电容式电压互感器常见的几种故障分析判断方法

汪一波

摘要：介绍电容式电压互感器（capacitor voltage transformer，CVT）的特点，针对目前运行中电容式电压互感器常见故障，提出故障分析判断的方法。结合现场案例分析因电容式电压互感器（CVT）异常而发现的电容击穿情况，并依据工作中CVT二次电压幅值和波形的运行情况，探讨了运行中CVT后台电压的监测及分析方法。

关键词：电容式电压互感器;电压曲线;常见故障判断

引言

电容式电压互感器（CVT）与电磁式电压互感器（PT）相比，具有绝缘强度高、不产生铁磁谐振、价格较低、可兼作耦合电容器用于载波通信（PLC）等优点，在我国电力系统中得到广泛应用。由于电容器元件设计场强高于其他电气设备，故而容易击穿，这又使电容量和介质损耗增大，二次电压偏高，严重时会导致主绝缘击穿，引起高、中压电容尤其高压电容爆炸。电容元件的损坏必然会影响电力系统的安全运行，主要表现为运行中二次电压异常或预防性试验中电容分压器电容量和介损超标。为提前发现或监视CVT 的运行状态，检修人员对有问题的CVT 进行了试验分析和解体检查并进行了大量的数据分析，最终得出了一个CVT故障判断的参考依据。

电容式电压互感器是一种由电容分压器（由高压电容C1及中压电容C2组成）和电磁单元（由中间变压器、补偿电抗器、保护间隙组成）组成的电压互感器。通过电容分压器的分压，将分压后得到的中间电压（13kV）通过中间变压器降为100/ √3V和100V 的电压。在正常使用条件下工作时，电磁单元的二次电压与加到电容分压器上的电压基本成正比，且相位接近于零，具有接地电压互感器的功能。

1 故障现象

2017年3月2日，调度监控发现110kV某站110kV1M电压越限告警（B相采样），某巡维中心班长立即组织现场检查，发现B相电压（62.4V）比A、C两相（58V）高出3-4V，不平衡度达6.8%，且红外测温B相（33.5度）整体较A、C相高出两度（31.6度）（电压型致热），而10kV 1M51PT三相电压平衡，证明电压偏高为B相互感器自身原因。后现场测量该组PT开口三角形电压达5V。后紧急申请停电试验，发现B相电容量（31400pF）较上次测量值（29370pF）高7%（超出厂家要求的5%）。

结合停电试验结果，基本可以判定为电容分压单元的高压臂电容发生击穿，导致二次输出电压升高。该设备为桂林电力电容器总厂2002年产的电容式电压互感器，运行年限为15年。

2 故障情况及现象分析

上述试验数据初步判定为电容分压单元的高压臂电容发生击穿，为进一步验证故障的原因。将CVT进行了解体。设备解体检查情况如下：

1）电容分压单元与电磁单元间存在渗漏，导致电容分压单元油位降低;

2）电容分压单元存在绝缘油电解现象，高压臂电容芯子被击穿，绝缘纸电解、碳化，绝缘油污染严重;

3）电磁单元各零部件未见异常。

因此根据该电容式电压互感器故障表象、试验结果及解体检查情况，可以判定故障原因为：

4）电容分压单元与电磁单元间密封失效，存在渗漏油现象，电容分压单元油位降低，露出顶部电容芯子，在强电场下产生电解效应，析出杂质，绝缘油劣化;

5）杂质进入绝缘油后附着在电容芯子上，在绝缘薄弱处导致电容芯子放电，进一步污染绝缘油，形成恶性循环，最终导致电容芯子击穿。

3 故障分析判断方法的研究

由于CVT是全密封设备，除发生渗漏油、异常声响等较易发现，其他故障一般不易直观发现，必须采取一定的技术手段才能发现运行中可能会出现的异常情况。

1）红外测温

值班员和检修人员例行巡检和常规高压试验方法不能有效地发现此类故障。定期开展红外检测对预知此类异常有很大帮助。因为绝缘破坏前期都伴随着热量产生和持续，用红外检测能及时发现设备过热性和潜伏性故障。由于CVT为高阻抗接地，通常情况下制热原因为电压型制热。

