摘要：电容式电压互感器（CVT）运行存在电容器单元击穿、二次电压异常、电磁单元发热等问题。为提高设备安全稳定运行水平，从设备缺陷原因分析、生产工艺调研、专项普查等方面，提出针对性措施，以提高电容式电压互感器运行可靠性。
关键词：电容式电压互感器；缺陷；措施；可靠性；
Study on the operation reliability of capacitive voltage transformer.
WU Huanke1，MA Zhiqin1
（1、Guangdong power grid co.，LTD.Dongguan power supply bureau guangdong dongguan 523000.
2、Guangdong power grid co.，LTD.Guangdong guangzhou 510000.）
Abstract：Capacitance type voltage transformer（CVT）has problems such as breakdown of capacitor unit，abnormal secondary voltage and heat of electromagnetic unit.To improve the level of the safe and stable operation of equipment，from equipment defect cause analysis，special production technology research，survey，etc.，put forward specific measures，in order to improve the running reliability of capacitor voltage transformer（CVT）.
Key words：Capacitance type voltage transformer；The defect；Measures；Reliability；
1引言
电容式电压互感器（CVT）具有冲击绝缘强度高、结构简单、体积小、重量轻、维护工作量小、价格低、不易发生铁磁谐振、可兼作高频通信等诸多优点，在高压电网中广泛应用，但也存在电容器单元击穿、二次电压异常、电磁单元发热等问题。近期，公司连续发生多起电容式电压互感器电磁单元发热、二次电压异常等缺陷，造成较大影响。为提高设备安全稳定运行水平，从设备缺陷原因分析、生产工艺调研、专项普查等方面，提出针对性措施，以提高电容式电压互感器运行可靠性。
2 运行情况分析
2.1 台账规模
广东电网在运35kV～500kV CVT共13592只，运行10年以内的CVT达总数的77%，且随着电压等级越高，10年内产品占比越大。
2.2 缺陷统计
据统计，“重大”、“紧急”缺陷共发生68起，年缺陷率为0.167起/百台年。
按电压等级统计，110kV电压等级 CVT缺陷台数最多，其次为220kV电压等级，因其运行数量较多，缺陷率反而最低。
按缺陷类型统计，表现为信号告警、过热、电气试验不合格、绝缘不良、渗漏、油气试验不合格和机械损坏。前三者是CVT缺陷的主要类型，占缺陷总数的78%。其中信号告警主要表现为二次电压异常或断线告警；过热缺陷主要表现为电磁单元局部过热；电气试验不合格主要表现为预试中电容器单元及电磁单元电容量、介损不合格；绝缘不良表现为电磁单元放电；油气试验不合格表现为电磁单元油色谱试验不合格；机械损坏表现为C1小套管损坏或接线张破损等。
从缺陷部位上看，电容器单元和电磁单元各占缺陷总数的50%。电容器单元的主要缺陷类型为渗漏油或因电容值变化引起的信号告警及电气试验不合格。电磁单元的缺陷类型为组附件如避雷器损坏、匝间短路、阻尼单元损坏等引起的过热或信号告警等。
从投运年限上看，CVT缺陷主要发生在投运5~20年内。其中投运5~10年内发生缺陷的次数最多。
3 典型缺陷案例
3.1 绝缘不良缺陷
3.1.1二次端子绝缘不良
缺陷情况：2016年1月25日，运行人员发现某220kV变电站220kV棉明甲、乙线线路CVT二次接线盒发出可分辨“吱吱”声。
