電磁單元

電磁單元主要由中壓變壓器一次線圈、多個二次線圈、鐵心、補償電抗器、油箱組成。

基本介紹

• 中文名：電磁單元
• 外文名：electromagnetic unit或magnetic unit

電磁單元的結構和物理模型分析

電磁單元主要由中壓變壓器一次線圈、多個二次線圈、鐵心、補償電抗器、油箱組成,其並聯等效電路圖及部件分布見圖1,圖中的部分電容未畫出並聯電阻。

一批TYD110/3 -0.01H型CVT的電磁單元進行絕緣電阻(200 GΨ,5000 V兆歐表)和電容表測雜散電容試驗,其中tanδ=1/ωCR,RZ1～RZ4分別對應為CZ1～CZ4上的絕緣電阻,可得以下數據:

① 接線面板清潔乾燥時各端子間絕緣電阻和電容參數:RZ>200 GΨ,CZ=10 pF,tanδ=0.16%;

② 斷開中間變壓器與補償電抗器的連線,並將A′與XT連線,測試一次繞組對二次繞組的絕緣電阻為1/(1/(1/(1/RZ1+1/RZ3)+RZ2)+1/RX)=120 GΨ,一次繞組對二次繞組的電容為1/(1/(CZ1+CZ3)+1/CZ2)+CX)=200 pF,tanδ=0.013%;

③ 測試一次繞組對油箱殼的絕緣電阻為1/(1/(RX+RZ2)+1/RZ1+1/RZ3)=100 GΨ,一次繞組對油箱殼的電容為1/(1/CX+1/CZ2)+CZ1+CZ3=200pF,tanδ=0.016%;

④ 斷開補償電抗器與接線面板連線,測試補償電抗器鐵心不接殼時繞組對殼的絕緣電阻RZ4=130 GΨ,繞組對殼的電容CZ4=150 pF,tanδ=0.016%;鐵心接殼時繞組對殼的絕緣電阻RZ4=120 GΨ,繞組對殼的電容為CZ4=300 pF,tanδ=0.009%;

⑤ 斷開a-n、da -dn與接線面板連線,並一起短路,測試二次繞組對殼的絕緣電阻為1/(1/(1/(1/RZ1+1/RZ3)+RX)+1/RZ2)=100 GΨ,二次繞組對殼的電容為1/(1/CZ1+CZ3)+1/CX)+CZ2=370 pF,tanδ=0.009%;

⑥ 二次繞組間絕緣電阻和電容分別為Ran-dadn=70 GΨ,Can-dadn=800 pF,tanδ=0.006%。

分析可知,測試雜散電容介損時,在並聯等效迴路中,如計算介損<10-4則將電阻支路開路,介損>104則將電容支路開路;在串聯等效迴路中,計算介損<10-4則將電阻短路,介損>104則將電容短路。接線面板接入線路後,CZ約為其它雜散電容的1/20,可忽略不計。當接線面板受潮或污穢,RZ降低較快,而CZ不變,故在等效電路中忽略CZ。

電磁單元等效電路圖

不同測試方法(不同點)對測試值的影響分析

在現場,電容分壓器與電磁單元不能分解,且某些型號沒有A′端子,必須串聯分壓電容測試。經試驗和計算,可將分壓電容簡化,且對電磁單元的電容及介損無影響,故試驗線路未接入分壓電容。常規測試線路即測量高壓繞組對低壓繞組及油箱殼之間的電容C及tanδ,高壓繞組因存在層間電容、電感、直流電阻,測試時,分別對A′、XL及A′-XL進行加壓測試以比較結果是否一致,測試時油箱殼未接地,測試電壓均為1 kV。

電磁單元介損測試時注意事項

根據預防性試驗規程的要求,CVT中壓變壓器介損的測試標準參照電磁式電壓互感器(電壓等級為35 kV及以下)的繞組絕緣標準值執行,但標準未註明測量試點及電壓,故針對電磁單元的介損測試提出以下注意事項:

①介損測試時,測量耐電壓等級高比低的地方的介損意義大,故測量重點應放在一、二次線圈間。

②某些電容器油、變壓器油、SF6介質是強電負性,低電壓時偶極子偏轉時間較長,被介損儀器誤測為絕緣損耗;而高電壓時偶極子偏轉時間短,不影響介損測試。故測試時應儘量用較高電壓,但不能超過設備的耐電壓水平,以免損壞設備。

