趙 淼

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東分公司, 安徽 合肥 230601)

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一起110 kV CVT內(nèi)部故障引起母線電壓異常分析及處理

趙 淼

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東分公司, 安徽 合肥 230601)

針對某發(fā)電廠110 kVⅠ段和Ⅱ段母線電壓偏差異常，通過分散控制系統(tǒng)(DCS)數(shù)據(jù)調(diào)閱、帶電檢查、理論計算和停電試驗等方法綜合分析，認為母線電容式電壓互感器(CVT)內(nèi)的部分電容單元存在擊穿短路是引起該次母線電壓顯示異常的原因。返廠解體檢查驗證了前期分析結(jié)果，同時查明該批次電容單元介質(zhì)薄膜存在絕緣薄弱點和浸油性不好等質(zhì)量缺陷。據(jù)此，要求制造商對該型號批次的產(chǎn)品全部進行了更換，并提出了同類設備的預防措施及處理建議。

母線電壓;電容式電壓互感器;電容單元;擊穿短路

0 引言

電容式電壓互感器(CVT)相對于電磁式電壓互感器具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低、不與系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振、可兼作高頻通信載波電容器和瞬變響應特性優(yōu)良等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中廣泛應用于110 kV電壓等級以上的線路和母線上。但受設計水平、生產(chǎn)工藝和制造材料等因素影響，近年來CVT運行異常和故障時有發(fā)生，故障率遠高于電磁式電壓互感器，嚴重影響了電能計量的準確性和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1-6]。

本文分析了一起由于CVT內(nèi)部故障引起的110 kV母線電壓顯示異常案例，通過前期數(shù)據(jù)分析、帶電檢測和理論分析等方法診斷出CVT本體內(nèi)個別電容單元存在擊穿短路故障，并由后期停電試驗和解體檢查得以驗證，同時提出了整改措施，避免了一起由于CVT質(zhì)量缺陷引發(fā)的發(fā)電廠母線接地短路事故，保障了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1 情況概述

2016年1月8日4時00分，某發(fā)電廠1號機組分散控制系統(tǒng)(DCS)顯示110 kV Ⅱ段母線電壓由119.32 kV突變?yōu)?15.92 kV，Ⅰ段母線電壓維持在119.94 kV。2月15日，1號機組DCS顯示Ⅰ段和Ⅱ段母線電壓最大差值接近5 kV，2號機組Ⅰ段和Ⅱ段母線電壓也存在不同程度的顯示異常。

該廠110 kV升壓站為室內(nèi)敞開式布置，Ⅰ段和Ⅱ段母線各接一組CVT，兩段母線為并運行方式，1號機組DCS Ⅰ段母線電壓取自Ⅰ母CVT B相，Ⅱ段母線電壓取自Ⅱ母CVT B相；2號機組DCS Ⅰ段母線電壓取自Ⅰ母CVT A相，Ⅱ段母線電壓取自Ⅱ母CVT B相，110 kV升壓站主接線如圖1所示。出現(xiàn)DCS顯示電壓異常前后廠內(nèi)無倒閘操作和檢修維護作業(yè)。

2 現(xiàn)場檢查分析

2.1 DCS數(shù)據(jù)調(diào)閱

從DCS調(diào)閱了1號機和2號機母線電壓歷史數(shù)據(jù)，自1月12日至2月18日選取10組數(shù)據(jù)進行比對，如表1所示。

表1 DCS系統(tǒng)顯示1號機和2號機母線電壓數(shù)據(jù)Table 1 DCS system shows bus voltage data for no.1 and no.2 Unit kV