缺陷分析：对CVT进行检查，发现二次接线盒密封圈移位，盒内端子严重受潮、生锈（如图1所示），因连续天气寒冷潮湿，导致线路CVT电容末端接触不良，并使保护间隙放电灼烧。
图1 二次接线盒内部情况
应对措施：检修人员对二次接线盒进行全面清洁、干燥，固定密封胶圈，并对灼伤的放电间隙和CVT电容末端连接部分进行处理，设备后试验正常。
3.1.2 中压抽头绝缘不良
缺陷情况：2013年1月14日，某500kV变电站35kV保护室#2故障录波装置频繁启动，但其他保护均没有启动及异常报警现象。录波波形分析发现均为#2主变 220kV侧B相电压波形有轻微畸变（电压在0.1V左右波动），引起零序电压波形有突变量，判断#2主变 220kV侧B相电压互感器存在异常。
经返厂解体发现：瓷套外面中压抽头处有轻微的放电痕迹，中压抽头密封完好，瓷套内部中压连接完好且无放电现象，电容心子及元件完好无损。
原因分析：瓷套外中压抽头绝缘不良，在污秽、大雨的环境下中压抽头产生了局部电晕放电。
应对措施：由制造厂家对同类型结构产品在中压抽头处加装绝缘护套。
3.1.3 载波接地刀闸未合到位引起的放电
缺陷情况：在2014年12月17日，集控中心值班员操作“将110kV万糖甲线130开关由热备用转运行”，合上130开关后，110kV万糖甲线A相TYD出现“抽水泵响声”的异响。同时，后台机显示万糖甲线线路电压10kV-20kV-30kV不断快速变化。设备紧急停电后现场检查发现，载波接地刀闸处于半分合位置，正常位置应该在接地位置。对设备进行油化验，乙炔含量达1580.22μL/L，说明电磁单元内部存在严重放电。
原因分析：载波接地刀闸未恢复到接地位置，引起悬浮放电。
整改措施：在停电试验后与运行人员确认接地刀闸是否合到位，避免人为故障。
3.2 电气试验不合格缺陷
3.2.1 电容值变化
缺陷情况：2010年03月29日，某500kV站线路CVT的C相第一节电容器（顶端）tanδ及电容量超标。与上次预试结果相比，电容量从20.47nF增长到22.34nF，介损从0.121％增长到1.03％。
对缺陷电容器单元解体分析，发现部分电容元件有明显的放电痕迹，电容纸已经炭化发黑，极间绝缘已被贯穿。
原因分析：造成内部放电的原因是由于电容器制造过程中屏间杂质的存在，在电场和热作用下发生局部放电，并逐渐扩大引起屏间击穿。
整改措施：①更换缺陷CVT；②及时开展电容器电容量及介损测量工作。
3.2.2 绝缘电阻和介损异常
缺陷情况：2014年12月02日，高试一班对500kV砚西甲线线路CVT中间变压器进行停电检查，发现B相绝缘电阻只有280MΩ，介损值为7.404%，A相CVT的介损值1.688%，超过标准要求（1.5％）。
（a）第7、8个元件及之间隔板的放电痕迹
（b）第8个电容元件烧穿
图2 缺陷电容器单元解体情况
表1 CVT中间变压器试验数据
进一步对CVT进行解体检查，解开CVT中间变与上部的电容连接、测试CVT中间变压器对地（连接着二次接线面板时）的绝缘值：192MΩ、介损值3.99%；---该结果不满足标准要求；解开与上部的电容连接、测试CVT中间变压器对地（拆开与二次接线面板的连接后）的绝缘值：1260MΩ、介损值1.62%；该结果与标准要求差异不大。取油分析，变压器油未受潮。
原因分析：由于CVT二次接线盒封盖不严，雨水和潮气会沿着缝隙渗进二次接线盒内部（现场检查发现二次接线盒密封胶圈压紧处存在锈迹和渗水痕迹，如图3所示），导致连接二次接线盒测量时一次绕组对二次及地的绝缘电阻及介损结果异常。
图3 CVT二次接线盒密封胶圈
整改措施：①更换二次接线盒；②加装U形防雨罩，包罩的范围大于封盖的二分之一，避免二次接线盒进水受潮。
3.3过热缺陷
3.3.1中间变匝间短路
缺陷情况：2015年4月，某110kV变电站站110kV冯铁线A 相CVT在巡视工作过程中，通过红外测温，发现两台CVT下部电磁部分中上部温度偏高，比正常相高4℃（如图4所示）。
现场检查情况：现场对该CVT进行试验分析。自激法介损试验时，只能加压到96V，无法达到2.5kV。中间变空载损耗较出厂值明显增大。
原因分析：由于自激法介损试验及中间变空载试验现象，分析认为中间变绕组发生匝间短路。中间变在发生匝间短路时，短路环中流过较大电流，导致电磁单元发热。
