220 kV電容式電壓互感器(CVT)運(yùn)行中異常發(fā)熱缺陷分析

摘要：電容式電壓互感器（Capacitive Voltage Transformer，CVT）是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，其穩(wěn)定運(yùn)行對系統(tǒng)安全至關(guān)重要。鑒于此，深入研究了某220 kV CVT的異常發(fā)熱現(xiàn)象，通過常規(guī)試驗(yàn)、解體檢查等手段，結(jié)合運(yùn)行數(shù)據(jù)，探討了發(fā)熱成因及影響因素。研究發(fā)現(xiàn)，CVT異常發(fā)熱主要源于絕緣材料老化和工藝缺陷，這對CVT的設(shè)計制造和運(yùn)維策略制定具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：電容式電壓互感器（CVT）;異常發(fā)熱;缺陷分析;絕緣老化

中圖分類號：TM451+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）19-0067-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.016

0 引言

電容式電壓互感器（Capacitive Voltage Transformer，CVT）作為高壓電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電壓測量、保護(hù)和控制[1]，其穩(wěn)定運(yùn)行對于保障電力系統(tǒng)的安全性和可靠性至關(guān)重要。近年來，隨著電力系統(tǒng)電壓等級的不斷提升，220 kV及以上電壓等級的CVT在電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越普遍[2]。然而，隨著運(yùn)行時間的增加，CVT在實(shí)際運(yùn)行中也暴露出了一些問題，其中異常發(fā)熱缺陷尤為突出。異常發(fā)熱現(xiàn)象不僅會影響CVT的正常運(yùn)行，還可能導(dǎo)致設(shè)備的絕緣性能下降，甚至引發(fā)嚴(yán)重的電力事故[3-4]。因此，對220 kV CVT運(yùn)行中異常發(fā)熱缺陷的分析和研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。對發(fā)熱缺陷的深入分析，可以為設(shè)備的設(shè)計、制造和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而提高CVT的運(yùn)行可靠性，延長其使用壽命[5]。本文通過對某220 kV CVT運(yùn)行中出現(xiàn)的異常發(fā)熱缺陷進(jìn)行綜合常規(guī)試驗(yàn)和解體診斷，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，深入分析了發(fā)熱缺陷的成因及影響因素。研究結(jié)果不僅為解決該類問題提供了有效的技術(shù)手段，也為今后類似設(shè)備的設(shè)計和維護(hù)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考。

1 現(xiàn)狀概述

某500 kV變電站在精細(xì)化測溫作業(yè)中發(fā)現(xiàn)220 kV電容式電壓互感器A相溫度異常，中部區(qū)域顯著發(fā)熱，相間溫差超過3 K。變電修試所指派帶電測試班前往現(xiàn)場進(jìn)行電容量、介損帶電測試及紅外溫度復(fù)測，測試結(jié)果顯示電容量及介損正常，但A相中部溫度高于B、C相，相間溫差為3.4 ℃（圖1）。據(jù)此判斷CVT內(nèi)部存在潛在缺陷，決定全面更換三相CVT，以消除安全隱患，提升設(shè)備健康水平，確保供電可靠性。

此次發(fā)生的故障涉及一臺220 kV電容式電壓互感器，其結(jié)構(gòu)主要由電容分壓器和電磁單元構(gòu)成。CVT結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

在外形設(shè)計上，該互感器由兩節(jié)瓷套組成，C2電容位于上節(jié)，C11和C12電容安裝在下節(jié)，并通過法蘭與電磁部分連接。該互感器于2018年2月出廠，2020年9月投入運(yùn)行。服役期間，已進(jìn)行兩次周期性預(yù)防性試驗(yàn)，監(jiān)測性能狀態(tài)。相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

通過對比表1和表2數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)電容量變化平穩(wěn)，無顯著波動。但介損值在第二次測試中顯著增長，增長幅度達(dá)兩倍。盡管如此，仍與交接時數(shù)據(jù)相近，且符合規(guī)程要求。

2 檢查情況

鑒于設(shè)備故障狀況，該單位已于2022年5月23日對某變電站的2號主變220 kV側(cè)三相電容式電壓互感器（CVT）進(jìn)行了更換作業(yè)。隨后，試驗(yàn)班組對拆卸下來的CVT進(jìn)行了詳盡的診斷性試驗(yàn)及解體檢查，旨在深入排查并確定互感器發(fā)熱的具體原因。

2.1 常規(guī)試驗(yàn)檢查

此次常規(guī)試驗(yàn)對絕緣電阻、介損以及電容量進(jìn)行了全面檢查與評估。鑒于下節(jié)瓷瓶的上部為發(fā)熱主要部位，此次檢查的核心任務(wù)將聚焦于該節(jié)電容的深入分析與評估。絕緣電阻的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，介損與電容量相關(guān)檢測結(jié)果如表4所示。

