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CVT电容分压器末端放电故障分析
摘要：电容式电压互感器（CVT）具有绝缘裕度大、抗谐振强度高等优点，在电力系统中得到广泛运用，维护其正常运行是保障电力系统可靠性的必要条件之一。CVT是由电容分压器和电磁单元组成，由于结构相对复杂，在运行过程中会出现各种各样的问题，其中以CVT本体发生异常放电并导致漏油的故障较为突出。本文通过对一台110kV CVT电容分压器末端发生放电并导致漏油的产品进行解体分析和试验验证，得出了故障原因，并提出了改善措施。
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随着我国电力工业的发展，电力需求正在持续快速增长，由于电容式电压互感器（CVT）具有冲击绝缘强度高，可以避免因电磁式电压互感器铁心非线性电感与线路电容构成的电力系统铁磁谐振条件，所以近几年在电力系统中应用的数量巨大，在电力系统中的使用越来越广泛，特别是在110kV及以上电压等级的系统中已占绝对优势，不仅在变电站、发电厂中大量使用，而且在变电站母线和发电厂计量关口等重要节点上也在逐步代替电磁式电压互感器作计量和保护使用。
由于CVT在电力系统中的广泛应用，CVT出现的故障也凸显出了一些问题。近年来CVT挂网运行过程中产品异常放电并导致漏油的故障时有发生，给客户现场产品正常运行带来了很大困扰。本文所研究的是运行于河北某变电站的110kV CVT产品。该产品在现场运行时电容分压器末端没有接地，导致其对二次端子板放电并产生裂纹，造成电磁单元漏油的故障。本文从设计原理出发，对产品放电原因逐项排除，通过解体分析结合试验方法进行试验验证，从设计角度进行了产品的工艺设计改良。
1、产品设计原理
CVT是一种由电容分压器和电磁单元组成的电压互感器，其中电磁单元主要由中间变压器、补偿电抗器、阻尼器、避雷器等部分组成，其工作原理图如图1所示。
图1 CVT工作原理图
CVT是利用串联电容分压，当施加电压于C1和C2组成的电容分压器时，其可视为一个两端口网络，输入端为高压端和地端，输出端为中压端和地端，根据戴维南定理，中压端电压可以用一个等值电压来表示，即：
电容分压器分压比：
CVT电容分压器可兼作耦合电容器供高频载波通信用，作载波通讯时电容分压器末端N需经结合滤波器接地，不作载波通讯运行时N端必须直接接地。由于现如今信息传输十分发达，目前国内已经很少采用借助输电线路载波通讯这种方式来传输信息了，所以通常CVT电容分压器末端N端子与电磁单元中间变压器末端E端子要在产品二次端子盒内通过铜短接片短接后直接接地。端子盒内接地示意见图2。
2、故障情况描述
该110kV CVT产品在送电运行后经巡视发现电磁单元部分有放电声，二次侧电压监测值无明显异常，电磁单元二次端子盒内漏油，停电后打开二次盒门发现二次端子板有严重的放电灼烧的痕迹且二次端子板存在裂纹，接线端子N和E之间未发现连接用短接片，产品不能正常运行，客户紧急调换该产品后，对故障产品进行解体分析。
图2 二次端子盒示意图
3、可能的故障原因及判断方法
3.1 电磁单元部分
1）首先需进行电磁单元中间变压器的空载试验，判断是否存在二次匝间短路导致电流急速升高造成端子板被烧坏。
2）其次怀疑产品本体发生铁磁谐振且未能阻住，导致现场电磁单元有放电声。需对产品进行铁磁谐振试验，通过二次短路后突然消除短路的方式来激发产品自身铁磁谐振，验证阻尼器能否可以在规定时间内阻断铁磁谐振。如果阻尼器损坏，那么持续的谐振过电压和过电流亦有可能损伤电磁单元各零部件，导致二次端子板损坏漏油。
3.2 电容分压器
1)110kV CVT电容分压器的出厂主要设计参数如表1所示，通过产品参数可以看出，高压部分C1由66个电容元件组成，中压部分C2由17个电容器元件组成，击穿一个C1高压元件，C1电容量变化量为1/66=1.5%，当C1一个或多个元件击穿时其电容值将会变大，假设C1在某种过电压下一定时间内损坏50%，则C1电容值将变成约为额定值的两倍，根据,Uc输出电压将会明显升高，造成电磁单元过热，二次端子板有可能被烧坏并漏油。
表1 电容分压器设计参数表
2）如果电容分压器不作载波通讯运行时，电容分压器末端N必须可靠接地，如果N端子没有接地，此时在N端与地之间相当于串入一个电容量较小的电容C3，其电容值或将远小于产品总电容值，原理如图3所示。
