6KV系統幾例電壓互感器故障實例分析和處理

摘 要:馬鋼集團南山礦業公司為露天開采的大型金屬礦山，近年來隨著后備礦山開發及選礦工藝的改造，用電負荷不斷增加。由于生產任務重、時間緊，其變配電所設備及饋電線路等只能進行分步改造，目前上世紀六七十年代的電氣產品仍在大量使用，造成系統故障較多。本文針對近年來運行及改造過程中出現的幾例電壓互感器故障實例進行了分析，并提出相關應對措施。

關鍵詞:電壓互感器諧振過電壓交直流混線

中圖分類號:TM451文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)01(b)-0052-02

1 6kv系統簡介

南山礦現有兩座110kv/6kv總降壓變電所，年用電量達3.8億kwh。其6kv系統由110kV主變二次側母排、6kv受電柜、PT柜、所用變柜、饋出柜、母聯柜、電容補償設備、饋出線路、二級6kV變配電所設備、線路等組成。其二級變配電所中有1座特殊的變電所，即始建于1963年，擴建于1972年的直流牽引變電所(供電電壓為6kV，饋出直流電壓為1650V)。目前6kV系統中性點為經接地變壓器和消弧線圈接地，其高壓線路總長度達130多km，線路類型有裸鋁線架空、絕緣鋼絞線架空、電纜線路及混合供電線路;系統中的負荷類型有電弧爐、電力機車、高壓變頻器、勵磁設備、交直流電機等。為保障6kV系統運行安全，減少電氣事故的發生，在2009年11月份南山礦完成了其41#總降壓變電所及44#選礦配電所改造。改造前兩座變配電所使用的電氣設備基本是20世紀60～70年代產品，設備老化嚴重，斷路器是油開關、保護是電磁式保護、高壓補償為人工補償。在沒有改造之前，系統運行中時有發生過電壓現象，造成電壓互感器燒毀、少油斷路器和避雷器爆炸、電容器鼓肚等事故，對安全供電帶來極大影響。

2 系統運行中電壓互感器故障實例分析和處理

2.1 電壓互感器二次則無電壓輸出

故障經過與現象:2006年10月21日，接到公司41#總降壓變電所值班人員報告，稱打雷后，6kVI段母線電壓互感器二次則無電壓輸出。

分析:2006年南山礦41#總降壓變電所6kV系統為中性點不接地系統，對礦山來說不接地系統的好處就是發生單項接地時，允許系統運行兩個小時，保障重要負荷的供電，減少突然停電對生產影響。由于當天是雷雨天氣，估計故障由雷擊造成。經現場檢查，發現6kVI段母線電壓互感器一次側高壓熔絲全部熔斷，檢修人員對電壓互感器絕緣檢查后發現無異常，更換了高壓熔絲，電壓互感器投入運行后恢復正常。雷擊對電氣設備的損壞主要是由雷擊時過壓對設備絕緣的破壞引發的。在雷擊時，對6kV中性點不接地系統會形成高頻、工頻及分頻鐵磁諧振。高頻鐵磁諧振過電壓的幅值可達到額定值的3倍以上，非常容易擊穿系統中絕緣薄弱部分，從而導致設備損壞。工頻諧振過電壓可導致三相對地電壓瞬時同時升高，對系統一定的影響，但由于避雷器或過電壓保護的作用設備一般不會損壞。分頻鐵磁諧振可導致相電壓低頻擺動，勵磁感抗成倍下降，雖然其引發的過電壓不高，大約在2倍額定值以下，但感抗下降會使勵磁回路嚴重飽和，勵磁電流急劇加大。當勵磁電流超過額定值，會使鐵心劇烈振動，導致電壓互感器一次側熔絲過熱燒毀。

可見，本次故障主要是由雷擊引發的電壓互感器低頻諧振造成的。為避免雷擊時產生過壓損壞電互感器，應選擇質量較好廠家的產品及合理配置二次消諧產品及過電壓保護器，保障電氣系統安全。

