電容式電壓互感器二次電壓異常分析及處置

郭 一

（國核電力規劃設計研究院有限公司，北京 100095）

0 引言

電容式電壓互感器是新能源場站110 kV及以上配電系統常用的互感器類型，它將一次系統的高電壓轉換為二次系統的低電壓，直接用于電壓和功率測量、關口表計量裝置、靜止無功補償裝置等無功調節裝置、升壓站繼電保護裝置、本地及調度機構測量系統等。電容式電壓互感器一旦發生異常，直接影響無功調節設備、保護裝置、計量表計和電能質量監測設備的正常工作，甚至造成巨大的經濟損失，給企業的安全生產、經濟運行和電網的安全穩定帶來巨大的隱患。本文對一起220 kV電容式電壓互感器異常問題進行深入分析，結合升壓站配電系統安全生產實際，提出電容式電壓互感器狀態監測的策略建議。

1 電壓異常的分析和處置

1.1 電壓異常情況

某新能源場站2 2 0 kV 升壓站母線安裝的TYD220/ -0.01H型電容式電壓互感器工作原理如圖1所示。其中，載波耦合電容C額定容值為10 nF，高壓電容C1額定容值為11.89 nF，中壓電容C2額定容值為63.5 nF。2018-08-10，檢測到220 kV A母三相二次電壓不平衡，與B母同名相二次電壓存在顯著差距，且最大相和最小相差別近1.7 V，造成雙細則電壓合格率考核的同時，也給電能質量監測設備、關口計量、繼電保護裝置等正常運行產生影響。A、B母二次電壓測量如表1所示。

表1 電壓互感器二次電壓（熔斷器前）

圖1 電容式電壓互感器電氣原理圖

1.2 電壓異常情況分析

1.2.1 分壓電容值實測

按照《防止電力生產事故的二十五項重點要求》，當電壓互感器二次電壓異常時，應迅速查明原因并及時處理[1]。根據《DL/T 596—1996 電力設備預防性試驗規程》《DL/T 393—2010 輸變電設備狀態檢修試驗規程》，電容分壓器電容值與出廠值相差不得超過±2[2]（警示值，即狀態量達到該數值時設備已存在缺陷并有可能發展為故障）；根據《電容式電壓互感器使用說明書》，電容分壓器的載波耦合電容C、高壓電容C1和中壓電容C2的電容偏差應不超過其額定值的-5 ～+10 ，而C1及C2兩者偏差之差不超過5 ，同時介損值不應大于0.001 5。為此，對220 kV升壓站A母線電容式電壓互感器最近一次電容值實測數據進行了檢查，檢查結果如表2所示。

表2 A母電容式電壓互感器電容值試驗數據

從表2可以看出，實際升壓站A母A、B相電容式電壓互感器容值變化超出行業標準“警示值”，其中A相接近廠家說明書限制值。

1.2.2 電容值異常數據分析

該型電容式電壓互感器的電容分壓器由208個單塊容值2.08 的電容元件串聯組成，其中上層分壓器C12由104塊電容元件疊裝而成，下層分壓器C11由71塊電容元件疊裝而成，下層分壓器C2由33塊電容元件疊裝而成。隨著互感器運行年限的增長，受早期制造工藝、運行過電壓沖擊和電容元件材料老化等因素影響，電容分壓器內部電容元件絕緣老化受損、極板放電擊穿，一方面放電造成絕緣介質劣化、電容分壓器介損值上升，影響剩余電容元件絕緣強度；另一方面，剩余電容元件承受的運行電壓升高，絕緣裕度進一步降低，加速剩余電容元件的劣化損壞。高壓電容C1內部每N個電容元件被擊穿，高壓電容容值較初值上升N/（175-N）個百分點；中壓電容C2內部每N個電容元件被擊穿，中壓電容容值較初值上升N/（33-N）個百分點。

為了了解互感器電壓異常具體原因，對2007年以來的試驗數據（如表3所示）進行了分析。自2011年起，A相和C相C12電容單元的介損值歷年均穩定在0.001 3以上，接近產品說明書允許值，且高于其他單元0.000 3；2013年以來，三相電容式電壓互感器電容分壓器容值均較初值有升高，且呈現出加劇發展趨勢。因此，判斷電容分壓器內部電容元件存在被擊穿現象。其中2013年A相高壓電容C1有1個電容元件被擊穿、2015年被擊穿元件數量增加至5個、2017年被擊穿元件數量增加至8個，2015年B相高壓電容C1有1個電容元件被擊穿、2017年被擊穿元件數量增加至5個，2015年C相高壓電容C1有2個電容元件被擊穿、2017年被擊穿的元件數量增加至3個。

表3 A母電容式電壓互感器近10 a電容值試驗數據

1.2.3 電壓異常情況驗證

電容式電壓互感器由電容分壓器和電磁單元組成，其中電容分壓器通過高壓電容C1和中壓電容C2串聯分壓，電磁單元的中壓變壓器并接在中壓電容C2兩側，將中間電壓變為二次電壓。電容式電壓互感器二次電壓為

其中，U2為二次電壓；U1為一次電壓；K為中壓變壓器變比。

由此可知，電容式電壓互感器運行中如果因電容元件被擊穿造成高壓電容C1或中壓電容C2電容量發生變化，二次電壓則會發生變化。高壓電容C1有電容元件被擊穿，則高壓電容C1容值變大，二次電壓將升高；中壓電容C2有電容元件被擊穿，則中壓電容C2容值變大，二次電壓將降低。