中國南方電網(wǎng)的《電力設(shè)備檢修試驗(yàn)規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）規(guī)定，電容式電壓互感器需滿足以下絕緣要求：極間絕緣≥5 000 MΩ，低壓端對地絕緣≥100 MΩ，中間變壓器一次對二次及地絕緣>1 000 MΩ。經(jīng)過絕緣電阻試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)顯示該節(jié)電容的絕緣阻值遠(yuǎn)超規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)，完全符合規(guī)程的絕緣性能要求，絕緣狀況良好。

根據(jù)《規(guī)程》規(guī)定，電容量檢測需確保每節(jié)電容值偏差在-5%～+10%內(nèi)，若電容值增加超過+2%，應(yīng)縮短試驗(yàn)周期。多節(jié)電容器間實(shí)測電容值差異應(yīng)控制在5%以內(nèi)。針對膜紙復(fù)合絕緣CVT，其10 kV試驗(yàn)電壓下tan δ值應(yīng)不大于0.2%。檢測發(fā)現(xiàn)，某CVT的C12介損值達(dá)0.336%，超出標(biāo)準(zhǔn)值0.2%，且比出廠時介損值高近6倍。雖電容量檢測正常，但C12介損值超標(biāo)，判斷下節(jié)瓷套上部電容單元存在缺陷。

2.2 解體檢查

2.2.1 外觀檢查

經(jīng)過對該CVT的外觀進(jìn)行細(xì)致檢查，發(fā)現(xiàn)其外絕緣表面保持潔凈，未見臟污、破損或裂紋，且無放電現(xiàn)象發(fā)生。分壓電容及電磁單元的外部亦無滲漏油跡象，油箱密封面亦無漏油情況。二次面板內(nèi)部清潔完整，無進(jìn)水及放電現(xiàn)象。在檢查電磁單元油位時，發(fā)現(xiàn)A相的油位指示顯示為滿油狀態(tài)，相較于B、C兩相，其油位明顯偏高。

2.2.2 解體檢查

經(jīng)過解體檢查，確認(rèn)該缺陷源于工廠工藝不良，表現(xiàn)為CVT電磁單元與下電容單元間的N、E端瓷套密封失效。由于密封失效，電容單元絕緣油泄漏至電磁單元油箱內(nèi)，CVT下部電容器單元油量減少，引發(fā)發(fā)熱現(xiàn)象。為驗(yàn)證結(jié)論，依據(jù)以下線索分析：

1）解體前，通過放氣孔對電磁單元排氣，聽到輕微排氣聲。拆除電容單元與電磁單元接觸面油箱大蓋螺栓時，發(fā)現(xiàn)接觸面存在滲漏油現(xiàn)象。觀察箱內(nèi)油體清澈，初步判斷密封不良。

2）排出電容單元內(nèi)全部油后，對比實(shí)際油量與廠家標(biāo)定油量，發(fā)現(xiàn)明顯差異。

3）進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，電容單元頂部部分電容干燥無油浸痕跡，如圖3所示。證實(shí)下節(jié)電容單元頂部缺油，缺油量為總量的1/8～1/4。

4）檢查N端瓷套與法蘭連接處的密封圈時，發(fā)現(xiàn)密封圈雖套在瓷套上但未實(shí)現(xiàn)有效密封，密封圈與法蘭間存在約0.5 cm的間隙。

5）觀察N端瓷套底部密封情況，發(fā)現(xiàn)E端瓷套與法蘭接觸面設(shè)有黑色密封膠圈，通過四顆螺絲壓接實(shí)現(xiàn)密封。但檢查發(fā)現(xiàn)壓接不均勻，一側(cè)存在縫隙，原因是螺絲未充分壓緊，彈片作用失效。同時，四顆螺絲長度不一致，左側(cè)螺絲長度不足，螺母僅吃入幾牙。

針對底部密封不良問題進(jìn)行了驗(yàn)證。首先將油箱大蓋螺栓緊固，在法蘭瓷套頂部滴入墨水。由于油箱大蓋密封恢復(fù)后，內(nèi)部壓力增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)E端瓷套上部的墨水冒泡，驗(yàn)證了密封問題。冒泡部位位于螺絲彈片未壓緊區(qū)域，顯示密封存在縫隙。

3 原因分析

基于220 kV電容式電壓互感器發(fā)熱缺陷的綜合常規(guī)試驗(yàn)及解體診斷，深入分析如下：

1）缺陷主要原因在于廠家出廠工藝存在不足。CVT電磁單元與下節(jié)電容單元間N、E端瓷套密封失效，導(dǎo)致絕緣油滲漏進(jìn)入電磁單元油箱。這使得下節(jié)電容單元缺油運(yùn)行，形成復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)。頂層缺油部分單片電容單元因電壓強(qiáng)度高，電場分布不均，能量損耗增加，介質(zhì)損耗增大，導(dǎo)致局部發(fā)熱。