2.2 線路送電時，油開關爆炸、電壓互感器燒毀

故障經過及現象:2007年5月21日，41#總降壓變電所值班人員接到調度指令，準備送4119饋電線路。經過對設備進行送電前檢查后，確認設備正常、隔離罩及接地線已解除，值班人員對4119線路開關進行了合閘操作。合閘過程中，發生4109油開關爆炸，所內I段母線短路、6kVI段母線受電及主變110kV開關跳閘、同時供電局側110kV斷路器跳閘，電壓互感器冒煙，避雷器爆炸。

分析:經現場查看，油開關已完全燒毀，氧化鋅避雷器已炸壞，I段電壓互感器及保險燒毀，1#主變高低壓側電磁保護的速斷動作。供電局側保護動作經分析主要是由于其采用的是微機保護，與南山礦的電磁保護及開關機構在動作時間上誤差較大造成的。此事事故影響極大，原因也不明了。為徹底找出事故發生的原因，避免再次發生類似事故，必須對現場情況及整個操作過程進行認真調查和分析。在調查中，首先了解到在4119線路送電時，輸電線路正常，線路上的用電設備沒有發生短路事故，可以排除由線路和相關設備短路所引發故障的可能;其次又了解到，合閘時I段母線運行正常，沒有發生線路接地及其他異常現象，也可以排除系統接地和其他異常引發故障的可能;另外在發生事故時，天氣沒有發生亂風下雨，也可以排除遭雷擊或雷電感應對設備造成破壞的可能。

在6kV中性點不接地系統中，電源側的中性點是不接地的，電壓互感器的中性點是接地的。在系統操作過程中，當開關合閘時三相不同期，會引發過電壓，過電壓又會引發電壓互感器諧振，在燒毀高壓熔絲及電壓互感器同時又會引發其他設備絕緣破壞，引發更大事故。在對毀壞的避雷器、油開關進行仔細觀察后，發現對應的A相損壞較嚴重，同時發現開關受電母排發生了明顯的弧光短路。觀察電壓互感器時也發現共A相損壞較B、C相嚴重。從現場情況可以分析出，在油開關合閘瞬間發生了6kvI段的諧振，由于諧振過電壓的發生，造成氧化鋅避雷器損壞及油開關油被擊穿，油被擊穿后發生了閃烙，閃烙噴出的油氣在母排相間形成導體，進而又引發母排弧光短路，造成事故擴大。可見此次事故主要原因是由合閘時開關三相不同期引發系統諧振造成的。因此在油開關檢修時，必須注意調試好油開關的分合閘三相同期性，同時應選用伏安特性比較好的電壓互感器或在中性點加裝阻尼電阻防止諧振的產生。

