电容式电压互感器运行中常见异常故障及分析

【摘要】针对电容式电压互感器的特点，结合实际运行中电容式电压互感器容易出现的异常及故障，以及出现异常及故障时的具体现象，探讨运行中对电容式电压互感器的监测及异常故障的简单分析判断方法，提出了对电容式电压互感器运行监视的一些注意事项。

【关键词】电容式电压互感器；运行异常及故障；分析判断；运行注意事项

0.引言

电容式电压互感器（Capacitor Voltage Transformer，以下简称CVT）相对于传统的电磁式电压互感器而言是一种较新型产品，在国外已有五十多年的发展历史，国产CVT从1964年在西安电力电容器厂诞生以来，也积累了四十多年的制造和运行经验，现已进入成熟期。尤其是近十几年，CVT在准确度及输出容量的提高以及成功地采用速饱和电抗型阻尼器使铁磁谐振阻尼特性和瞬变响应特性明显改善等方面有了突破性进展。CVT已达到或超过电磁式电压互感器(VT)的各项性能指标，同时还具有绝缘强度高、不会与系统发生铁磁谐振、高电压下价格较低以及可兼作耦合电容器用于载波通信(PLC)等优点。因此，CVT在我国电力系统中得到广泛应用。在110～220kV，CVT用量已占绝对优势，不仅在新站优先选用，在老站改造中往往用CVT取代VT；330～1000kV等级无一例外地选用了CVT；即使在35～66kV，CVT价格并不占优势，考虑到从根本上消除VT与系统产生的铁磁谐振，有的变电站也选用了CVT。

1.结构及工作原理

CVT一般分为电容单元和电磁单元，主要由电容分压器（包括主电容器C1，分压电容器C2）、中间变压器T、补偿电抗器L、阻尼装置D及保护装置F等元件组成，它利用电容分压器将输电电压降到中压（10～20kV），再经过中间变压器降压到100V或100/√3V供给计量仪表和继电保护装置。

电容分压器构成CVT的电容单元，由瓷套和装在其中的若干串联电容器组成，瓷套内充满保持0.1MPa正压的绝缘油，并用钢制波纹管平衡不同环境以保持油压，其同时可用作耦合电容器连接载波装置。电容分压器由C1和C2串联组成，其结构为上下两节（以220kV CVT为例），上节为一节电容器C11，下节分两部分C12和C2串联，C11和C12运行中串联组成C1，C2的两端接中间变压器，C2/C总为电容分压器的分压比，分压比越大，二次电压越低。

电磁单元由装在密封油箱内的变压器T、补偿电抗器L和阻尼装置D组成，油箱顶部的空间充氮。一次绕组分为主绕组和微调绕组，一次侧和一次绕组间串联一个低损耗电抗器。由于电容式电压互感器的非线性阻抗和固有的电容有时会在CVT内引起铁磁谐振，因而用阻尼装置抑制谐振，阻尼装置由电阻和电抗器组成，跨接在二次绕组上，正常情况下阻尼装置有很高的阻抗，消耗功率很小，不影响测量准确度。当铁磁谐振引起过电压，在中间变压器受到影响前，电抗器已经饱和只剩电阻负载，使振荡能量很快被降低。为了限制在电磁单元发生铁磁谐振时中间变压器一次侧的电压，在中间变压器装设有保护避雷器F。

电容分压器和电磁单元的连接结构有两种：一种是单元式结构，即分压器和电磁单元分别为一单元，中压连线外露；另一种是整体式结构，分压器和电磁单元合装在一个瓷套内，中压线不外露，无法使电磁单元同电容分压器两端断开。

2.常见异常故障及分析

由于受设计制造经验、工艺水平和原材料等多种因素的限制，CVT在实际运行中也会出现一些与其本身结构、性能特点等有关的异常情况，严重时可能发展为事故。运行中如不能及时发现，则会影响电网的安全稳定运行。因此，随着CVT在电力系统内的大规模普遍应用，要求运行人员能够及早发现CVT出现的异常现象并准确判断、及时汇报、尽快处理，以避免事故的发生。CVT常见的异常及故障现象主要有以下几种：

