電磁式電壓互感器一次保險(xiǎn)熔斷原因分析

1 引言

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，廣泛使用電磁式電壓互感器，用以計(jì)量和保護(hù)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電磁式電壓互感器一次保險(xiǎn)熔斷頻繁，有的在更換保險(xiǎn)后，又多次出現(xiàn)熔斷，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。因此，有必要分析電磁式電壓互感器一次保險(xiǎn)熔斷的原因，并提出針對(duì)性的防范措施，避免事故的再次發(fā)生，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 電磁式電壓互感器一次保險(xiǎn)熔斷統(tǒng)計(jì)

為分析電磁式電壓互感器一次保險(xiǎn)熔斷原因，我單位詳細(xì)統(tǒng)計(jì)了2011年3月1日以來(lái)電磁式電壓互感器一次保險(xiǎn)熔斷情況。

在所統(tǒng)計(jì)的19例電磁式電壓互感器保險(xiǎn)熔斷事件中，有17例是在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下熔斷，只有2例是系統(tǒng)在天氣惡劣，并且有接地的情況下熔斷。在這19例保險(xiǎn)熔斷事件中，有2例是ABC三相都熔斷，有6例在更換保險(xiǎn)后投運(yùn)的過(guò)程中，再次熔斷保險(xiǎn)。僅有1例是由于電磁式電壓互感器損壞導(dǎo)致保險(xiǎn)熔斷。

3 原因分析

電磁式電壓互感器一次加裝保險(xiǎn)，是為防止電流過(guò)大而將互感器燒毀，起到保護(hù)互感器的作用。因此，若保險(xiǎn)頻繁熔斷，在排除保險(xiǎn)本身的問(wèn)題后，就要從過(guò)電流產(chǎn)生的原因來(lái)進(jìn)行分析。認(rèn)為，不管是什么原因造成的鐵芯飽和，是產(chǎn)生過(guò)電流的直接原因。首先，電磁式電壓互感器鐵芯飽和引發(fā)的鐵磁諧振是造成一次保險(xiǎn)頻繁熔斷甚至互感器爆炸燒毀最常見(jiàn)的原因，鐵磁諧振需要外界因素的激發(fā)，一般在系統(tǒng)有接地、操作或其它原因引起的過(guò)電壓的情況下發(fā)生。其次，電壓互感器選用不當(dāng)，其鐵芯飽和點(diǎn)較低，在系統(tǒng)電壓略微提高后，即進(jìn)入飽和區(qū)，勵(lì)磁電流迅速增大，導(dǎo)致一次保險(xiǎn)熔斷。另外，有的系統(tǒng)已脫離鐵磁諧振區(qū)域，但在正常運(yùn)行時(shí)，保險(xiǎn)仍頻繁熔斷，針對(duì)這種現(xiàn)象，有專家提出了超低頻振蕩理論。

（1）鐵磁諧振原理。電磁式電壓互感器是帶有鐵芯的電感線圈，其伏安特性具有非線性，在外界條件的激勵(lì)下，當(dāng)鐵芯飽和后，電感值會(huì)變小，進(jìn)而與系統(tǒng)的電容參數(shù)組成諧振電路，引起過(guò)電壓或過(guò)電流。為研究鐵磁諧振產(chǎn)生的原因，可以用圖1中LC串聯(lián)電路進(jìn)行分析。

圖1 LC串聯(lián)電路

圖1中，L為帶鐵心的電感線圈；C為電容元件；E為正弦波工頻電源電勢(shì)；UL為電感線圈的電壓降；UC為電容的電壓降；I為L(zhǎng)C串聯(lián)電路中的電流。若忽略上圖中各元件及電路的電阻值，其電感和電容元件的伏安特性如圖2所示.圖2中，UC為電容元件的伏安特性且為線性；UL為電感元件的伏安特性且為非線性；E為工頻電源的伏安特性且為恒定不變；曲線△U=|UL-UC|。

圖2 LC串聯(lián)電路中電感及電容元件的伏安特性

鐵磁諧振具有如下的性質(zhì)：

1）由于電感的伏安特性是逐漸趨于飽和的，因此在鐵芯未飽和前，只要滿足ωL=1/ωc，即C=1/ω2L，則圖2中曲線UC和UL必有交點(diǎn)3，因此鐵磁諧振在滿足C＞1/ω2L的范圍內(nèi)都可能發(fā)生，而不像線性諧振那樣需要嚴(yán)格的C值。

2）鐵磁諧振的發(fā)生，除了需要滿足（1）中的基本條件，還需要有外界條件的激發(fā)，才能發(fā)生。所謂激發(fā)，就是使鐵芯飽和，因此，無(wú)論什么原因使鐵芯飽和，都可能產(chǎn)生鐵磁諧振過(guò)電壓。比如電壓的升高，合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流，以及電網(wǎng)中的分次諧波等等，都會(huì)使鐵芯飽和。

3）發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，由于鐵芯電感的飽和效應(yīng)，其過(guò)電壓幅值一般不會(huì)很高，而電流卻可能很大。因此發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，一次保險(xiǎn)將熔斷。

