35 kV及以下電壓互感器熔絲熔斷原因分析及對策

趙海林

(揚中市供電公司，江蘇揚中212200)

電壓互感器是變電站電壓測量、計量及繼電保護的重要設備，其在運行過程中經常會發生高壓側熔絲熔斷故障，對計量、繼電保護等帶來不良后果，因此對電磁式電壓互感器熔絲熔斷故障的研究具有非常重要的意義，合理有效處理該故障可以減小事故的危害，保證電網、設備的安全運行，減小損失。文中主要分析了發生此類故障的原因，提出了相應的措施，為現場解決問題提供參考。

1電磁式電壓互感器熔絲熔斷原因分析

造成電壓互感器熔絲熔斷的主要原因有：鐵磁諧振過電壓、低頻飽和電流、電壓互感器一、二次絕緣降低或消諧器絕緣下降、電壓互感器X端絕緣水平與消諧器不匹配以及雷雨天氣等。

1.1鐵磁諧振過電壓的影響

非線性負荷使得電壓波形嚴重畸變，這是造成鐵磁諧振的主要因素。在中性點不接地系統中，正常運行時，由于三相對稱，電壓互感器的勵磁阻抗大于系統對地電容，兩者并聯后為一等值電容，系統對地阻抗呈現容性，中性點的位移基本接近0。當線路瞬時接地時，健全相電壓突然上升，產生涌流；給電壓互感器送電時，其一相或兩相繞組內出現巨大的涌流。系統的某些干擾可使電壓互感器鐵芯出現不同程度的飽和，中性點就有較大的位移，位移電壓可以是工頻，也可以是諧波頻率（分頻、高頻），飽和后的電壓互感器勵磁電感變小，系統網絡對地阻抗趨于感性，此時若系統的對地電感與對地電容相匹配，就形成三相或單相共振回路，可激發各種鐵磁諧振過電壓。工頻和高頻鐵磁諧振過電壓的幅值一般較高，可達額定值的3倍以上，起始暫態過程中的電壓幅值可能更高，危及電氣設備的絕緣結構。工頻諧振過電壓可導致三相對地電壓同時升高，或引起“虛接地”現象[1]。高頻鐵磁諧振可導致相電壓低頻擺動，勵磁感抗成倍下降，過電壓并不高，一般在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，電流大大超過額定值，使電壓互感器一次側熔絲過熱燒毀。

1.2低頻飽和電流的影響

發生單相接地故障時，由于電壓互感器的勵磁阻抗很大，其中流過的電流很小，一旦接地故障消失，電流通路則被切斷，而非接地相必須由線電壓瞬間恢復到正常相電壓水平。但是，由于接地故障已斷開，非接地相在接地期間已經充電至線電壓下的電荷，只有通過高壓繞組經其原來接地的中性點進入大地。這一瞬變過程中，高壓繞組中將會流過一個幅值很高的低頻飽和電流，使鐵芯嚴重飽和。當對地電容較大、間歇性弧光接地或接地消失時，健全相對地電容中貯存的電荷將重新分配，它將通過中性點接地的互感器一次繞組形成放電回路，構成低頻振蕩電壓分量，促使鐵芯處于飽和狀態，形成低頻飽和電流。其在單相接地消失后1/4～1/2工頻周期內出現，電流幅值可遠大于分頻諧振電流（分頻諧振電流約為額定勵磁電流的百倍以上），頻率約2～5 Hz[2]。因為產生分次諧波諧振時，盡管過電壓不太高，但因諧振頻率低，引起鐵芯嚴重飽和，勵磁電流迅速增大，燒毀電壓互感器。由于具有幅值高、作用時間短的特點，在單相接地消失后的半個周期即可熔斷熔絲。實際上，由于接地電弧熄滅的時刻不同，即初始相位角不同，故障的切除不一定都在非接地相電壓達到最大值這一嚴重情況下發生。因此，不一定每次單相接地故障消失時，都會在高壓繞組中產生大的涌流。而且低頻飽和電流的大小還與電壓互感器伏安特性有很大關系，鐵芯越容易飽和，該飽和電流就越大，高壓熔絲就越易熔斷。

1.3 電壓互感器一、二次絕緣降低或消諧器絕緣下降

中性點裝有消諧器的電壓互感器正常運行時，輔助繞組短路后的高壓繞組中最大電流一般不超過10 mA，輔助繞組中最大電流為1 mA。單相接地時，輔助繞組開口兩端短路，則三相高壓繞組中電流都增大到170～180 mA（接有消諧器）及400～415 mA（未接消諧器），輔助繞組中電流增大到30 mA（接消諧器）及75～80 mA（未接消諧器），通過消諧器的電流也高達520 mA，此時電壓互感器負載達到每臺1 000 V·A及2 400 V·A，而通常10 kV電壓互感器最大熱極限負荷僅為300～400 V·A[3]。由于互感器的保護熔絲為0.5 A，雖然高壓繞組中電流達到0.2～0.4 A，仍低于高壓保護熔絲的熔斷電流0.5 A，而輔助繞組回路中又沒有熔絲保護。因此高低壓繞組只有任其加熱，當接地持續一段時間后，高、低壓繞組的絕緣層逐漸燒損，以至短路，電流增大。有的將主絕緣燒穿，造成相間短路，致使高壓熔絲三相熔斷 （揚中市供電公司有2座35 kV變電所的壓變就因此原因而燒毀）。消諧器絕緣下降相當于壓變的中性點直接接地，起不到消諧的作用。