油浸式电压互感器热像特征：以整体温升偏高，且中上部温度大。

故障特征：介質损耗偏大、匝间短路或铁芯损耗增大

处理意见：进行介质损耗、空载、油色谱及油中含水量测量

红外测温B相（33.5度）整体较A、C相高出两度（31.6度）（环境温度约为22度）

2）油位观察

若电磁单元满油 则有可能存在电容分压部分漏油

我们认为造成此电压互感器内部漏油的原因是电容分压器底部低压端子连接处导杆螺丝松动， 密封面倾斜， 密封不严， 因此导致电容分压器内部缺油所致。少油的元件内部会出现局部放电， 长期的放电可能使介质内部参与的油劣化， 出现部分导电微粒， 这就是电容分压器局部发热的主要原因。

3）Tan值

电介质的tan δ值称为介质损耗因数，表征的是电介质中流过电流的有功分量和无功分量的比值。介质是绝缘试验的主要项目之一。它在发现绝缘受潮、老化等分布性缺陷方面比较灵敏有效。在交流电压的作用下，通过绝缘介质的电流包括有功分量和无功分量，有功分量产生介质损耗。介质损耗在电压频率一定的情况下，与tan δ成正比。对于良好的绝缘介质，通过电流的有功分量很小，介质损耗也很小，tan δ很小，反之则增大因此通过介质损失角正切值的测量就可以判断绝缘介质的状态。

绝缘介质在电压作用下都有能量损耗，如果损耗较大，会使介质温度不断上升，促使材料发热老化以至损坏，从而丧失绝缘性能而击穿。因此介质损失角正切值（tan δ）的大小对判断介质的绝缘状况有很大意义。

4）油色谱分析

根据DLT722，220kV及以下互感器油中溶解气体含量（LルL）不应超过下列数值：

CVT 一般为组合式单柱结构， 上半部为电容式，下半部电磁装置。因此，影响CVT正常运行的常见故障有电磁单元故障和电容单元故障两类。

如果是高温过热，将产生少量乙炔，如发生放电型故障，则产生大量乙炔。氢气时油中发生放电分解的气体，但其产生不完全时放电引起的，在伴随氢气含量超标时，同时一氧化碳、二氧化碳含量较大，则可能是固体绝缘受潮后加速老化的后果。局部放电、过热等潜伏性故障均会使绝缘油分解出不同的烃类气体，故障涉及固体绝缘，又会产生CO、CO2 气体，逐渐溶解在油中形成油中溶解气体，气体的含量和组成与故障的性质和严重程度密切相关。通过绝缘油中溶解气体的色谱试验可以有效分析互感器内放电性故障、过热故障。

5）二次电压监测

但是根据CVT的工作特点可知，其本身是计量器具，二次电压的幅值、相位和波形能反映出设备本身的运行状况。实际运行中可利用此，注意监视，选定合理的比照对象，从而可以较早地发现CVT的异常情况。

高压电容为C1等于单个电容C除以匝数N 即：

若高压臂电容发生击穿，则N减小，C1增大，由于电容芯子为串联结构，电容两侧电量相等，可得：

可得：

由上式可知，电容击穿会导致二次电压升高。

1）电容单元击穿个数与电容量变化关系

若击穿1个电容芯子，则，电容变化率，当n=80时为0.0127，根据故障电压互感器停电试验实测电容量变化率，可知击穿电容芯子个数大约为，結和高压臂内绝像油劣化导致电容量降低效应，可认为击穿5个电容电容单元

2）电容击穿个数与电压变化关系根据上述分析及现场实测电压，可认为：，击穿5层电容子后，代入可得代入可得：基本与现场实测二次电压62.4V相符合。

因为负荷影响出现的一次电压波动，往往从100%～110%都有可能，但一般来说，A、B、C三相因负荷影响的电压波动会相对同步，因此，相间差不会这么大，限值5%应该是可以的。关键是如果电容元件击穿，造成的影响是单向变动，不会恢复，因此，如果相间差持续增大，就有可能发现故障。

系统波动导致电压越上限

该站调度自动化系统母线电压告警值设置电压上限报警值设置为117.7是为了躲避躲避电压波动，但是三相电压波动往往是同步，由上图可知，117.7这个值对于单相来说并不是一个安全值。因此可以设置一个程序来判断电压波动是三相同时变化还是某相或者某两项的变化，然后在结合计算三相相间差来实现更加准确的报警。

结论

由于CVT 设备的特殊性，笔者结合实际工作经验，简单介绍采用油位观察、红外测温、二次电压监测、油色谱、介损和电容容量等判断手段，对电容式电压互感器故障进行分析，可及时发现设备异常，有利于设备故障的早发现。