整改措施：①更换缺陷CVT；②结合红外测温，开展专项巡维，避免同类缺陷发生。
图4 冯铁线线路TYD红外测温图谱
3.3.2 阻尼单元与箱壁接触发热
缺陷情况：2010年3月19日，在测温时发现某220kV221电压互感器 C相油箱侧壁存在发热异常点，其发热温度为45摄氏度，而参照体温度为25摄氏度.在3月22日复测该发热点温度升至59摄氏度，参照体温度30摄氏度。（如图5、6所示）
图5 红外测温情况
图6 穿心螺杆与箱壁误接触
缺陷分析：进一步对缺陷电压互感器C相解体检查，发现其中穿芯螺杆一端与油箱侧壁相接触，而该金属材质的穿芯螺杆中间位置有两块金属片固定在绕组盖板上，使得绕组盖板经穿芯螺杆与油箱侧壁形成闭环磁路。在该闭环磁路所产生的励磁电流作用下发热。
整改措施：①更换PT油箱内阻尼电阻，并调整位置保证穿心螺杆不会与油箱侧壁接触；②结合红外测温，开展专项巡维，避免同类缺陷发生。
3.3.2阻尼单元中电容器烧损引起的发热
缺陷情况：2016年10月，运行人员对石涧站35kV #1PT B相本体红外测温中发现电磁单元温度最高温度为35度，其他正常相温度为25度。油色谱分析发现氢气、乙炔、总烃含量均超出规程注意值（如表2所示），三比值为1：2：1，故障特征为电弧放电及过热。
表2 油色谱结果（单位：μL/L）
图7 电容器烧蚀情况
为研究CVT运行中异常发热原因，在中间变压器正常接线状态下，一次侧加压并保持在运行电压。中间变压器运行正常，无异响。红外测温发现，阻尼电阻R随着加压时间的增加，温度由原来的25℃逐渐上升，约8min时，温度基本稳定在43℃左右。此时二次剩余绕组af-xf保持额定电压100V，钳表测试其通过电流为0.80A。分别测量电容器的电容值C和电抗起的电感值L，C为288μF，L为38.7mH，容抗不等于感抗，说明电容器和电抗器不在谐振条件。对阻尼单元中电容器解体发现，其中4只（#2、#5、#6、#7）有不同程度的烧蚀痕迹，其电容值由正常的33μF增大至41~47μF，说明电容器存在击穿（如图7所示）。
原因分析：该CVT采用谐振型阻尼单元（如图8所示），正常运行时，电感L、电容C在工频电压下处于并联谐振状态而呈高阻抗，但由于产品质量不良，运行中谐振电容器发生击穿，谐振条件被破坏，流过阻尼单元的电阻中的电流增大，导致阻尼单元发热。
图8 中间变电气原理图
整改措施：更换损坏的阻尼单元。
3.4 信号告警缺陷
3.4.1二次电压不平衡（二次电压偏低）
缺陷情况：2015年5月16日上午，某500kV变电站#1、#2主变录波装置启动，随后复归。当晚19时主变录波装置启动频繁，经现场检查发现#1主变变中CVT三相二次电压不平衡（B相电压为55V，较A、C相正常电压60V低5V）。随后对该CVT进行了红外测温，测试结果未发现异常。
现场处理情况：进行变比测量试验，发现额定电压下一、二次侧变比为2416，而该CVT的额定变比为2200。解体发现C2单元中第21号元件击穿，其余电容器元件正常。
图9 低压电容第21号电容元件放电点
原因分析：第21号电容元件击穿造成的电容值增加是导致二次电压不平衡的直接原因。造成电容屏击穿的原因是由于电容器制造过程中屏间杂质的存在，在电场和热作用下发生局部放电，并逐渐扩大引起屏间击穿。
整改措施：①更换缺陷CVT；②完善技术规范书，加强对CVT制造工艺的要求和出厂产品的质量监督。
3.4.2二次电压不平衡（二次电压偏高）
缺陷情况：2015年12月04日，继保人员在某110kV变电站站工作时发现后台110kV 2M母线二次电压不平衡，C相二次电压偏高（A、B两相为60V左右，C相已达68V）。随后对该CVT进行了试验，试验结果发现该相CVT上节电容的电容量较出厂值增大17.3%，介损达3.349%，超过标准要求。
现场处理情况：对电容器单元解体发现，上节电容共有61个电容元件串联组成，下节电容共有28个电容元件串联组成。解体发现上节电容有10个电容元件击穿。
原因分析：电容值增加是导致二次电压不平衡的直接原因。造成电容屏击穿的原因是由于电容器制造过程中屏间杂质的存在，在电场和热作用下发生局部放电，并逐渐扩大引起屏间击穿。
整改措施：①更换缺陷CVT；②完善技术规范书，加强对CVT制造工艺的要求。