由于母線電壓隨負荷波動，為進一步分析Ⅰ母和Ⅱ母電壓之間的關系，選取DCS中1號機Ⅱ母與Ⅰ母電壓的比值進行比對分析，兩段母線電壓及電壓比值變化曲線見圖2和圖3。

圖1 110 kV升壓站主接線Fig.1 110 kV booster station main wiring diagram

圖2 1號機DCS顯示Ⅰ母和Ⅱ母電壓Fig.2 No.1 unit DCS showsⅠbus and Ⅱbus voltage

圖3 1號機DCS Ⅱ母電壓與Ⅰ母電壓比值Fig.3 The No.1 unit ratio ofⅡbus and Ⅰbus voltage in DCS

從圖3可看出，1號機Ⅱ母和Ⅰ母電壓比值分為明顯的兩個區(qū)間，從第1采樣點至第5采樣點為第一區(qū)間，比值維持在0.971～0.984，即電壓比偏差范圍為-1.6%～-2.9%；第6采樣點至第10采樣點為第二區(qū)間，比值維持在0.954～0.965，即電壓比偏差范圍為-3.5%～-4.6%；此外2號機DCS顯示的Ⅰ母和Ⅱ母電壓也存在較大差值，其Ⅱ母和Ⅰ母電壓比偏差范圍為-3.2%～0.1%。

2號機的第5和第6采樣點實際為1月31日突變前后的兩點，首先發(fā)現(xiàn)1月27日和2月2日電壓比值變化較大，后由電壓日曲線中查出。至此，共發(fā)現(xiàn)2號機Ⅱ母B相電壓相對Ⅰ母B相電壓發(fā)生了2次電壓值突降，分別為2016年1月8日4時00分由119.32 kV突變?yōu)?15.92 kV，2016年1月31日2時10分由116.07 kV突變?yōu)?13.24 kV。

2.2 帶電檢查

對母聯(lián)開關、2組母線CVT本體和各處引線接頭等進行紅外熱成像檢測未發(fā)現(xiàn)異常[7]，CVT間隔各接地點接地情況良好；在Ⅰ母和Ⅱ母CVT二次端子出線盒、端子箱、切換柜等處逐級測量保護繞組和計量繞組電壓，二次回路電壓及連接正常。2月18日在CVT端子箱測得Ⅱ母CVT B相電壓低于Ⅰ母CVT B相約為2.6 V，偏差率為-4.17%，測得二次電壓和二次電流數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 110 kV CVT端子箱二次繞組測量數(shù)據(jù)Table 2 The secondary winding data measured in the 110 kV CVT terminal box

從表2可看出，二次側(cè)負荷電流較小，且二次側(cè)電壓大小與二次側(cè)電流無對應關系；Ⅱ母CVT B相和Ⅰ母CVT B相保護繞組電壓比值為0.958 3，測量繞組為0.961 4，與DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)中1號機Ⅱ母和Ⅰ母電壓比值的第二個區(qū)間值相吻合(0.954～0.965)；Ⅱ母CVT B相和Ⅰ母CVT A相保護繞阻電壓比值為0.985 1，測量繞組為0.988 4，DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)中2號機Ⅱ母和Ⅰ母電壓比值為0.981 6。從表1和表2也可看出，Ⅰ母 A相和C相 CVT、Ⅱ母A相CVT 與Ⅰ母 B相CVT也存在較大差值，電壓比偏差為-2.7%左右。

綜上所述，DCS系統(tǒng)顯示的電壓偏差與二次側(cè)各繞組測得偏差的趨勢一致，因二次繞組的三組線圈為獨立繞制，多支互感器的三組線圈不可能同時出現(xiàn)故障導致電壓偏低，結(jié)合DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)閱和現(xiàn)場檢查情況分析判定二次回路系統(tǒng)無異常。

3 理論計算分析

圖4 CVT結(jié)構(gòu)原理Fig.4 CVT schematic diagram

因Ⅰ段和Ⅱ段母線為并列運行，Ⅱ段母線B相電壓相對Ⅰ段母線B相電壓出現(xiàn)2次階梯式突降，且就地實測對應的二次繞組與DCS系統(tǒng)顯示一致，判斷Ⅱ母CVT B相本體內(nèi)存在故障，因同一支CVT多個二次側(cè)繞組測得電壓的偏差一致，可首先排除電磁單元存在故障，根據(jù)電壓下降的方式和二次側(cè)測試結(jié)果分析，CVT電壓異常與其內(nèi)部電容單元存在局部擊穿故障相符。

DCS中顯示的母線電壓在電容單元短路后與短路前的比值可表示如下：

(1)

(2)

k2=nnor/Nnor

(3)

