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摘 要：通过对500 kV电容式电压互感器故障原因进行分析，提出一种通过监测二次电压相对变化情况来发现设备故障的方法。这种方法可以及时有效的发现电容式电压互感器内部电容元件击穿故障，便于运行人员及早采取对应措施。
关键词：电容式电压互感器 二次电压 相对比较法 故障
中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（b）-0141-02
电容式电压互感器（Capacitor Voltage Transformer，以下简称CVT）是由电容分压器和中间变压器组成的电气设备，它主要用于测量、继电保护、同步检测、长距离通信、遥测和监控等方面。随着电网的快速发展，500kV主网的形成，500 kV电压互感器基本上已全部采用电容式电压互感器，但是，由于受设计水平、制造工艺等多种因素的影响，存在一定的质量问题，严重时将会导致主绝缘击穿，甚至引起电容器爆炸，威胁电网的安全运行。由于容性设备的绝缘在线监测技术尚不成熟，而500 kV设备例行停电试验周期又比较长，难以及时发现设备缺陷故障，因此对于运行中的500 kV电容式电压互感器二次电压的监测就显得尤为重要。
1 CVT原理简介
电容式电压互感器，由电容分压器（包括主电容器C1，分压电容器C2）、中间变压器（T）、补偿电抗器L、保护装置RP及阻尼器Z等元件组成，它利用电容分压器将输电电压降到中压（10～20 kV），再经过中间变压器降压到100V或100/√3 V供给计量仪表和继电保护装置。
由电容分压原理可知，中间变压器一次测电压为：
中间变压器二次测电压为：
上式中k为中间变压器变比。由上式可以看出：主电容器C1和分压电容器C2的变化直接影响CVT二次输出电压的变化。
2 CVT异常情况
2.1 发现异常
2010年9月16日，在对**500 kV开闭站**一线进行例行试验工作中，测得**一线C相电压互感器中节电容器介损0.289%（超过规程要求的最大值0.2%），且电容量比原始值增加2.86%，后台二次电压显示偏高。同时发现**一线B相电压互感器上节、中节电容量增大、且B相后台二次电压显示偏高。该设备型号为TYD3500/-0.005H，2004年出厂。初步判断介损超标、电容量增大有两种可能：（1）部分元件被击穿使电阻增大，从而导致介损增大，相应的电容量也增大；（2）内部元件有受潮现象，同样引起电阻增大而使介损增大、电容量增大。而电压互感器电容量增大导致其变比减小，所以一次和二次电压都显示偏高。随后，联系厂家对电压互感器整体进行了更换。
2.2 返厂解体检查
2011年1月将换下的CVT进行返厂解体检查，分段测试各节电容以及介损，发现B相电压互感器上节、中节、C相电压互感器中节电容量全部超标（见表1）。
进一步对电容量超标的C相中节、B相上、中节进行解体检查，使用火花间隙充放电仪逐个电容芯子进行测试，施加电压2 kV。经过逐一检查分别发现C相中节有5个芯子单元击穿，B相中节有3个芯子单元击穿，B相上节有4个芯子单元击穿。
3 二次电压变化与一次设备内部故障关系
3.1 电容元件击穿对电压比的影响
CVT二次电压和一次电压的关系，电压比K：（忽略由于制造工艺引起的电容误差，假设每只电容元件的电容量相等）
式中：n2为C2的个数；N为全部电容元件的个数；k为中间变压器的变比。
由于杂散电容的原因，电容式电压互感器内部串联电容上电位近似指数分布，所以越靠近高电位处电容越容易发生击穿。当C1发生电容元件击穿时，n2和k不变，N变化，K变为：
K′与K的变化关系为：
设ΔN=N-N′，则公式变为：
