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110220kv，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；3301000kv等级无一例外地选用了cvt；即使在3566kv，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（1020kv），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。通过以上分析，提出如下运行注意事项：（1）新投运的cvt，要注意监视二次电压及开口三角电压情况；（2）运行中的cvt，当发现二次电压及开口三角电压异常时，要注意分析及跟踪观察，做好电压的连续记录，以便分析异常发展情况；（3）由于保护装置及故障录波器装置的启动元件比较灵敏，当发生保护或故障录波器连续启动的情况时，在排除了系统及装置自身的原因外，对于cvt，应重点怀疑电容单元部分击穿损坏的情况；（4）由于当cvt的部分电容单元击穿后，其余正常的电容单元将承受超过自身额定电压的电压，此时正常的电容单元也因承受过电压而容易击穿，所以该类故障的发展呈加速发展趋势，即越到后来电容单元损坏的速度越快。因此当运行中发现二次电压异常升高、降低及开口三角电压异常升高，并经检查后分析判断为cvt内部电容单元部分损坏时，能立即退出的应立即退出运行，不能立即退出的应做好观察记录及分析，根据异常发展趋势尽快将其退出运行。2.2 cvt电容分压器串联电容末端失去接地点或接地点接触不良由于cvt的电容分压原理，其电容分压器串联电容的末端（尾端）在运行中必须接地，因为如果由于某些原因在运行中造成末端失去接地或接地点接触不良，那么末端对地会形成一个电容，而这个电容远小于串联电容器组各电容单元的电容，按照电容串联原理，将在末端与地之间形成很高的悬浮电压，造成电容器末端对地放电，烧毁附近的其它元件，严重的还会引起cvt爆炸事故。例如，某500kv变电站2号主变停电进行c类检修，同时还有cvt等加装在线监测装置的工作。18:30，全部工作结束开始送电。首先将2号主变及其附属设备由检修状态转换为冷备用状态，然后开始由冷备用转运行，按照操作顺序，先合上500kv侧2号主变边断路器的母线侧隔离开关，然后开始合500kv侧2号主变边断路器的主变侧隔离开关，当该隔离开关刚刚合上时，2号主变500kv侧cvt开始发出很大的异常响声，声音类似于电锯锯木板时的声音，又有点象防空警报。操作人员立即将刚刚合上的500kv侧2号主变边断路器的主变侧隔离开关拉开，异常响声消失。随后经检查发现，在cvt加装在线监测装置的工作中，由于厂家人员对该型cvt的二次接线端子不熟悉，误将cvt电容器的末端端子打开，而相关验收人员又没有及时发现，才导致运行中的cvt失去末端接地。cvt完全失去末端接地点时，cvt本体会发出异常大的声响，同时二次电压出现波动现象；当cvt末端接触不良时，cvt本体也会有轻微的异常声响，电容分压器末端接地端子有程度不同的发热现象，同时二次电压出现波动现象。因此，当运行人员发现二次电压波动现象时，要立即到现场检查cvt本体的运行情况，如果同时伴随有异常声响，则说明是cvt电容器末端接触不良或完全失去接地，此时应立即退出cvt，如果没有伴随异常声响，则可能是二次电压端子接触不良，汇报上级后待专业人员检查处理。变电站内的电容型设备除cvt外，还有电容式电流互感器、电容式主变压器套管等，因此在实际运行中还需要注意以下事项：（1）新cvt等电容类设备投运时，必须认真按照规程要求，切实履行设备交接验收把关的重任，避免电容器末端（末屏）失去接地点或接触不良的cvt类电容设备进入使用环节；（2）cvt类电容设备检修后，运行人员在验收设备时还需要注意对电容器末端（末屏）接地情况进行检查验收，此时就要求运行人员必须熟悉末端（末屏）接地的各种不同类型及形式，才能判断是否接地及接地是否良好；（3）运行人员在巡视设备时，除其它应该巡视的项目外，还需要注意检查电容类设备末端（末屏）接地装置是否出现渗漏和油污情况，末端（末屏）接地处有无异常放电情况，另外，在用红外测温装置测温时，还应增加对末端（末屏）接地位置的测量，发现异常应及时上报。2.3 cvt电磁单元内部故障或异常由于cvt原理及结构的不同，相对于常规的电磁式电压互感器（vt），不仅多出了电容分压器部分，并且电磁单元部分也比vt多出了补偿电抗器l、阻尼装置d及保护装置f等电气元件，因此电磁单元发生故障的几率也要高于vt。例如：某500kv变电站的某500kv线路a相电容式电压互感器（整体式结构）在电网正常运行条件下，与之相关的保护误发信号，3个二次电压线圈全部无电压输出。后经检查发现电磁单元变压器至分压电容器之间的联结线因过长而与箱壳碰接，并有明显的烧伤放电痕迹，随后将该联结线缩短，并用绝缘材料包扎固定，回装完毕后，投入运行正常，该故障点消除；某220kv变电站运行人员在巡检中发现220kv某线路保护装置线路电压为零，经保护人员对电压器互感器二次回路进行检查,二次回路完好,于是进一步对电压互感器本体进行检查。经检查发现cvt中间变压器一次绕组高压端保护用