式中：nabnor為CVT發(fā)生部分電容單元短路后C2內(nèi)剩余正常電容單元的數(shù)量；Nabnor為CVT發(fā)生部分電容單元短路后電容分壓器內(nèi)剩余正常電容單元的總數(shù)量；nnor為C2內(nèi)電容單元的設計數(shù)量,本文為29；Nnor為電容分壓器內(nèi)電容單元的設計數(shù)量,本文為93。經(jīng)計算,k2為0.311 8。

當C2內(nèi)1支電容單元短路后，將式(2)和式(3)代入式(1),可得DCS中顯示母線電壓短路后與短路前電壓比值為0.976 1，即電壓偏差理論計算值為-2.4%；同理，若C2內(nèi)2支電容單元擊穿短路，電壓比值為0.951 6，短路后電壓偏差理論計算值為-4.8%，若C2內(nèi)2支電容單元和C1內(nèi)1支電容電元擊穿短路，電壓比值為0.962 2，短路后電壓偏差理論計算值為-3.8%。此計算結(jié)果與Ⅱ母電壓和Ⅰ母電壓的二次比值波動曲線范圍相吻合，B相電容單元存在擊穿短路得到進一步印證，且故障隨運行時間呈發(fā)展趨勢。

4 停電試驗檢查

4.1 停電試驗

對Ⅱ母CVT進行了絕緣電阻測試、介質(zhì)損耗因數(shù)和電容量測量、計量繞組比差和角差測量等試驗項目[12，13]。絕緣電阻、介質(zhì)損耗因數(shù)和電容量測試結(jié)果未見明顯異常，但3支CVT中A相和B相比差存在嚴重超差(規(guī)定值≤0.2%)，測量數(shù)據(jù)見表3(僅列出額定電壓下數(shù)據(jù))。

表3 Ⅱ母CVT額定電壓下比差與角差測量值Table 3 The ratio error and phase displacement data under rated voltage ofⅡbus CVT

表3中，B相和A相的比差測量數(shù)據(jù)分別與中壓電容存在2支和1支電容單元短路情況的理論計算值吻合[14-16]，試驗結(jié)果表明Ⅱ母CVT本體的確存在故障。通過表2中停電前二次端子箱測量數(shù)據(jù)比對可以判斷Ⅰ母A相和C相CVT的確存在問題。

Ⅰ母和Ⅱ母6支CVT于2015年11月投運，短時間內(nèi)出現(xiàn)多支電壓顯示異常，該型號批次產(chǎn)品質(zhì)量存在安全隱患，且內(nèi)部故障呈發(fā)展趨勢，長期運行會引起較大的計量誤差,造成售電量損失，一旦發(fā)展為整支CVT短路故障，會引起互感器爆炸起火，機組跳閘，嚴重危及電廠的安全穩(wěn)定運行。充分技術討論后，決定對Ⅰ母CVT進行停電檢查確認，同時要求制造廠家對該批次6支110 kV母線CVT進行更換。

4.2 返廠解體檢查

在制造廠家進行CVT解體檢查，發(fā)現(xiàn)CVT高壓和中壓電容器分別存在電容單元擊穿短路現(xiàn)象，與前期分析診斷結(jié)果吻合。

具體解體檢查方案為從6支CVT中選取比差數(shù)據(jù)較大的2支進行角差比差復測、電容器局部放電測量和介損及電容量測量等試驗，然后將試品解體進行外觀檢查并逐支測量高壓和中壓電容器的電容單元的絕緣電阻，將絕緣電阻較低的電容單元分層展開查找故障點。

按上述方案選取了Ⅰ母A相和Ⅱ母B相CVT作為解體檢查對象，復測結(jié)果表明，比差超差情況與前期測量結(jié)果一致，在二次負荷滿載下Ⅰ母A相為-5.39%，Ⅱ母B相為-4.42%；局部放電測量未見異常；Ⅰ母A相和Ⅱ母B相CVT電容單元的電容量存在明顯異常，數(shù)據(jù)見表4。

表4 電容單元電容量數(shù)據(jù)Table 4 Capacitance data of capacitor unit

分析現(xiàn)場試驗未發(fā)現(xiàn)電容量發(fā)生明顯變化的原因為，電容單元擊穿點導電通道在被絕緣油漬情況下，故障初期仍具一定絕緣，現(xiàn)場試驗采用自激法，在較低電壓下未測出電容量異常，返廠后采用反接線，試驗電壓高于自激法；此外，經(jīng)過返廠后多次局部放電測量和高壓介損測量等高壓試驗，故障電容電元內(nèi)的擊穿點放電通道進一步發(fā)展比初期穩(wěn)定，因此測出電容量發(fā)生了明顯變化。