由此可见，二次电压的变化和电容元件的击穿个数关系密切。且能看出：当电容元件的击穿只发生在C1时，二次电压升高。
3.2 电容元件击穿对相电压和线电压的影响
假设相电压为Ua，线电压为Uab
CVT二次电压和一次电压比K：
当只有C1发生电容元件击穿时，电压比K变为：
相电压Ua变为Ua：
Ua×KUaUa
变化率为：
△Ua
假设未击穿时Ua=Ub，通过余弦定理：
发生击穿时，线电压变为：
以**站500 kV CVT为例，分压电容结构上共三节，每节电容共有154个电容元件串联构成，所以取N=462，经过计算可以得出元件击穿对相电压和线电压的影响为：
C1击穿1支时，N′=461，△Ua，△Uab
C1击穿2支时，N′=460，△Ua，△Uab
C1击穿3支时，N′=459，△Ua，△Uab
C1击穿4支时，N′=458，△Ua，△Uab……
从上面计算结果可以看出，电容击穿对线电压的影响基本为相电压的1/2。
4 采用相对比较法对二次电压进行分析
通过以上计算可以看出电容式电压互感器电容元件发生击穿时会引起二次电压的变化，但是当击穿元件个数较少时，这种变化并不明显，又由于系统电压本身随时间也在不断变化中，这样就会使元件击穿引起的电压变化量被湮没，使我们无法通过监测二次电压，直接发现它的变化情况。
5 结语
通过理论分析CVT电容元件故障和二次电压对应关系，以及对实际电压数据进行分析，可以得出以下结论：（1）CVT电容元件损坏与二次电压关系密切。当电容元件的击穿发生在C1时，二次电压升高，而且对线电压的影响基本为相电压的1/2；（2）二次电压相对比较法可以有效跟踪CVT电容元件损坏情况；（3）二次电压监测分析比定期停电检测更能及时、有效发现CVT内部故障。
参考文献
[1] 国家电网公司.Q/GDW1168-2013输变电设备状态检修试验规程[M].北京：中国电力出版社，2008.
[2] 李建明，朱康.高压电气设备试验方法[M].北京：中国电力出版社，2001.
[3] 刘胜军，王慷，郭猛.电容式电压互感器二次电压偏高分析[J].变压器，2010（4）：66-68.
关键词：电容式电压互感器 二次电压 相对比较法 故障
中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（b）-0141-02
电容式电压互感器（Capacitor Voltage Transformer，以下简称CVT）是由电容分压器和中间变压器组成的电气设备，它主要用于测量、继电保护、同步检测、长距离通信、遥测和监控等方面。随着电网的快速发展，500kV主网的形成，500 kV电压互感器基本上已全部采用电容式电压互感器，但是，由于受设计水平、制造工艺等多种因素的影响，存在一定的质量问题，严重时将会导致主绝缘击穿，甚至引起电容器爆炸，威胁电网的安全运行。由于容性设备的绝缘在线监测技术尚不成熟，而500 kV设备例行停电试验周期又比较长，难以及时发现设备缺陷故障，因此对于运行中的500 kV电容式电压互感器二次电压的监测就显得尤为重要。
1 CVT原理简介
电容式电压互感器，由电容分压器（包括主电容器C1，分压电容器C2）、中间变压器（T）、补偿电抗器L、保护装置RP及阻尼器Z等元件组成，它利用电容分压器将输电电压降到中压（10～20 kV），再经过中间变压器降压到100V或100/√3 V供给计量仪表和继电保护装置。
由电容分压原理可知，中间变压器一次测电压为：
中间变压器二次测电压为：
上式中k为中间变压器变比。由上式可以看出：主电容器C1和分压电容器C2的变化直接影响CVT二次输出电压的变化。
2 CVT异常情况
2.1 发现异常