2）該電容式電壓互感器使用膜紙復(fù)合絕緣電容器油介質(zhì)，相較礦物油介質(zhì)，其溶解雜質(zhì)能力更強(qiáng)。在缺油狀態(tài)下，Garton效應(yīng)明顯，易導(dǎo)致介損值偏大。目前雖未造成電容元件擊穿，但如不及時處理，可能導(dǎo)致局部電容單元擊穿，絕緣性能劣化，甚至互感器爆炸。

綜上，此次220 kV電容式電壓互感器發(fā)熱缺陷的根本原因是廠家出廠工藝不良導(dǎo)致的瓷套密封失效，引發(fā)絕緣油內(nèi)部滲漏，導(dǎo)致缺油運(yùn)行狀態(tài)下介損偏大及發(fā)熱現(xiàn)象。

4 改善措施

1）為提升產(chǎn)品質(zhì)量，需加強(qiáng)產(chǎn)品出廠環(huán)節(jié)的監(jiān)督。此次事件暴露出產(chǎn)品密封性能問題，導(dǎo)致電容單元缺油運(yùn)行。因此，生產(chǎn)廠家應(yīng)嚴(yán)格把控設(shè)備生產(chǎn)過程中的技術(shù)監(jiān)督工作，減少因生產(chǎn)工藝不當(dāng)引發(fā)的設(shè)備缺陷與潛在風(fēng)險，降低缺陷事件的發(fā)生概率。

2）應(yīng)完善現(xiàn)行《規(guī)程》，以界定介損增長幅度。歷史數(shù)據(jù)對比顯示，某CVT在2022年3月預(yù)試時，C12介損值存在異常增長趨勢，雖在《規(guī)程》范圍內(nèi)，但與交接試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較為接近?，F(xiàn)有《規(guī)程》未明確介損值與歷史值比較異常增長時的應(yīng)對措施，缺乏明確指導(dǎo)。

3）為確保交接試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，需加強(qiáng)設(shè)備交接試驗(yàn)全過程管理?？紤]出廠日期為2018年2月，交接試驗(yàn)在2020年4月進(jìn)行，停電放置時間長，可能增加Garton效應(yīng)風(fēng)險。因此，在交接驗(yàn)收中，如遇介損異常偏大，應(yīng)審慎選擇試驗(yàn)順序，建議先進(jìn)行高電壓試驗(yàn)再復(fù)測介損。

4）在日常預(yù)試中，電容量正常但介損異常增大的情況常見，可能與Garton效應(yīng)有關(guān)。為避免誤判，應(yīng)采取以下措施：一是加強(qiáng)生產(chǎn)過程的技術(shù)監(jiān)督，提升產(chǎn)品質(zhì)量;二是對運(yùn)行時間長的CVT，在停運(yùn)后數(shù)小時內(nèi)進(jìn)行周期試驗(yàn);三是發(fā)現(xiàn)電容量正常但介損偏大時，應(yīng)進(jìn)行高壓介損試驗(yàn)確認(rèn)。

5）紅外精確測溫技術(shù)有助于及時發(fā)現(xiàn)電壓致熱型設(shè)備內(nèi)部缺陷，應(yīng)在專業(yè)巡視中積極應(yīng)用。發(fā)現(xiàn)紅外測溫異?；蛉毕輹r，應(yīng)立即停止設(shè)備運(yùn)行并進(jìn)行診斷性試驗(yàn)，以預(yù)防設(shè)備事故。

6）CVT發(fā)熱缺陷源于廠家密封工藝問題，可能引發(fā)批次性質(zhì)量問題。因此，對同一廠家、型號、批次的CVT應(yīng)特別關(guān)注，加強(qiáng)紅外測溫、油位檢查等監(jiān)測，預(yù)防潛在事故。

5 結(jié)束語

本文通過對220 kV電容式電壓互感器（CVT）運(yùn)行中異常發(fā)熱缺陷分析發(fā)現(xiàn)，CVT的異常發(fā)熱現(xiàn)象主要由內(nèi)部絕緣老化和廠家出廠工藝不良引起。為了提高CVT的運(yùn)行可靠性，延長其使用壽命，建議在設(shè)備設(shè)計和制造過程中加強(qiáng)對絕緣材料的選擇和質(zhì)量控制，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保接觸部位的可靠性。此外，在設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)過程中，應(yīng)定期進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)防性試驗(yàn)，及時發(fā)現(xiàn)和處理潛在的缺陷和問題。

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收稿日期：2024-06-14

作者簡介：蘇剛（1991—），男，貴州遵義人，助理工程師，研究方向：高電壓技術(shù)、電力設(shè)備絕緣狀態(tài)、電力設(shè)備機(jī)械特性等。