刘松美
（无锡日新电机，江苏 无锡 214000）
近年来随着国家电力工业的大力发展和市场需求，110 kV 以上的电容式电压互感器（capacitor voltage transformer，CVT）作为一种功率测量兼计量用的电压信号取样装置，在电力系统中得到了广泛应用，产品也凸显出了一些问题，CVT 产品在运行过程中二次电压出现异常问题较为常见，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苏州某变电站的500 kV 的CVT 产品。该产品在现场运行时二次电压异常，造成CVT 三相开口电压保护动作。本文从产品的设计原理出发，对产品产生不良原因点逐项排除并通过解体分析，结合试验方法进行试验验证，并从设计角度，进行产品的工艺设计改良。
CVT 的构造主要包括电容分压器和电磁单元两部分[1]，电容分压器由高压电容C1和中压电容C2串联而成，一次侧的高电压经电容分压器分压后，从中压端子引出中间电压，再由电磁单元中的中间变压器转换为客户需要的二次电压，供二次回路的测量和继电保护之用[2-4]。500 kV 电容分压器为3 段式，电容分压器的高压电容C1由C11、C12、C13组成，其中C1、C12安装在上节和中节瓷套中，C13和C2安装在下节瓷套中[5-6]。
电容式电压互感器电气原理见图1，图1 中U1为系统运行电压，U2为转变的中间电压，电容分压的原理为：
图1 电气原理图Fig.1 Electrical principle diagram
该500 kV CVT 产品在运行中二次电压出现异常，造成三相开口电压异常，使继电保护装置动作，产品不能正常运行，客户紧急调换该产品后，对故障品进行解体分析。
3.1 电磁单元部分
1）进行二次绕组的直流电阻测量，判定是否存在匝间短路造成二次电压输出异常[7-8]。
2）通过从二次绕组加压，利用电磁感应对电磁单元进行三倍频试验，检验一次中变变压器线圈是否存在匝间短路，如有短路将会阻止磁通的变化，会造成二次感应电压降低，试验原理见图2。
图2 感应耐压试验电路Fig.2 Induction voltage test circuit
3）用于补偿电抗器两端并联保护的氧化锌避雷器如果发生击穿将会使电容分压器上的等值容抗分去一部分电压，使U2变小，从而会使二次电压降低，检验避雷器是否内部击穿[9]。
3.2 电容分压器
500 kV CVT 电容分压器的元件参数见表1。
表1 电容分压器的元件参数Table 1 Parameters of capacitive voltage divider
通过参数可以看出，高压部分C1由241 个电容器元件组成，击穿一个高压部分元件，C1电容量变化量为1/241=0.4%，对二次电压的变化量影响较小，而中压部分C2部分由11 个元件组成，若击穿一个元件，C2电容量变化量为1/11=9.1%，对二次电压影响较大[10-11]，由于C1和C2中的电容元件都是串联，如果C2有一个或多个元件击穿，C2的值就会变化很大，根据U2=U1×C1/（C1+C2），U2输出电压会明显降低，造成运行中CVT 三相开口电压低于正常值而引起保护动作异常[12-16]。
3.3 开口三角电压
产品中C1和C2损坏的情况，见表2 和表3，正常运行情况下，CVT 三相保持平衡，由每相二次绕组中的保护绕组dadn 组成的开口三角电压近似为0；
当绕组dadn 二次电压发生异常时，会造成开口电压异常。正常情况下产品的一次电压U1为按照3.2 章节的参数计算得出一个元件承受的电压为1.145 kV，中间电压U2为12.6 kV。表2 和表3 给出了C1和C2分别损坏一个元件时对开口三角电压的影响，可以看出，损坏C1中的一个元件对开口三角电压的影响较小，损坏C2中的一个元件以上对开口三角电压的影响较大，造成系统三相电压不能够平衡，继而造成保护动作。
