水平。在目前對(duì)于電壓互感器的故障診斷主要是利用圖像處理及相關(guān)算法來確定性能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。究其原因，一方面是由于電網(wǎng)隨著需求擴(kuò)張?zhí)?，形成的電網(wǎng)體系日益龐大，這使得變電站維護(hù)人員的工作量增加，不僅任務(wù)增多且越來越復(fù)雜；另一方面對(duì)于電壓引起的熱擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致判斷錯(cuò)誤，而這些錯(cuò)誤僅是基于對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員紅外圖像的直接分析。

由于變電站電網(wǎng)體系快速增長，需要處理的數(shù)據(jù)以及管理的設(shè)備模塊就越來越多，這對(duì)智能檢測技術(shù)的要求也就越高，而目前熱門的智能檢測機(jī)器人也是基于圖像識(shí)別以及熱成像等技術(shù)完成設(shè)計(jì)，國外對(duì)其研究奠定了圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展與基礎(chǔ)。在對(duì)電壓互感器使用紅外熱像檢測技術(shù)時(shí)，需選擇合適的測試距離，最好選擇將三相測點(diǎn)的距離與儀器的距離保持一致，在發(fā)現(xiàn)三相熱像圖有差異時(shí)就可以從不同的方位對(duì)其進(jìn)行檢測。最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析處理，及時(shí)找出設(shè)備中出現(xiàn)的缺陷。

現(xiàn)階段對(duì)眾多的信息研究的過程中，大部分都是通過定位、分割以及最后時(shí)提取的方式完成最終的檢測。根據(jù)每個(gè)設(shè)備的不同特性優(yōu)化各個(gè)步驟，通過所需要的特性值從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全部或部分分離，最新設(shè)計(jì)的紅外圖像處理流程如下：行外圖像原圖-選取目標(biāo)行區(qū)域-Hough 變換直線檢測-旋轉(zhuǎn)至豎方向-圖像二值化-形態(tài)學(xué)操作去除干擾-長度特征統(tǒng)計(jì)-反向求的圖像-連通區(qū)域標(biāo)記-原圖標(biāo)記。

母線電壓互感器作為電壓輸出的公共設(shè)備，在二次輸出回路時(shí)會(huì)相對(duì)復(fù)雜一些，為防止電壓互感器二次回路短路，除開口三角繞組外均應(yīng)安裝適配的空氣開關(guān)或熔斷器，除最新投入運(yùn)行的電壓互感器做好驗(yàn)收之外，在運(yùn)行環(huán)節(jié)由于工作需要進(jìn)行拆解線，這是要特別注意二次回路接線的正確性、空氣開關(guān)或熔斷器動(dòng)作性能的完整性，特別需要對(duì)開口三角回路的短路隱患加以關(guān)注[3]。認(rèn)真分析故障原因，強(qiáng)化和完善電壓互感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，做好電壓互感器的日常維護(hù)檢修工作、并嚴(yán)格把關(guān)電壓互感器的入網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，從而有效地提高電壓互感器的性能和質(zhì)量，促進(jìn)電力行業(yè)科學(xué)穩(wěn)定的發(fā)展[4]。