2.1 CVT电容分压器部分电容单元绝缘击穿

CVT的高电压主要由电容分压器承受，最容易出现问题的就是电容分压部分，因而电容器介质材料的选用和质量的保证是十分重要的。上世纪八十年代，一种新型的电容器介质材料开始出现：即聚丙烯薄膜与电容器纸复合浸渍有机合成绝缘油介质。由于薄膜耐电强度是油浸纸的4倍，介质损耗则降为后者的1/10，加之合成油（主要是烷基苯）的吸气性能良好，采用膜纸复合介质后可使CVT电容量增大，介损降低，局部放电性能改善，绝缘裕度提高。同时由于薄膜与油浸纸的电容温度特性是互补的，合理的膜纸搭配可使电容器的电容温度系数大幅降低。这些都为CVT准确度提高和额定输出增大以及运行可靠性的提高创造了条件。因此目前几乎所有的电容器介质材料都采用聚丙烯薄膜与电容器纸复合浸渍有机合成绝缘油介质来取代传统的电容器纸浸矿物油介质。电容器在生产制造过程中，如果电容单元干燥不彻底，残余水分较多，存在局部受潮现象，吸附在绝缘纸内层的水分子运动不断加剧，运动范围逐渐扩大，从而导致绝缘击穿。而真空干燥处理温度及在该温度下经受的时间控制不当，从而导致介质、尤其是聚丙烯膜的提前老化，同样也会导致绝缘击穿。为了降低电容器元件边缘场强，目前经常采用铝箔折边、突出的新结构，有的采用较厚铝箔作元件电极的引出，而不用传统的铜引线片，这可防止引线片对介质的损伤并能使边缘场强均匀。如果产品的制造工艺存在问题，引箔片周边压制不平整，存在毛刺等，当CVT投入运行时，使得引箔片周边电场分布畸变严重，所承受的电场强度较其它电容单元大，再加上常年的运行累积效应，最终导致电容元件绝缘部分击穿，由于受材料和工艺的影响，每节电容器组连接处的电容元件最容易被击穿。另外，真空干燥处理温度过高，也会因薄膜的热收缩而导致铝箔的横向皱褶严重，导致皱褶处电场分布不均匀，最终导致绝缘击穿。

根据CVT的结构原理，经粗略分析可知，如果C2内部部分电容被击穿短路，会造成C2的电容量增大，若C1电容基本不变，则运行中C2分压的电压（T的一次侧电压）将减少，从而造成T2二次侧输出降低，实际运行中的现象为故障相CVT二次电压降低，同时由于三相电压不平衡而导致开口三角电压异常升高；反之，若C1内部部分电容被击穿短路，会造成C1的电容量增大，若C2电容基本不变，同理运行中C1分压的电压将减少，在系统实际电压基本稳定不变的情况下，C2上将分得更大的电压（T的一次侧电压）从而造成T2二次侧输出升高，实际运行中的现象为故障相CVT二次电压异常升高，同时由于三相电压不平衡而导致开口三角电压异常升高。二次电压异常降低或升高以及开口三角电压的异常升高幅度，在系统电压一定的情况下，与电容单元击穿损坏的数量及损坏电容单元个数在C1或C2中所占比例有关。例如：某500kV线路新投后，在测向量的工作中，保护人员发现该线路C相CVT的二次电压比两外两相低4V，而开口三角电压为3.82V；某变电站在运行中发现220kV故障录波器不停启动，经现场检查故障录波器及测量该220kV系统CVT二次电压后发现，该220kV C母线C相CVT二次电压比另外两相低6.5V，而开口三角电压高达6.04V；某500kV变电站运行中发现该站220kV系统A母线B相二次电压较高，约为62V，开口三角电压为3.74V。