3.4.3二次无电压输出（并联避雷器损坏）
缺陷情况：2014年1月7日，运行人员发现某220kV变电站运行中221PT C相二次无电压输出。现场处理情况：现场停电试验发现，自激法介损试验跳闸，一次绕组直流电阻与出厂值相比明显下降，二次绕组正常。解体分析发现该CVT采用中间变并联避雷器结构，对避雷器解体发现避雷器阀片外表及其接触到的环氧绝缘筒内壁有明显的放电通道（如图10所示），使用万用表测试避雷器环氧树脂筒内壁绝缘电阻，仅为1.931kΩ。
图10 并联避雷器内部放电通道
整改措施：①更换缺陷CVT；②对同类CVT进行排查，加强二次电压监测巡视，必要时进行更换。
3.4.4 二次无电压输出（C1小套管破损）
缺陷情况：2016年2月10日，某220kV变电站后台监控机发出110kV东多线1510 线路CVT失压信号，运维人员到现场TYD熔断器两端测量发现无电压，现场检查一二次设备正常。运维人员随后对该TYD进行红外测温，从红外测温图可见，油箱最高温与最低温温差为5K，不符合标准要求。
现场处理情况：2月15日，试验研究所高压一班对该TYD进行试验，试验中发现该TYD无法使用自激法正常测量，变比试验数据异常，中压互感器B一次绕组直流电阻数据异常。进一步对电磁单元解体分析发现C1尾端小套管末端有明显破损（如图11所示），对套管进行2500V耐压试验，只能升压到912V。
原因分析：C1尾端小套管由于发生绝缘破损，在电场作用下与法兰之间发生闪络放电，导致周围油温升高，发生过热现象。同时因小套管发生闪络放电时，相当于中间变一次对地短路，因而该线路CVT二次失压。
整改措施：（1）更换缺陷CVT；（2）结合二次电压监测和红外测温对同批次产品排查，避免同类缺陷发生。
3.5渗漏油缺陷
3.5.1 密封胶圈破损
缺陷情况：2013年07月02日，某500kV站运行人员在巡视时发现某500kV线路A相电容式电压互感器中、下节之间法兰有渗漏油现象，下节瓷瓶及底部油箱有大面积油迹。
在现场对该电容式电压互感器进行了解体，解体检查发现缺陷电容式电压互感器底部不锈钢封板的U型密封胶圈破裂，出现明显裂痕（如图12所示）。这是导致该电容式电压互感器出现渗漏油的直接原因。
图12 U型密封胶圈破裂
原因分析：根据解体情况分析，该缺陷电容式电压互感器出现漏油的原因为电容器厂装配人员在安装电容器单元下部封板时，由于U型密封圈安装不到位，造成一边过度压紧，而不锈钢封板边缘可能较锋利有尖角，将密封圈一边割开，造成U型密封圈受损并开裂。产品在长期运行中，由于漫升作用，使内部压力不断变化、增加，造成开裂的一边密封圈移位，最终造成该电容器漏油。
整改措施：① 加强对在运的同类型设备进行排查，制定特维特巡。②要求生产厂家对同类型设备密封结构改进，并提供备品对同种密封结构的电容式电压互感器更换。
3.5.2 小瓷套封板裂纹
缺陷情况：2014年4月11日，110kV桂峰线A相CVT二次电压显示为97V，远大于正常电压值（64V）。停电后试验检查发现C1电容器的电容值由出厂值12186pF增大至19600pF。
解体发现，上部电容器单元已干燥失油，且大部分元件已击穿。对电容器进行油色谱分析，乙炔含量达80.09μL/L，说明存在明显放电现象。对小瓷套封板检查发现，小瓷套底部法兰与封板焊接处存在裂纹（如图13所示），经气密试验复检，此裂纹处存在明显渗漏。
原因分析：小瓷套底部法兰与封板焊接处存在裂纹，在产品运行中电容器油不断渗入到电磁单元，造成电容器上部元件失油，绝缘强度下降，从而逐渐击穿，引起二次电压升高。
整改措施：①更换故障CVT；②结合红外测温和二次电压监控，对同类产品运行情况进行排查，及时发现缺陷。
图13 底部法兰与封板焊接处存在裂纹
图14 2a、2n和N接线端烧毁
3.5.3二次接线盒渗漏油
缺陷情况：某供电局运行人员在日常巡视中发现500kV线路CVT C相接线盒漏油，油位已经看不到，该相CVT二次电缆保护管外表有油迹、脏污。打开C相CVT接线盒盖检查发现N端没有接地，连片就放在旁边，2a、2n和N接线端烧毁，接线板下部渗油（如图14所示）。
原因分析：由于人为原因导致N端悬空形成高电位，对周围低压端子放电，致使低压端子绝缘击穿引起CVT二次接线盒漏油，油面严重下降。
