王 政，郭 峰，杨 锟，赵恒伟，马霄霖

（国网山东省电力公司滨州供电公司，山东 滨州 256600）

0 引言

电容式电压互感器（Capacitor Voltage Transformer，CVT）将电网一次侧的高电压转化为便于测量的低电压，实现信号传输。CVT 运行中常见故障有：本体故障造成保护及自动装置电压失却；三相或一相高压熔断器熔断；高压一次熔丝未熔断等。其中，电压异常故障包括CVT 二次电压失缺及非正常升降［1］。CVT 二次回路缺失通常是由于二次侧低压断路器存在跳闸、熔丝熔断等造成，导致电网失去对电压的正常监测功能，可能引起保护失压闭锁等更严重情况［2］。造成CVT 电压异常升降的原因包括电容器发生局部电容单元击穿、电容失效或电磁单元等故障。本文分析某站110 kV 母线CVT 电压异常缺陷，探讨缺陷的试验测试方法、数据诊断，并通过解体验证分析的正确性。

1 事故概述

某变电站110 kVⅠ段母线CVT（型号：TYD2110／在运行时，发出TV 断线信号，检查发现B 相母线无电压值显示。保护人员在运行状态下对二次绕组和辅助绕组进行电压测量，反复测量判定该CVT 二次侧输出电压为零，因此自动化系统或仪表误报引起故障的可能性基本排除。故障CVT 停电后，试验人员对CVT 取油样，进行绝缘油耐压、含水量检测及色谱试验分析，然后进行电气试验进行检查和分析。调取CVT 运行数据发现，故障时B 相母线电压CVT 存在约30 min 的过电压情况，如图1所示。

2 CVT 电压异常原理分析

CVT 电容分压器的主要作用是将一次侧的高电压降到某一数值的中间电压，即图2 中压端子所承受电压，该电压通过中压套管由中压连线发送至电磁单元，然后电磁单元将中间电压减小至100 V、的二次电压。当CVT 处于正常运行状态时，其等效电容C 的容抗等于中间变压器漏抗和补偿电抗器L 的感抗之和［3］，确保CVT 二次输出电压满足一定精度。

图1 故障CVT 电压波动

图2 CVT 电气原理

图3 CVT 等效电路

CVT 等效电路如图3 所示，根据CVT 工作原理，其等效电路可以看作由C1、C2组成的电容分压器。

其中，C1为由许多电容元件进行串联组合而成的等值电容。显然，二次电压U2与C1、C2的容抗及一次电压有关。当二次电压U2出现异常升高时，可能出现：中间变压器一次绕组匝间短路；C2部分存在漏油导致介质常数减小，引起容抗升高；C1中某些串联电容元件在电弧作用下烧蚀导致击穿时引起电容值升高等。当C1电容存在漏油情况引起容抗增大时，则带来的后果是引起U2的异常降低。当C2上存在过电压时，保护元件F（结构为：氧化锌避雷器）会发生放电击穿，给予补偿电抗L、中间变压器、分压电容C2一定保护作用。

3 电气试验分析

首先检查CVT 是否有漏油情况发生，外部有没有异常变化，然后采用自激法对该CVT 进行各项数据检测，包括电容量和介损因数。自激法是以CVT的中间变压器作为试验变压器，在其二次侧施加一定的电压进行励磁，通过在中间变压器的一次侧感应出高压作为试验电源来测量C1、C2及tan δ。但是当CVT 的中间变压器发生一定缺陷时，则通过自激法测得数值对于电容器单元实际所处状态无法进行有效体现。试验人员现场使用自激法对故障CVT 进行测试时，仪器仪表提示存在电流过大情况，无法完成自激法测试。表明该CVT 中间变压器或中压电容C2部分可能有一定的缺陷存在，导致用自激法对其进行测试时无法完成。由于该CVT 高压电容与中压电容之间有抽头引出，所以可以用正接线方式对其进行电容量及介质损耗因素测试，进行测试时发现中压电容数据与上次数据对比存在明显异常，数据如表1 所示。另外，CVT 极间绝缘大于10 000 MΩ，符合大于5 000 MΩ 的要求，同时对二次绕组间绝缘电阻进行检测，结果均大于10 000 MΩ，符合大于10 MΩ 的要求。

表1 电容量及介质损耗因数测试数据

Q／GD 1168—2013 《输变电设备状态检修试验规程》中对介质损耗因数的要求是属于膜纸复合类的CVT 应不大于0.25%［4］，电容量初值差不超过±2%。现场实际测量的C2的电容量、介损因数对比历史数据都出现明显增大的现象，通过计算，C2的电容量增大5.62%。一般情况下，受潮、老化或串联电容单元发生元件击穿都可能会引起电容介损因数和电容量的异常增大。由于高、中压电容单元处于同一个瓷套管之内且属于同一个油室，而测试数据显示C1的参数正常，因此排除C2受潮的可能性。另外，高、中压电容各元件承受的电压基本相同，也可排除老化导致C2异常的可能性。因此判断C2介质损耗及电容量异常的原因为其串联电容元件存在放电烧蚀导致电容失效。