表2 C1损坏一个元件的情况的开口三角电压计算Table 2 Calculation of open triangle voltage in case of damage of one element of C1
表3 C2损坏一个元件的情况的开口三角电压计算Table 3 Calculation of open triangle voltage in case of damage of one element of C2
4.1 产品解体分析
对产品的电容分压器和电磁单元部分进行解体，经检查发现电磁单元中间变压器的高压引线因连线过长而与箱壳接触，并有明显的烧伤放电痕迹，纸包外包线已经烧焦发黑，电磁单元部分可能进行了短接，使电压不能反向传递，与箱壳接地形成了回路造成二次电压异常，进一步试验验证电磁单元中部件是否损坏[17-19]。
通过对电容分压器电容量的实际测量与额定值比较，见表4，中压电容量C2明显偏大，分析认为是内部元件击穿，输出电压随之降低。
表4 电容量变化量比较Table 4 Comparison of capacitance variation μF
为进行论证进一步对电容分压器部分进行解体，放完油后将电容器心子抽出，对单个元件逐个进行电容量的测试，正常单个元件的电容量为1.26 μF，经解体发现C2中有1 个元件击穿损坏，与测试容量变化相符。
4.2 试验验证
按照3.1 节描述的判断方法对电磁单元部分进行试验。
1）进行二次绕组的直流电阻测量，经测算，见表5，直流电阻都在标准范围内，说明二次绕组间无匝间短路[20-21]。
表5 二次绕组的直流电阻测量Table 5 DC resistance measurement of secondary winding
2）对一次绕组感应耐压试验：频率150 Hz，时间40 s，电压38 kV，通过，电压没有回落，证明一次绕组匝间无短路现象。
3）经测量氧化锌避雷器绝缘电阻在10 000 MΩ以上，属于正常情况，可以排除避雷器引起的隐患。
4.3 故障原因总结
从以上电磁单元部分试验验证来看排除电磁单元内部部件损坏原因。二次电压输出异常的原因为C2中压电容增大引起，而C2中压电容增大的原因应是一次高压引线外部绝缘损坏，接触箱壳并出现击穿放电的现象，在一次引线与C2、箱壳直接形成了充放电回路。因一次引线外绝缘是油纸介质，他的绝缘性能不可恢复的，弧道电阻较大，运行中引线与箱壳间容易形成间歇性高频电弧。一方面系统电源对C2进行不断供电，另一方面C2通过箱壳构成的回路放电的弧道电阻又较大，使之无法充分放电，残留有部分电荷。当高频振荡电弧电流对它反向充电时，使其端电压叠加，绝对值增大。在不断交替进行过程中，导致C2两端的电压达到数倍额定电压，在这种情况下就会有一个或几个元件因两端承受的电压过高而导致击穿，从而使中变一次分得的电压变低，进而使二次感应的电压变小，基于其他2 台互感器的剩余绕组电压是正常的，必然会导致开口三角电压不平衡。
5.1 一次高压引线设计改善
对高压端子外绝缘进行设计改良，对原来纸包外绝缘改为用高绝缘强度设计的硅胶材质护套线，根据各产品油面高度不同对电容分压器连接C2的距离进行连接线距离控制，并对现场工艺制作要求进行改进，严格控制高压端子引线长度，对不同产品箱体，防止高压引线碰触箱壳和电容分压端子用白纱带进行扎紧固定位置[22-23]。
5.2 二次引线设计改善
为防止隐患并对电磁单元内其他二次连线进行外绝缘保护加套1 层高绝缘的自熄管，并用白纱带进行扎紧固定位置，以免二次绕组引出在运输晃动中与箱壳碰触，造成绝缘不良[24-29]。
通过本次对CVT 故障原因的异常分析及验证，现场开口三角电压发生异常的原因为一次高压端子与箱壳接触放电形成间隙性回路造成二次电压异常，并在过电压的情况下造成C2元件击穿，对一次高压引线和元件引出线进行设计改良后，杜绝了类似问题发生，通过本次故障事故总结，产品制造应严格把关制作工艺，对设计改良加强工艺的跟踪确认，以确保产品技术性能稳定。
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