图3 N端不接地时原理图
此时一次电压相当于施加在C0和C3组成的电容分压器上，根据戴维南定理，N端电压将变为：
式中，C0———总电容，pF
C3———N端对地电容，pF
显然，当电容分压器N端与地一旦开路，假设C3电容值足够小，其对地将产生一个高悬浮电压，造成N端对地放电，使二次端子板在高温电弧下烧坏，导致电磁单元漏油，进而威胁到整台互感器的安全。
4、产品解体分析和试验验证
对产品的电容分压器和电磁单元部分进行解体检查，经检查发现产品端子盒内端子N和E之间没有采用短接片连接，只有中间变压器末端E通过接地线接地，N端对端子板金属压板放电，并有明显的放电灼烧痕迹。为验证产品具体原因，按照第3节描述的判定方法对电磁单元和电容分压器进行相关试验。
1）进行电磁单元中间变压器的空载试验，从二次侧施加额定电压，测试中间变压器铁心的空载电流和空载损耗，经测量，数据如表2所示，空载电流和空载损耗较出厂值变化很小，说明二次绕组间无匝间短路。
表2 中间变压器空载试验
2）通过二次短路后突然消除对产品整体进行铁磁谐振试验，分别在0.8U、1.0U、1.2U、1.5U倍额定一次电压下每点进行3次试验，铁磁谐振振荡结束时间均在标准范围内，证明阻尼器没有损坏。
3）相应的电磁单元其他各项试验也都合格，电磁单元的问题基本可以排除。为验证电容分压器C1部分电容元件是否损坏，遂将产品拆解后对电容分压器单独进行介质损耗和电容量测量,其结果如表3所示。根据测试数据可知，电容分压器总电容C0、高压电容C1和中压电容C2电容值均在合格范围之内，且初值差较小，其中高压电容C1电容量初值差也只有0.63%，故可判断此台产品电容器元件正常，电容分压器没有损坏。
表3 各电容单元电容量及介质损耗(tanδ)测量数据
4）如果电容分压器末端子N未能有效接地，那么只要测出N端与地之间的C3电容值，便可计算出N端的悬浮电压。将故障产品电容分压器末端N与地之间的放电痕迹清理干净，用专用数字电容表测试N端对地电容，为了确保数据的准确性，随后又选出两台全新的相同型号的产品，采用同样的方法测试N端对地电容，测试数据见表4。
表4 C3电容测量数据
通过上述参数可以知道故障产品C3电容值与正常产品相差不大，取故障产品电容值C3=495pF，产品实测总电容C0=20110pF，按公式计算N端悬浮电压，当如此高的电压施加在N端时，已经远超N端对地的额定耐受电压值4kV，此时极易对最近的接地端子或金属压板放电导致二次端子板发生沿面闪络击穿。
通过上述试验验证结合现场故障情况描述可知，电容分压器末端N未接地，运行中产生了极高的悬浮电压，是此次故障的主要原因。高能放电导致二次端子板产生裂纹，使电磁单元中变压器油发生泄漏。因此电容式电压互感器运行时电容分压器末端N必须可靠接地。如果没有接地，产生超高的悬浮电压能够在很短的时间内对地发生沿面闪络击穿，其放电路线清晰，且击穿时间很短，通常二次监测电压不会发现明显异常。
5、产品设计改善
1）改善电容分压器末端接地方式，将CVT电容分压器末端N与中间变压器末端E在产品二次端子盒内通过两根独立的接地线接地，在接地一端将两根接地线焊接在同一个OT端子上然后接地，可有效避免现场验收试验或产品安装调试过程中，由于疏忽将铜短接片拆下来后忘记恢复，最终造成电容分压器末端没有接地。
2）电容分压器末端N与接地端子之间并联一组放电间隙，将放电间隙动作电压值整定为3kV，当N端接地断开时，可以通过放电间隙对地导通，且放电间隙动作后的放电声音可以提示现场巡视人员尽快发现异常，有效防止N端悬浮放电的故障。
6、结束语
造成电容分压器N端未接地原因有很多，包括产品接地线OT端子焊接不牢，或是产品现场验收试验后试验人员忘记将短接片恢复等原因，导致产品投入运行后N端对地产生悬浮电压，其电压值已经远超N端对地所能承受的标准耐压值，会在很短的时间内对最近的接地端放电并导致二次端子板开裂，如果长时间未发现将会威胁到整台互感器的安全。通过本次故障原因的异常分析及验证，对电容分压器末端接地进行设计改良后，杜绝了类似问题的发生。
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文章来源:吴奇松,夏君宇,赵国庆等.CVT电容分压器末端放电故障分析[J].变压器,2024,61(01):62-65.
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