220kV电容式电压互感器介质损耗异常研究

大唐南京发电厂 刘大源

1 电容式电压互感器的结构

220kV 电容式电压互感器常采用叠装式结构，主要由电容分压器、电磁单元盒及各个配件组成。图1所示电容分压器由上节电容C11、下节电容C12和分压电容C2串联组成，每个电容器均采用平底设计，安装在充满干燥空气的铝箱之上。上节电容C11、下节电容C12串联构成主电容C1，主电容C1与分压电容C2串联构成电容分压器总电容C。则有式1：C1=(C11×C12)/(C11+C12)；式2：C=(C1×C2)/(C1+C2)。

图1 220kV 电容式电压互感器原理图

电磁单元即中间变压器T、补偿电抗器、谐振电抗器等一系列配套电磁元件。电容式电压互感器的中间变压器采用包封绕组式树脂浇注干式变压器，充分利用空气实现变压器本体的散热。对于电容式电压互感器会多一组da、dn 自激绕组端子，用于对其采用自激法测试使用。N 点作为电磁元件和分压电容C2的公共端，可按照测试需要拆除。

介质损耗和电容试验是高压电气设备预防性试验必做项目，是测试电气设备性能的重要试验之一。介质损耗和电容能够直接反应绝缘介质的结缘性能。如图2，绝缘介质可等效为绝缘电阻RJY与电容CJY并联的等效电路。流过介质的泄露电流由两部分组成，即流过CJY的电容电流分量IC，流过RJY电流分量IR。通过绝缘的总电流相量I 与其无功分量(电容电流)IC的相角差称为介质损失角δ，并用其正切值tanδ 来表征绝缘介质的这一性质，tanδ 即介质损耗因数。

图2 绝缘等值电路图及向量图

tanδ=IR/IC=(U／RJY)/(U／ωCJY)、tanδ=IR/IC=UIR/(UIC)=P/Q、P=U2/RJY，其中U 为试验电压，P是总介质损耗，Q 是总无功损耗，ω 为角频率（ω=2πf，f 为工作电源频率）。对于良好的绝缘介质，P≪Q，绝缘介质的介质损耗应当非常小，才具有足够的绝缘效果。当绝缘绝缘电阻RJY严重降低时，会引起介质损耗的增大。电容式电压互感器的简化原理图如图3所示。电容式电压互感器需要对主电容C1和分压电容C2的介质损耗和电容量的测量分别进行测试。根据接线方式分为正接法、反接法和自激法，进行试验前需要先将分压电容C2的N 点接线引出。

图3 电容式电压互感器简化原理图

在正接法测量接线中，对应电容两端不能接地，测量数值受对地电容影响较小。正接法测量时待测电容一端接加压线、另一端接标准电容，需要断开所有的接地刀闸K1、K2。对上节电容C11和整体总电容C 的测试可采用正接法；反接法测量中，待测电容需要一端可靠接地、另一端加压。反接法测试回路将被试电容与大地构成回路，简化了测试接线。为了便于电容式电压互感器采用反接法测量，在C2和中间变压器的连线间加装一副接地刀闸K2。在进行反接法前应将接地刀闸K2闭合。

自激法测量，即利用中压变压器低压励磁提供试验电压，通过测试仪器内部转换开关的切换，将标准电容器Cn分别和C1、C2组成标准电容臂，测量分压电容C2或主电容C1的介损及电容值。自激法测量时，需从自激绕组端子da、dn 加压。在测试C2时的升压过程中，C2与中间变压器的电感及补偿电感可能会产成谐振，一般自激法试验不能大于2.5kV[1]。

2 故障情况及试验过程

近期某火力发电厂220kV 升压站的某220kV 出线开展停电检修。该线路仅A 相装设一台电容式电压互感器，型号TEMP20050、总电容C5000pF、主电容C15587pF、分压电容C263454pF。试验时正值秋雨期，气温29℃、大气湿度80%。因调度工作安排需要，须在阴雨天气的情况下对该电容式电压互感器进行停电预防性试验。根据《DL/T 电力设备预防性试验规程》和《GB50150电气设备安装工程电气设备交接试验标准》中对电容式电压互感器的预防性试验要求，首先需要对其各元件进行绝缘测试后，然后进行介质损耗和电容量试验。

首先进行绝缘电阻测试。断开接地刀闸K1、合上接地刀闸K2，兆欧表采用2500V 档位测量主电容C1、分压电容C2绝缘电阻。断开接地刀闸K2、K1，解除中间变压器二次接线，兆欧表采用1000V 档位测量二次端子绝缘电阻。测试结果如下：主电容C1—地2500MΩ、分压电容C2—地400MΩ、中间变压器高压侧—地30MΩ、1a&1n—地100MΩ、da&dn—地100MΩ。

由上所示，绝缘电阻基本合格，可对主电容C1、分压电容C2介质损耗及电容量的测试。测试结果如表1所示。查询上次试验结果，试验方法采用的是反接法。对比两次试验结果并折算温度系数，得到主电容C1和分压电容C2的绝缘电阻、介质损耗值tanδ和电容量的变化量，如表2所示。由表2可知，该电容式电压互感器整体绝缘电阻降低，其整体的介质损耗明显增高。主电容介质损C1的介质损耗与上次测试结果相比高出一倍以上。据此判断该电容式电压互感器受大气湿度影响，试验结果存在较大偏差。考虑在晴好天气在进行试验，并检查绝缘受潮位置。