2.3 44#選礦主廠房配電所改造后，6KV系統發生接地，電壓互感器多次燒毀

故障經過及現象:2009年11月44#選礦主廠房配電所改造后投入試運行，試運行中只要6kV系統發生接地，接地母線對應的電壓互感器就燒毀。

分析:44#選礦主廠房配電所改造工程由馬鋼股份設計研究院設計，改造后為單母線分段運行，I段母線由41#總降壓變電所I段母線4109饋出線路供電，II段母線由41#總降壓變電所I段母線4118饋出線路供電，正常運行時41#和44#母線均為分段運行。為防止單相接地出現弧光過電壓，對電氣設備造成破壞，設計人員對44#配電所兩段母線分別設計安裝了一臺安徽合肥新安線有限公司生產的消弧柜，每臺消弧柜內安裝母線的PT（電壓互感器）。PT的三角開口電壓分兩路接出:一路并接消諧接觸器KX常開接點串30歐姆消諧電阻的支路后接到消弧柜控制器零序電壓輸入端（U0、N端子），另一路并聯至DVP-9621電動機微機保護裝置零序電壓接口端子（H11、H11’）。2009年11月2日試運行時，晚上23點10分41#總降壓變電所I段母線接地，5分鐘后44#配電所值班人員向調度匯報，44#I段消弧柜發生故障，44#所內I段母線受電跳閘，變電所內濃煙很重。經現場檢查，發現消弧柜內的電壓互感器及過電壓保護器及接地電阻均已燒毀。當時認為是消弧柜內電壓互感器質量問題，就通知廠家來處理。廠家更換相關損壞器件后，現場運行人員考慮怕再發生問題，在停用I段消弧柜的接地選線及消弧功能后同意投入運行。沒過幾天因雷雨天氣影響， 6kvII段母線也出現了接地，同樣發生了II段消弧柜PT燒毀事故。再次通知消弧柜廠家進行處理，其技術人員檢查后認為可能還是電壓互感器本身質量問題，在更換PT后要求重新投入。考慮兩段母線上的消弧柜均出現問題，在沒有查清前決定暫停消弧柜使用，僅使用其PT功能。沒有想到，6kV系統II段再次接地時，PT又被燒毀。考慮到更換后采用的PT為大連一互的產品，質量應該不會有問題，系統諧振過電壓可能性也不大（41#總降壓變電所改造后安裝了接地變壓器和消弧線圈），因此認為電壓互感器開口側負荷過大引發互感器燒毀。經現場實測，電壓互感器開口三角所帶負載電阻為5歐姆。由于一般開口三角繞阻負載功率為20VA，在出現系統接地時開口三角處電壓能達到70～100V左右，因而接地時間一長，電壓互感器開口三角繞組在嚴重過載情況下就會出現過熱導致絕緣破壞，從而引發相間短路造成電壓互感器徹底損壞。后來將開口三角（零序電壓）接入20臺電動機保護的線路解除，并將消諧電阻換為500Ω后，系統接地時再也沒有出現電壓互感器燒毀現象。

2.4 打雷過后多臺電壓互感器同時燒毀

故障經過及現象:2010年9月20日晚，因天氣下雨野外電閃雷鳴，突然一個閃電過后，變電所出現跳閘。經調度反映雷擊后公司41#，42#、44#及職教中心變配電所均出現電壓互感器燒毀事故。

分析:由于南山礦架空線較多，以前也出現過雷擊后造成線路斷線，避雷器炸毀，電壓互感器保險熔斷及燒毀現象，所以認為是雷電波侵入所致造成的。但仔細分析后又覺的不大可能，首先一次雷擊同時損壞這么多電壓互感器可能性不大，畢竟各級配電所均設有過電壓保護裝置。其二，所損壞的電壓互感器均處于6kV系統I段上，且總降I段母線上的接地變壓器（星形接法的干式變壓器）也被燒毀，即使雷擊造成過電壓，也不至于擊穿電壓互感器后再擊穿干式變壓器。其三，電壓互感器柜及饋線柜內避雷避或過電壓保護器等并沒有損壞。因而判斷此次電壓互感器故障可能并非完全由雷擊造成。后來，經巡線人員報告在南山礦排土場附近因采場2#壞行線遭雷擊A相架空裸導線斷線搭在與其穿越交叉的牽引網絡正極上（1650V直流），造成交直流混線，而導致多臺電壓互感器事故。

1650V直流電壓加在電壓互感器A相上，會使A相一次線圈流過150mA以上直流電流，這么大的直流電流，會導致A相鐵芯迅速飽和，阻抗變小，致使電壓互感器三相阻抗嚴重不平衡。阻抗變小會使電壓互感器一次繞組中將流過較大的交流電流和直流電流，由于熱量累積原因其一次繞組匝間絕緣遭到損壞形成短路，從而造成電壓互感器燒毀。從現燒毀的電壓互感器來看，其環氧樹脂被燒開裂，說明燒壞是由直流助磁引發繞組過熱引起的。交直流混線事故應引起足夠重視并及時處理，防止事故擴大。在交直流線路交叉跨越處，應采取必要措施，防止斷線出現混線事故。

3 結語

通過對電壓互感器故障實例分析，有利于提高電壓互感器運行管理，減少電氣故障發生，保障系統安全可靠運行。

參考文獻

[1]曹梅月編著.電力系統諧振接地.中國電力出版社.

[2]李福壽編著.中性點非有效接地電網的運行.水利電力出版社，1993.