解體后外觀檢查未發(fā)現(xiàn)電容單元放電痕跡，隨后進行單支電容單元絕緣電阻測量，結(jié)果為Ⅰ母A相CVT的C2自下而上第1個和第5個電容單元阻值為0，C1無異常；Ⅱ母B相CVT的C2自下而上第3個和第5個電容單元阻值為0，C1自上而下第1個電容單元阻值為0。隨后對上述絕緣電阻為0的電容單元展開查找故障點，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部均存在多層擊穿現(xiàn)象。

該型號CVT內(nèi)部的電容單元為全膜介質(zhì)結(jié)構(gòu)，電容器單元由2層錫箔和3層絕緣薄膜介質(zhì)卷繞而成。對多個故障點檢查，未發(fā)現(xiàn)電容單元存在“S”形褶皺、層間雜質(zhì)、錫箔機械裂紋等加工卷繞缺陷，電容單元擊穿非設計和加工環(huán)節(jié)引起。分析為電容單元錫箔間絕緣薄膜介質(zhì)的材質(zhì)存在薄弱點，經(jīng)受不住長期額定運行電壓，導致?lián)舸┓烹姟?/p>

制造廠家告知，該批次產(chǎn)品臨時更換了薄膜介質(zhì)供應商，薄膜材料質(zhì)量存在絕緣薄弱點和浸油性不好的缺點。查閱原材料記錄，制造廠家使用該材料加工了10支電容分壓器用于電容式電壓互感器，本次供貨的110kV母線CVT占其中6支，其他4支作為庫存，在檢驗中發(fā)現(xiàn)問題并未出廠，現(xiàn)已停用該供應商的絕緣材料。

5 結(jié)語

該次發(fā)電廠DCS110kVⅠ段和Ⅱ段母線電壓顯示異?，F(xiàn)象由母線CVT內(nèi)部電容單元存在局部擊穿短路引起。當CVT內(nèi)部個別電容單元存在擊穿故障時，會導致電容分壓比變化，從而導致一次電壓監(jiān)測值變化。鑒于母線電壓隨負荷變化經(jīng)常波動，采用分析不同母線間電壓比值變化及查找電壓躍變點的方法能更明顯反映母線電壓異常變化程度；CVT比差和角差測量比例行試驗中介質(zhì)損耗因數(shù)和電容量測量更容易發(fā)現(xiàn)電容單元擊穿短路缺陷。

制造廠家應加強CVT制造過程中電容單元的質(zhì)量管控，當絕緣薄膜介質(zhì)等材料批次或廠家變更后，要做好原材料質(zhì)量檢測等工作。電廠技術人員應加強對在運CVT的監(jiān)測工作,一旦發(fā)現(xiàn)電壓數(shù)值存在異常，應及時分析母線電壓數(shù)據(jù)，并視情況開展二次繞組電壓測量和停電試驗檢查。

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(編輯 劉曉燕)

Analysis and Treatment of Abnormal Bus Voltage Caused by Internal Faultof 110 kV Capacitor Voltage Transformer

ZHAO Miao

(China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co. Ltd. East China Branch, Hefei 230601, China)

According to the abnormal voltage deviation of 110 kV section I and II bus in a power plant, the DCS system data, on-line examination, theoretical calculation and electrical test are comprehensive analyzed in this paper. Thinking that the 110 kV bus voltage anomaly is caused by some internal capacitor unit short circuit in the CVT. Then return the equipment to the factory, the result of the preliminary analysis is verified by the disassembly inspection, at the same time some capacitor unit quality defects are founded out, such as insulation material weakness and bad dipping property. Accordingly, require the manufacturer to replace all the products of this batch, then propose some treatment measures and suggestions for the same type equipment.

bus voltage；capacitor voltage transformer；capacitor unit；breakdown

2017-02-03；

2017-03-18

TM451.2

B

2096-3203(2017)03-0110-06

趙 淼

趙 淼(1985—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，工程師，從事電氣設備絕緣監(jiān)督與故障診斷工作。