1.4電壓互感器X端絕緣水平與消諧器不匹配

互感器的X端絕緣通常有全絕緣和半絕緣2種，全絕緣（JDZJ型）的電壓互感器X端耐受電壓與首端相同，半絕緣（JCZX型）的電壓互感器X端工頻耐受電壓為3 kV。對X端為半絕緣的中性點消諧器的選擇，必須能在電網正常運行和受到大的干擾后，均使X端電壓限制在其絕緣允許范圍內，否則X端子就有可能對地放電，造成一次繞組電流增大，熔絲熔斷。

1.5雷雨天氣的影響

10～35 kV架空線路，在雷云電荷的作用下，三相導線都感應相同數量的束縛電荷。當雷云放電時，三相導線上的束縛電荷向線路兩側運動，對變電站形成侵入波。該侵入波的電壓并不高，因為高壓熔絲熔斷時避雷器并未動作。熔絲熔斷是發熱的結果，電流發熱的功為P=I2Rt，電流的幅值I是最為重要的因素，還與熔絲電阻R及電流的持續時間t有關。只有電流的幅值高且持續時間又長的侵入波，才會使高壓熔絲熔斷，而大部分侵入波都不同時具備此2種條件。故大多數雷暴天氣，雷擊引起高壓熔絲熔斷仍是個小概率事件。

2防止熔絲熔斷對策

采用高容量的消諧器，使用低磁密、高飽和、全工況類的電壓互感器以及增大熔斷器的容量可以防止該類故障的發生。但安裝消諧器后，電壓互感器開口三角電壓升高較多，有的高達10～15 V。這是因為消諧器安裝在中性點與地之間，消諧器上的電壓是由互感器的勵磁電流產生的，而消諧器上的電壓是作用于三相電壓互感器的零序回路[4]。針對這個問題，作如下分析。

（1）三相電壓互感器本身的伏安特性不一致，導致三相勵磁電流中的基波向量和不為0，此時消諧器上則有一定的基波電壓，且該電壓無法消除，若三相電壓互感器本身的伏安特性相差過大時，就會造成開口三角電壓升高很多，但是這種情況比較少。

（2）串接消諧器后，由于電壓互感器本身的勵磁特性，導致消諧器上產生一定的三相諧波電壓，當勵磁特性正常時，產生的開口三角電壓一般可以接受，勵磁特性較差時，開口三角電壓過高，甚至有可能達到不能接受的程度。

（3）由于在零序電壓回路串聯消諧器，使鐵磁諧振過電壓的大部分電壓降落在消諧器上，從而避免了鐵芯飽和，限制了鐵磁諧振過電壓的發生。正常運行時此消諧器電阻值大于450 kΩ （取0.3 mA峰值零序電流試驗），單相接地時電阻值大于180 kΩ（取3 mA峰值零序電流試驗），為的是抑制低頻飽和電流[4]。

解決鐵磁諧振的措施有：選用勵磁特性較好的電壓互感器或使用電容式電壓互感器；增大對地電容，破壞諧振條件；在中性點或開口三角繞組處加裝消諧器。

2008年，35 kV長旺變電站系統出現單相接地故障，持續時間為20 min。一DTSD341電能表燒毀，電壓互感器中性點與地之間電壓為1 200 V，電壓表指示一相近似為0，其他兩相超出電壓表量限，初步斷定電壓互感器高壓側熔絲有一相熔斷或匝間短路。經試驗，電壓互感器正常，高壓側C相熔絲熔斷，更換熔絲和電能表后，恢復正常。造成此次事故的原因是一條10 kV線路的C相一瓷瓶擊穿，出現間歇性弧光接地。這是一個由于間歇性弧光接地所引起的鐵磁諧振過電壓，而導致電壓互感器熔絲熔斷的典型案例。后來在檢修中，在一次側更換成LXQII型高容量的消諧器，并在保護屏上進行微機二次消諧。至今，雖然線路偶有單相接地發生，但再也沒有發生過熔絲熔斷的故障。

3結束語

綜上所述，熔絲熔斷的主要原因是由諧振引起的。在技術上可以通過改變系統參數消除諧振，如：增大電容，減少容抗或改良電磁式電壓互感器的伏安特性，使容抗和感抗之比小于0.01，使系統處于一個較合理的參數范圍之內。實際運行中采取在電壓互感器的一、二次側同時加裝阻尼安裝高容量消諧器等措施，使諧振有效地消除。

[1]張緯鈸.過電壓防護及絕緣配合[M].北京：清華大學出版社，2002.

[2]陳 珩.電力系統穩態分析[M].第2版.北京：中國電力出版社，2000.

[3]DLT620—1997，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].

[4]岳健民.6～35 kV壓變中性點用消諧器的性能分析[C].全國過電壓學術討論會論文集，1997.