③整體無法分拆測試時,要注意被測點的並聯支路(包括通過雜散電容並聯)和接線面板的影響。

④同樣的產品,某些部件可能因為滿足生產廠家執行的標準要求而不太考慮裝配位置的公差配合要求,在一定範圍內影響到介損的測試結果,造成同一批產品的測試結果不同。

⑤不同型號的產品,本來裝配位置就不一致,更有可能造成介損測試結果分散。

與電容式電壓互感器(CVT)的聯繫

電容式電壓互感器(CVT)相對於電磁式電壓互感器具有不與系統構成鐵磁諧振、不易造成惡性爆炸事故的優點和較高的性價比,故廣泛用於≥110kV電壓等級的線路和母線上。CVT由電容分壓器和電磁單元組成,電容分壓器直接接在高壓線路上,是CVT的主絕緣部分;電磁單元接在電容分壓器的中壓部分,它承受的電壓一般≤20 kV。但從運行經驗來看,電磁單元引起的事故遠遠多於電容分壓器部分,只是因其故障的破壞性小而一直未被重視。通過測量電磁單元的tanδ值,可發現其內部絕緣材料劣化等問題,但電力設備預防性試驗規程[1]對其介損測試沒有明確規定,故一般參照TV標準測試介損。因生產廠家執行的標準[2]未要求此項試驗,正常的型式試驗和出廠試驗均無此項數據,故用戶在新安裝時必須測試電磁單元的介損,以便以後比較、分析。

CVT電磁單元

a)CVT電磁單元的介損測試重要性不能與電容器、電磁式TV相提並論。

b)電磁單元的介損測試更多地反映出各帶電部件與油箱殼的雜散電容的介損;而測試兩個二次繞組之間的介損,則反映油箱內的油及其他絕緣材料是否受潮或劣化。

c)測試點不同對電磁單元介損測試影響不大。

d)接線面板的絕緣電阻對電磁單元的介損測試影響很大。

電容式電壓互感器（CVT）是高壓電網供電計量、保護、指示和同期用的重要設備，可兼作耦合電容器供電力載波通信線路、高頻保護和遠動通道之用。與電磁式電壓互感器相比，CVT 可防止因鐵心飽和引起的鐵磁諧振，並具有優良的瞬變回響特性，因此在 110~500 kV 中性點直接接地系統中得到廣泛套用。但受到設計#工藝和原材料等多種因素的影響，CVT 投運後故障率遠遠高於常規的電壓互感器和耦合電容器， 嚴重影響了電網的安全運行。目前電網中正在運行的 CVT，除少數早期投運的產品外，大部分是電容單元和電磁單元集合一體式型號，此類 CVT 外部和端子箱中無電磁單元一次側引出線，如該部分發生故障，在不對設備進行解體的情況下，難以直接對其進行單獨試驗以準確判斷故障情況，遇到此類問題時，可通過排除法並結合其他關聯試驗結論來間接判斷故障情況。

通過試驗排除上節耦合電容器和二次繞組發生故障的可能，其次通過自激法對下節耦合電容器進行介質損耗因數和電容量試驗，通過異常信號判斷該部分有電氣聯接開斷情況，對下節耦合電容器與電磁單元一次部分進行整體絕緣測試並且對油箱中絕緣油化驗分析， 發現油箱中有電弧放電現象，由此將故障鎖定為 CVT 電磁單元一次側斷線。

故障實況及原因分析

故障實況：220 kV 某變電站在正常運行中，突然出現220 kV 副母線壓變 B 相二次側失壓故障，相關部門遂下令進行停電檢查。

故障相壓變由 2 節瓷套外殼的電容分壓器和安裝在下部油箱中的電磁單元構成。 其中C11安裝在上節瓷套內，C12分壓電容和C2共裝在下節瓷套內。其電容量分別為：C11=19 615 pF，C12和 C2串聯後的電容量為 19 705 pF。

故障發生後，在運行狀態下，試驗人員分別直接對 3 個二次電壓繞組進行輸出電壓測量， 確認電壓輸出為 0，現場檢查 CVT 外觀正常，無異音現象。

故障原因分析：

原理分析：

根據 CVT 結構特點和工作原理可知，可能導致CVT 二次側失壓故障的原因主要有：電磁單元一次引線、繞組斷線或接地；分壓電容C2短路；各分壓電容之間的聯結斷線；油箱電磁單元燒壞、進水受潮等故障；接地端連線不牢固，N，P 連線不牢固或放電。

電氣試驗分析：

針對可能導致故障發生的因素，在設備停電狀態下對該 CVT 進行診斷試驗， 分別測量了該 CVT上下節耦合電容器的絕緣電阻、介質損耗因數、電容量和中間變壓器的二次繞組直流電阻、絕緣電阻以及絕緣油化驗分析。 試驗表明該 CVT 上節耦合電容器絕緣電阻、介質損耗因數和電容量均在合格範圍內，因此可排除上節耦合電容器發生故障的因素。

對下節耦合電容器和電磁單元試驗時發現異常試驗數據。下節整體絕緣電阻（含電磁單元）為4 000 M歐，小於合格標準的5 000 M。採用自激法測量。C12和C2的介質損耗因數和電容量時，儀器顯示高壓無信號，未出現輸出過載等其他異常信號。在排除試驗接線錯誤、試驗儀器故障、現場電磁場環境干擾的因素後，初步判斷該 CVT 一次側、二次側之間的電壓關聯已經被破壞。

在此基礎上，對該 CVT 二次繞組絕緣電阻和直流電阻進行測量，試驗結果表明其二次繞組絕緣電阻和直流電阻均合格，故可排除二次繞組故障的因素，由此故障範圍縮小為下節耦合電容器和電磁單元一次側部分。