分別將2017年實測電容值和出廠電容值帶入以上式（1），與初值相比較，A相二次電壓將升高3.11個百分點，B相二次電壓將持平，C相二次電壓將升高0.96個百分點；設實時二次電壓為59.1 V，則三相電壓分別為A相60.9 V、B相59.1 V、C相59.7 V，與表1中A母三相電壓實測值基本一致。因此，判斷二次電壓異常是由于相應電容分壓器內部電容元件被擊穿引發，印證了前述的判斷。

1.3 異常情況的處置

由前述可知，三相電容式電壓互感器的分壓電容器內部電容元件不同程度存在被擊穿問題，A、B相電容元件被擊穿數量分別為8個和5個，電容元件被擊穿后剩余電容元件的電壓變化為

其中，m為電容分壓器中電容元件總數，為208塊；n為被擊穿電容元件的數量。

在部分電容被擊穿后，剩余電容元件承擔的電壓將升高。按照《電容式電壓互感器使用說明書》中“互感器可在1.2倍額定電壓下長期運行，用于中性點有效接地系統的互感器可在1.5倍額定電壓下運行30 s”的說明，A、B相電壓互感器剩余電容元件承受的正常運行電壓已超出允許水平，在過電壓作用下極易出現絕緣事故，亟須進行處置，防止出現220 kV母線區內故障。另外，無論是“高壓電容C1容值變大引起的二次電壓升高”，還是“中壓電容C2容值變大引起的二次電壓降低”，二次電壓均不能正確反映一次系統真實電壓值，給電能質量、系統穩定、繼電保護和電量計量等均產生影響，亟須進行處置，提升系統安全可靠性。

為此，對A母三相電容式電壓互感器進行更換，并對同批次的B母三相電容式電壓互感器進行更換，更換后A、B母二次電壓恢復正常，具體情況如表4所示。

表4 A、B母電壓互感器更換后二次電壓測量值

1.4 異常情況發生的原因分析

1.4.1 技術監督的關鍵環節應合規

對新能源場站而言，現階段均能夠規范開展量值檢測和傳遞，但對電容值等關鍵指標分析上把關不嚴，將“初值差分析”變為“同比差分析”；二次電壓和紅外成像分析不規范，溫升細微變化和電壓一致性不好未能及時發現，造成緩慢發展的問題，錯過最佳發現、處置時機，最終演變為異常事件。

1.4.2 不同專業的差異性影響決策

大多數電力企業一次和二次專業由不同專業工程師負責，由于一次、二次專業規程制定原則的差異性，以及生產經營訴求的差異性，造成對設備狀態的認知判斷、問題后果的接受程度不盡相同，因此設備管理存在較大差異性，導致問題互感器形成隱患后仍長時間在網運行。

1.4.3 剛性計劃影響檢修策略實施

當前各級調度對涉網電氣系統檢修計劃管控趨嚴，受多重因素影響，檢驗逾期、項目漏檢等問題不同程度存在，造成設備狀態存在不可控的運行風險。

2 建議

2.1 電力技術監督宜系統考慮并把握關鍵環節

一是量值獲取、分析處置環節必須嚴格執行國家、行業、企業標準，檢測方法、數據分析、處置策略必須合法合規，摸清設備真實狀態。二是要建立并規范包括日常巡檢、例行試驗在內的數據庫，從二次電壓幅值波形變化、紅外熱像設備異常溫升、分壓電容容值介損變化趨勢綜合分析判斷互感器狀態，達警示值時及時開展局部放電、電壓比校核等診斷性試驗，確定主絕緣強度和電壓轉換的準確性，存在異常的必須采取果斷措施。

2.2 電力企業要結合實際制定嚴于行業標準的企業標準

隨著新版《電力設備預防性試驗規程（DL/T 596—2021）》《輸變電設備狀態檢修試驗規程（DL/T 393—2021）》等規程的發布，電容式電壓互感器電容量檢測周期大幅延長，且提出了“額定電壓下的誤差特性滿足誤差限制要求的，可以替代介質損耗因素及電容量測量”[3]的條款。需要指出的是，互感器誤差特性試驗一般分工在電氣二次專業，一是試驗結果對電容式電壓互感器絕緣影響的判斷會因專業間溝通不足而缺失；二是如果“高壓電容C1容值變大引起二次電壓升高”，電能計量結果的有利性不利于對異常問題的及時處置。因此，建議制定企業標準時，充分考慮停電周期、專業分工、產品說明書要求、可能產生的后果等因素，制定相對嚴格的企業標準。

2.3 檢修工作宜堅持逢停必檢

受多重因素影響，涉網電氣設備計劃停電較難平衡，規程標準周期要求往往難以達到，因此應堅持逢停必檢，全面開展例行試驗，有針對性地開展診斷性試驗，扎實做好修前準備和過程管控工作，確保設備狀態安全可控。

3 結束語

電容式電壓互感器涉及無功調節設備、繼電保護裝置、電能計量等多個環節，涉及系統多、影響范圍廣。另外，受制造工藝、運行環境、系統過電壓等因素影響，新投入運行或服役年限較長的電容式電壓互感器極易出現異常問題。因此，要科學、合規地做好設備管理工作，確保發供電企業和電力系統安全、穩定、可靠運行。