2010年9月16日，在对**500 kV开闭站**一线进行例行试验工作中，测得**一线C相电压互感器中节电容器介损0.289%（超过规程要求的最大值0.2%），且电容量比原始值增加2.86%，后台二次电压显示偏高。同时发现**一线B相电压互感器上节、中节电容量增大、且B相后台二次电压显示偏高。该设备型号为TYD3500/-0.005H，2004年出厂。初步判断介损超标、电容量增大有两种可能：（1）部分元件被击穿使电阻增大，从而导致介损增大，相应的电容量也增大；（2）内部元件有受潮现象，同样引起电阻增大而使介损增大、电容量增大。而电压互感器电容量增大导致其变比减小，所以一次和二次电压都显示偏高。随后，联系厂家对电压互感器整体进行了更换。
2.2 返厂解体检查
2011年1月将换下的CVT进行返厂解体检查，分段测试各节电容以及介损，发现B相电压互感器上节、中节、C相电压互感器中节电容量全部超标（见表1）。
进一步对电容量超标的C相中节、B相上、中节进行解体检查，使用火花间隙充放电仪逐个电容芯子进行测试，施加电压2 kV。经过逐一检查分别发现C相中节有5个芯子单元击穿，B相中节有3个芯子单元击穿，B相上节有4个芯子单元击穿。
3 二次电压变化与一次设备内部故障关系
3.1 电容元件击穿对电压比的影响
CVT二次电压和一次电压的关系，电压比K：（忽略由于制造工艺引起的电容误差，假设每只电容元件的电容量相等）
式中：n2为C2的个数；N为全部电容元件的个数；k为中间变压器的变比。
由于杂散电容的原因，电容式电压互感器内部串联电容上电位近似指数分布，所以越靠近高电位处电容越容易发生击穿。当C1发生电容元件击穿时，n2和k不变，N变化，K变为：
K′与K的变化关系为：
设ΔN=N-N′，则公式变为：
由此可见，二次电压的变化和电容元件的击穿个数关系密切。且能看出：当电容元件的击穿只发生在C1时，二次电压升高。
3.2 电容元件击穿对相电压和线电压的影响
假设相电压为Ua，线电压为Uab
CVT二次电压和一次电压比K：
当只有C1发生电容元件击穿时，电压比K变为：
相电压Ua变为Ua：
Ua×KUaUa
变化率为：
△Ua
假设未击穿时Ua=Ub，通过余弦定理：
发生击穿时，线电压变为：
以**站500 kV CVT为例，分压电容结构上共三节，每节电容共有154个电容元件串联构成，所以取N=462，经过计算可以得出元件击穿对相电压和线电压的影响为：
C1击穿1支时，N′=461，△Ua，△Uab
C1击穿2支时，N′=460，△Ua，△Uab
C1击穿3支时，N′=459，△Ua，△Uab
C1击穿4支时，N′=458，△Ua，△Uab……
从上面计算结果可以看出，电容击穿对线电压的影响基本为相电压的1/2。
4 采用相对比较法对二次电压进行分析
通过以上计算可以看出电容式电压互感器电容元件发生击穿时会引起二次电压的变化，但是当击穿元件个数较少时，这种变化并不明显，又由于系统电压本身随时间也在不断变化中，这样就会使元件击穿引起的电压变化量被湮没，使我们无法通过监测二次电压，直接发现它的变化情况。
5 结语
通过理论分析CVT电容元件故障和二次电压对应关系，以及对实际电压数据进行分析，可以得出以下结论：（1）CVT电容元件损坏与二次电压关系密切。当电容元件的击穿发生在C1时，二次电压升高，而且对线电压的影响基本为相电压的1/2；（2）二次电压相对比较法可以有效跟踪CVT电容元件损坏情况；（3）二次电压监测分析比定期停电检测更能及时、有效发现CVT内部故障。
参考文献
[1] 国家电网公司.Q/GDW1168-2013输变电设备状态检修试验规程[M].北京：中国电力出版社，2008.
[2] 李建明，朱康.高压电气设备试验方法[M].北京：中国电力出版社，2001.
[3] 刘胜军，王慷，郭猛.电容式电压互感器二次电压偏高分析[J].变压器，2010（4）：66-68.