4 油样试验分析

热故障、电故障是充油类电力设备中比较常见的两大类型故障。热故障时油裂解产生C2H4和CH4，另外还有可能存在少量的H2和C2H6。当故障发展的比较严重或者考虑存在电的作用时，也会有痕量的C2H2产生。过热的固体纤维素绝缘生成CO 和CO2。电故障时，当存在低能量放电是产生的气体主要是H2、CH4，另外还伴随较少量的C2H4和C2H2产生，当设计固体纤维素绝缘时也可产生较高组分的CO、CO2。主要气体是H2，可占可燃气体的85%以上。高能量的电弧放电时产生较高比例的H2和C2H2，以及相当比例的CH4和C2H4，假如缺陷涉及固体纤维素绝缘，也可生成CO、CO2，同时有游离碳存在，此时C2H2在气体成分中占很大比例，可占可燃气体的30%，同时有相当比例的H2。

为便于对故障CVT 的缺陷分析，取CVT 中间变压器的油样进行试验分析，发现油具有焦味并且呈浑浊状态。分别对油样做耐压试验、绝缘油中水分含量及色谱分析。表2 显示油中水分含量为标准值的3.1 倍，表明CVT 中绝缘油存在受潮情况，也有可能存在放电产生游离碳，使其绝缘耐受强度大大降低。表3 给出了色谱分析结果，油中含有较高成分的C2H2，说明该故障CVT 的中间变压器部分确实存在严重的电弧放电，绝缘已经被破坏。从数据中可以看出H2的体积分数已经超过标准规定值（标准为150 μl／L）的数倍，说明中间变压器存在高能量放电，导致油在高温下发生裂化反应导致生成许多烃类气体。另外，CO、CO2体积分数较大，且与烃类气体同步增长，表明故障涉及固体绝缘，说明绕组的绝缘已经在电弧放电产生的高温下碳化分解。

表2 油耐压及微水含量测试数据

表3 故障后CVT 油样色谱分析数据 μL／L

根据三比值法对该CVT 中可能存在的缺陷类型进行诊断分析计算，如表4 所示。

表4 三比值法编码计算

根据计算得到的编码，初步判断该CVT 内部发生了电弧放电。

结合故障时CVT 电压波动图形，及油色谱试验分析数据、电气试验数据，初步判断CVT 故障时，二次回路出现不稳定的短路负荷，反复谐振导致CVT电压升高，最终因为负荷电流大，导致CVT 分压电容器发生放电烧蚀，另外中间变压器在电弧放电生成的高热量下损坏。

5 解体检查及原因分析

对CVT 进行解体检查，吊出电容分压器部件，发现大量黑色颗粒物（游离碳）存在，如图4 所示。

图4 CVT 底部附着黑色颗粒物

使用万用表测试C1电容量为29 100 pF，C2电容量为65 800 pF，C1电容量正常，C2电容量明显大于于初始值62 380 pF。高压电容C1共有74 个电容元件串联组合而成，测试各个串联元件电容数值［5］，均位于合理的范围之内，显示为2.20 nF 左右。中压电容C1共有34 个电容元件串联组合而成，同样测量各个串联的元件的电容值，发现前32 个电容元件测试数值处于合理的范围之内，均为2.20 nF 左右。最后2 个电容单元测试值为0。检查发现，该两片电容元件电容膜纸已烧蚀碳化击穿，如图5 所示。

图5 第33、34 电容单元电容膜纸已烧蚀碳化击穿

对CVT 中间变压器进行检查发现，中间变压器表面有烧蚀痕迹，如图6 所示。

如图7 所示，对中间变压器一次绕组串联的过电压保护元件，即氧化锌避雷器，进行绝缘电阻测试。该保护元件的主要作用为：抑制铁磁谐振过电压并限制二次侧外部或内部存在短路等情况引起的过电压，测试发现其绝缘电阻为0 MΩ，证实该避雷器已经发生击穿短路进而造成绝缘电阻数值异常。过电压保护元件发生击穿，说明该CVT 二次绕组有内部短路或外部短路负荷，由于内部短路时造成的损坏程度较为严重，从解体情况看CVT 的损坏程度较轻，而且CVT 故障时承受的过电压时间较长。因此，判断CVT存在外部二次短路负荷，因为短路电阻大一点或比较大，CVT 在承受较长时间的过电压后导致绝缘损坏，造成分压电容器烧蚀。CVT 油箱中绝缘油存在一定程度受潮，绝缘等级下降，中间变压器绝缘在高电压下被击穿，导致一次绕组出现匝间、层间短路情况。

图6 中间变压器烧蚀碳化

图7 CVT 过电压保护元件

6 结语

CVT 发生电压异常后，应检查二次回路电压，根据CVT 二次电压的异常变化能够反映其部分缺陷、故障的特征，可以通过监视曲线的变化或波动进行CVT 运行工况的初步分析和判断。其电容量、介质损耗因数的细微变化都体现了其内部的绝缘状况且具有很高的灵敏度。CVT 作为充油类电气设备，当发生故障时，在热、电作用下其内部的有机绝缘材料与绝缘油会分解产生CH4等各种气体，在进行缺陷种类诊断分析时根据特征气体法以及三比值法等进行分析。另外，设备在运行中，能够导致其缺陷、故障的因素有很多，而且缺陷的形成和发展比较复杂。在对故障进行分析时要根据多项试验数据诊断，同时结合设备运行时的情况及设备的结构特点，参考制造厂家同类产品相似的缺陷案例，结合产品的工艺和设计特点等情况进行综合的分析诊断。