下節耦合電容器包括分壓電容 C12和 C2，假設故障發生在該部位， 則應出現 C12斷線或 C2短路的情況， 然而在測量 C12和 C2的介質損耗因數和電容量時儀器未出現輸出過載信號， 表明 C2並未短路C又由於下節電容器與電磁單元整體絕緣電阻偏低，與 C12斷線的情況不相符。因此故障部位很可能出現在電磁單元，且由於故障原因導致下節整體內部絕緣狀況劣化，造成絕緣電阻偏低。

絕緣油化驗分析：

由於該類型 CVT 外部和端子箱中無電磁單元一次側引出線，難以直接對其進行單獨試驗以準確判斷故障情況，鑒於此通過關聯試驗來間接判斷故障情況。電磁單元安裝在 CVT 下部油箱中，當電磁單元一次側引線發生非應力性斷裂時（如高溫燒灼或電弧放電等情況），絕緣油中會析出相應的故障氣體，根據析出氣體類型和產量可以判斷故障性質。通過對該 CVT 絕緣油化驗分析發現，油中氫氣和總烴產量均超標，且油中含有 C2H2，表明中間變壓器內部發生過電弧放電現象。

CVT電磁單元工作原理

CVT由電容分壓器和電磁單元組成。其中，電容分壓器由高壓電容器C1和中壓電容器C2組成。電磁單元由中間變壓器，補償電抗器，避雷器，二次迴路等組成。二次迴路一般包括2~4組二次繞組和一組輔助繞組，輔助繞組主要元件為阻尼器。

電磁單元中阻尼器由用於產生並聯諧振的電容器和電抗器並聯，再和阻尼電阻串聯。阻尼器並聯在額定電壓為100V的輔助繞組(即剩餘電壓繞組)上，電容C和電感 L在工頻下調至並聯諧振狀態。此時迴路阻抗很高，只有很小的電流流過阻尼電阻。當出現低頻分次鐵磁諧振時，迴路的並聯諧振條件遭到破壞。於是，阻抗下降，電流劇增，瞬時在阻尼電阻將會消耗殆盡該諧波功率，從而實現阻尼分頻諧振。

CVT電磁單元故障表征

母線過電壓往往導致與之相連的電壓互感器電磁單元損壞。根據廠家故障統計，電磁單元中故障機率極高的部位是阻尼器電容器。阻尼器電容器廠家主要採用自愈式電容器，該電容器在發生內部擊穿時，依靠擊穿能量使得擊穿點周圍的金屬極板塗層蒸發，從而使絕緣水平迅速得以恢復。但當擊穿點較多或擊穿面積較大時，其自恢復絕緣能力降低，並將加速內部介質的擊穿直至電容器短路，從而導致 CVT測量電壓發生顯著變化。

CVT電磁單元故障檢定方法的提出

CVT電壓異常分為二次失壓"電壓值偏高或偏低。如果中間變壓器出現故障或避雷器擊穿，或中壓電容器C2擊穿，將無電壓輸出，引起電壓偏高或偏低的原因可能是電容分壓器有局部擊穿。另外，也可能由於質量問題或者系統過電壓衝擊導致阻尼器電容器擊穿。通過高壓試驗測量阻尼迴路電流可以及時、有效地發現CVT內部電磁單元阻尼器故障。

具體分為兩步: 第一，通過測量絕緣電阻和直流電阻是否符合規程來檢定二次繞組是否損壞。若異常，則二次繞組故障; 若正常，轉入下一步。第二，檢查阻尼器狀態。先短接da~dn，打開d1~d2連線片。同時，還需要打開N-X連線片，使得中間變壓器在高壓試驗時空載運行，並構成獨立的、可測試兩連線埠的阻尼迴路。再在阻尼器兩連線埠d1~d2上施加有效值為 100V的工頻電壓，測試其阻尼電流!最後根據測試結果檢定。判據為: 若阻尼電流為0，說明阻尼迴路開路，則可能是阻尼電阻燒毀。若阻尼電流大於0且不大於 1A，則阻尼迴路正常，否則超出範圍判斷為阻尼器電容器發生故障。現場多台設備測試表明，阻尼電流一般為0.6左右。

值得注意的是，現場實測時，不同產品(不同類型和電壓等級) 阻尼電流額定值有所不同，不能直接套用本方法中的標準值。本方法重點在於以高壓試驗為手段提出了一種解決問題的思路。因此，應參考廠家阻尼器電氣原理圖和設計參數，依據公式 (1) 的原理計算額定值。另外，該測試方法可以推廣為從d1~d2端子施加工頻電壓10V，再測試阻尼迴路電流。正常情況下，阻尼電流不大於0.1A。同時，測試要結合三相橫向對比和歷史數據的縱向對比來全面分析，保證判斷的準確性。

該方法適用於停電檢修，根據儀器條件，可以靈活套用。特別是目前例行試驗中未對阻尼電流進行考核，無法針對這類現場頻繁出現的由於電磁單元阻尼器損壞導致油箱發熱、二次電壓異常的故障進行狀態監督!因此，本文提出的檢定方法具有重要的實際意義。