整改措施：①N端接地；②加强技术培训，规范二次拆、接线工作，防止误、错、漏拆、接线。
4 防范措施
4.1电容分压器部分
1、为避免渗漏油，要求套管法兰结合处应采用螺栓连接，并配有合适的法兰和密封圈。所有密封圈应为闭合成型件。应采用有压缩限位的密封结构。同时规定在质保期内，若出现渗漏油，应由供应商负责更换全新产品。在质保期外若出现渗漏油，供应商应免费提供密封件及技术支持，彻底解决了运行部门对渗漏油缺陷的后顾之忧。
2、考虑到发生过多起电容芯子皱褶而引起的电容器运行中发生击穿，要求电容器纸、铝箔、薄膜等原材料存放室温控制在16～26℃，湿度40～60%之间，洁净度6级以上，以避免因材料的温湿度差异造成元件卷制时产生褶皱。
4.2电磁单元部分
1、考虑到电磁单元的取油工作，要求取油阀密封结构应优化设计，避免现场取油扭动罩帽时，阀体与罩帽一起转动损伤密封垫圈和因松动而漏油。
2、新增电磁元件必须与电容电压分压器完全隔离，所有互感器外露铁件必须热镀锌”，以减少电磁单元锈蚀的情况。
3、考虑到发生过多起避雷器击穿导致CVT二次失压的事故，要求中间变压器高压侧不应装设交流无间隙金属氧化物避雷器，以杜绝该故障的发生。
4、考虑到发生过中间变压器绕组匝间绝缘短路而引起的二次电压异常、红外异常的事故，要求中间变压器的绕组匝电势应小于1.2V，满足长期使用要求，以减少该故障发生的可能性。
5、考虑到谐振型和电阻型阻尼器容易因过压击穿导致二次电压异常，要求电容式电压互感器应具备用于抑制铁磁谐振的阻尼器，110kV及以上电压等级应采用速饱和电感型阻尼器，不应选用谐振型和电阻型。阻尼器应提供外接端子，方便现场试验。
6、新增补偿电抗器宜采用抽头调感式、固定气隙结构、补偿电抗器并联保护器件宜采用交流无间隙金属氧化物避雷器以尽量避免补偿电抗器缺陷的发生。
4.3出厂试验部分
1、吸纳能源局二十五项反措要求，延长局放测量时间至5min。
2、规定进行0.8Upr、1.0 Upr、1.2 Upr及1.5 Upr（非有效接地系统时1.9Upr）的铁磁谐振试验，每个电压下至少进行3次，较旧版规范书对铁磁谐振试验的考核更为严格。
3、新增了中间变局部放电试验要求，避免中间变带匝间缺陷出厂。
4.4在运设备的运维措施
1、基于二次电压波形的诊断方法。
中间变一次侧并联避雷器在历经多年运行后，非线性特性下降，即未达到工作电压时就会放电，此后绝缘又会恢复。由于其并联在中间变一次侧，进而影响二次电压。在一次侧并联避雷器故障的早期，若避雷器发生间歇性放电，二次电压电压波形将出现间歇性畸变（如图15所示）。基于此，可通过定期巡视CVT二次电压波形对中间变一次侧并联避雷器的运行状态进行诊断。
图15 避雷器间歇放电时CVT二次电压波形
2、油色谱分析法
避雷器浸渍在电磁单元中，当避雷器发生放电时，将在其周围的变压器油中产生C2H2、C2H4等特征气体，通过对气体各组分分析缺陷类型。因此，可将二次电压波形和油色谱分析法相结合对避雷器的运行状态综合判断。
5、结论
本文通过运行分析得出以下结论：
（1）红外测温被证实是有效发现电磁单元局部过热的有效措施，一般温升较正常相高2~3K时应密切注意。
（2）二次电压监测是及时发现电容单元击穿或断线故障的有效措施。其判断标准为：正常情况下二次电压相间差一般不超过5V。
（3）实施以巡视、红外测温、二次电压监测、预防性试验等手段为主，油色谱分析为辅的多手段综合运维、诊断方式是目前确保CVT正常运行，降低设备运行风险的有效措施。
（4）建议后续继续开展二次电压波形分析及其带电测试可行性研究，以更灵敏地发现电容器单元及电磁单元的潜在缺陷。
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作者简介：
巫环科，男，高级工程师，硕士，变电一次设备运行维护研究。
马志钦，男，高级工程师，硕士，变电一次设备运行维护研究。
论文作者:巫环科1,马志钦2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：缺陷论文; 电压论文; 电容器论文; 测温论文; 单元论文; 电压互感器论文; 电容论文; 《电力设备》2018年第24期论文;