表1 电容式电压互感器介质损耗试验结果

表2 试验结果变化量

在第二天气温28℃、大气湿度65%的情况下，再次进行了测试。本次测试以检查电容式电压互感器绝缘性能为目标，采用三种方式进行试验结果对比。绝缘电阻测试数据如下：上节电容C115000MΩ、下节电容C12100MΩ、分压电容C2200MΩ，介质损耗试验结果如表3所示。

表3 第一次介质损耗试验结果

由表3中反接法测试数据，带入式1、式2，得主电容C1的计算值为5630.0pF、 总电容C 的计算值为5171.9pF。由所测自激法测试数据带入式2，得主电容C1的计算值为5106.9pF。将表3中反接法测试数据带入介质损耗计算公式tanδ=(tanδ1C1+tanδ2C2)/C1+C2)，主电容C1介质损耗的计算值为0.056%、总电容C 介质损耗的计算值为0.088%。由表3中数据可知，下节电容C12进行自激法测试数据远高于反接法测式数值。总电容C的正接法测试介质损耗值相对较高，与上次测量值相比增长了4倍之多。查询历史测量方法，多采用反接法进行试验。与历史测试值相比反接法测试结果更接近历史值，自激测试结果存在较大偏差。

3 电容式电压互感器故障分析

电压互感器已运行十年，调阅检修记录得知其上节电容C11及下节电容C12外部绝缘套管进行过三次RPV 绝缘涂料喷涂。仔细检查电压互感器外观，发现套管表有很多明显的小凸起。小凸起的端部绝缘材料相对较薄，仔细观察存在细小裂纹。说明每次喷涂前并未对套管表面进行仔细清灰处理。在主电容C 上下节的连接处存在多处裂纹，有些裂纹被绝缘材料覆盖的，有些明显暴露在空气中。同时，在试验前已发现在电压互感器220kV 高压接线端存在少许绝缘油渗出迹象。介质损耗和电容试验结束后，绝缘油渗出量明显增多。试验进行时正值阴雨天气。套管表面的杂质和裂纹及绝缘油的渗漏处必然会渗入大量水分。经过协商后，决定于晴好天气后再次进行试验。

两天后雨过天晴，再次进行试验。首先对该电容式电压互感器中间变压器分别进行绝缘电阻测试。测试结果如为：上节电容C11、下节电容C12、分压电容C2均为10000+MΩ，中间变压器高压侧—地0.05MΩ、1a&1n—地0.2MΩ、da&dn—地0.1MΩ，显示在晴好天气时电容式电压互感器各电容套管明显提高，中间变压器各部位绝缘电阻因前几日的潮气渗透明显降低。再对电容式电压互感器进行外观检查，发现下节底座缝隙处以及电磁元件接线盒内均有明显的水迹。再次对电容式电压互感器采用三种方式进行介质损耗和电容试验（表4）。

表4 第二次介质损耗试验结果

对比表3和表4数据可知，采用正接法测试所得数据基本不变，说明正接法能够有效避免杂散电容影响；采用反接法测试数据整体略微减小，说明潮气会对测试结果造成一些影响，但并不是主要影响；采用自激法的测试数据，介质损耗值明显增大、电容值基本没变。因此潮气对电容式电互感器各电容本身的电容值影响较小，其影响可忽略。

表3中数据为电容式电压互感器受潮初期，下节电容C12自激测量和主电容C1正接法测量时介质损耗明显偏高。此时接地刀闸K2打开时a 点处于绝缘状态，会因水分的影响造成a 点局部介质损耗严重增大。在恶劣的运行环境中a 点至中间变压器之间的绝缘老化，也会对中间变压器的绝缘性能产成严重影响。分压电容C2、中间变压器、过电压保护器、电抗器位于二次接线盒内部，单独对中间变压器进行匝间绝缘测试如下：中间变压器高压侧—1a&1n0.02MΩ、中间变压器高压侧—da&dn0.02MΩ、1a&1n—da&dn0.5MΩ。

由以上数据可知，中间变压器内部已存在严重的潮气渗透，内部绝缘严重降低。虽然树脂浇筑干式变压器本体的故障率相对较低[2]，但随着潮气和水分的渗透，中间变压器绝缘介质表面泄漏电流增大，内部严重受潮，介质损耗增大。采用自激法测试时，测试回路和测试仪器内部计算中均包含中间变压器本体的介质损耗数值，必然导致试验结果的失真。所以表4数据中主电容C1和分压电容C2自激法测试介质损耗结果，比阴雨天气时（表3数据）还要大。在自激法测试前，需对中间变压器的整体绝缘性能进行测试。如果绝缘测试不合格则不能采用自激法进行试验。

采用反接法进行试验时，接地刀闸K2闭合、a点处于接地状态。采用反接法进行试验，避免了a点或中间变压器高压侧的绝缘性能的影响，提高了工作效率。因此介质损耗和电容试验中应首选反接法。但采用反接法时，会因外绝缘套管的绝缘性能及杂散电容的变化对测试数据造成一定的影响。对于高压电容式电压互感器的主电容C1，根据电压等级会分为多段电容串联成一体。与a 点不相连的各段电容宜采用正接法测量数据更为真实。为避免外界环境的影响，必要时采用反接法与正接法结合的方式测量，能够保障数据真实合理，更利于试验工作的进行。

综上，进行电容式电压互感器的介质损耗试验应当首选反接法，因为此方法能准确反应介质损耗测量值，降低内部接线和电磁单元的影响，提高工作效率。为提高试验结果的准确性，建议尽量在晴好天气进行时试验，并采用反接法与正接法结合的方式测量。