4）鐵磁諧振可以自保持。鐵磁諧振雖然需要電源電壓的提高來(lái)激發(fā)，當(dāng)?shù)ぐl(fā)過(guò)后，電源電壓降到正常值時(shí)，鐵磁諧振過(guò)電壓仍可能繼續(xù)存在。也就是說(shuō)，鐵磁諧振發(fā)生后，可以長(zhǎng)時(shí)間存在。

5）在非線性振蕩電路中的電流除了基波外，還有高次諧波，也有分次諧波。因此，既可能出現(xiàn)基波諧振，也可能出現(xiàn)高次諧波諧振，甚至有可能出現(xiàn)分次諧波諧振。到底出現(xiàn)哪種諧振，和電路的固有頻率有關(guān)，即由電感和電容值決定，而電感值又和鐵芯飽和程度有關(guān)。因此，發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，具有各次諧波諧振的可能（實(shí)際上多為1/3、1/2、1和3次）。

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，電磁式電壓互感器最常受到的激發(fā)有兩種。一是電源對(duì)只帶電壓互感器的空母線突然合閘。二是線路上有弧光接地情況。這兩種情況下都使鐵芯飽和，電感值下降，引發(fā)鐵磁諧振。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在天氣比較惡劣時(shí)，如大風(fēng)大雨天氣，一次保險(xiǎn)熔斷甚至互感器燒毀的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，基本上都是由于線路上出現(xiàn)似接非接的接地情況，導(dǎo)致出現(xiàn)弧光接地發(fā)生，從而引發(fā)了鐵磁諧振。

（2）電壓互感器選用不當(dāng)，也有可能造成一次保險(xiǎn)頻繁熔斷。因此，在有條件的情況下，盡量選用鐵芯飽和磁通密度較高的互感器，使互感器不那么容易飽和。實(shí)際運(yùn)行中，對(duì)我單位經(jīng)常發(fā)生互感器保險(xiǎn)熔斷甚至互感器燒毀的間隔，在更換了鐵芯飽和磁通密度較高的互感器后，就不再發(fā)生事故了。

（3）從統(tǒng)計(jì)表中，我們還能看出，絕大多數(shù)的事例是在系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下發(fā)生的。我們以220kV東楊變電站35kV2號(hào)母線為例進(jìn)行分析，該間隔ABC三相保險(xiǎn)在兩天相繼熔斷。

35kV2號(hào)母線電壓互感器基本參數(shù)如下：

型號(hào)：JDZXF16-35

廠家：江蘇靖江互感器廠

絕緣介質(zhì)：油浸式

出廠日期：2008.3

其勵(lì)磁特性曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示：（單位：A，加壓繞組：dadn）

從表中可以看出，該互感器的勵(lì)磁特性曲線較好，其飽和電壓較高，因此保險(xiǎn)熔斷與互感器本身的性質(zhì)無(wú)法。

再來(lái)看系統(tǒng)參數(shù)匹配情況。35kV2號(hào)母線僅帶一條出線，線路不長(zhǎng)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)避開(kāi)了鐵磁諧振區(qū)域，加之發(fā)生保險(xiǎn)熔斷時(shí)，天氣情況良好，系統(tǒng)正常運(yùn)行，無(wú)操作，無(wú)接地情況，因此不太可能發(fā)生鐵磁諧振，保險(xiǎn)的熔斷和鐵磁諧振也無(wú)關(guān)。

為此，查閱相關(guān)資料，有的專家提出，這種情況是由于超低頻振蕩引起的。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)超低頻振蕩時(shí)，超低頻信號(hào)可以使鐵芯迅速飽和，勵(lì)磁電流大幅度增長(zhǎng)，使一次保險(xiǎn)熔斷。因此，當(dāng)系統(tǒng)中XC/XL＜0.01時(shí)，即可避免鐵磁諧振，但有的系統(tǒng)明顯在脫離諧振區(qū)域（如基本不帶負(fù)荷，或者所帶出線較少），但一次保險(xiǎn)仍頻繁熔斷，在排除互感器本身故障后，就要考慮系統(tǒng)中是否存在超低頻振蕩。

（4）在上述統(tǒng)計(jì)表中，有6例是屬于更換保險(xiǎn)后，投運(yùn)時(shí)再次熔斷的情況。這種情況是由于投運(yùn)合閘時(shí)勵(lì)磁涌流造成的。互感器在合閘時(shí)，鐵芯中磁通的瞬變過(guò)程與合閘時(shí)刻電壓的初始相角有關(guān)。當(dāng)在合閘瞬間，電壓處于峰值時(shí)，鐵芯中磁通將從零開(kāi)始增長(zhǎng)，這種情況與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行一樣，線圈中電流將穩(wěn)步增長(zhǎng)，不會(huì)出現(xiàn)突變。當(dāng)在合閘瞬間，電壓處于零值時(shí)，鐵芯中磁通將從零瞬間達(dá)到最達(dá)值，屬于突變過(guò)程，必然會(huì)出現(xiàn)振蕩，經(jīng)驗(yàn)表明，勵(lì)磁涌流最大可達(dá)空載電流的100倍以上，這個(gè)電流足以將保險(xiǎn)熔斷。因此，在投運(yùn)互感器時(shí)，出現(xiàn)保險(xiǎn)熔斷，是屬于正常情況，與合閘時(shí)電壓的初始值有關(guān)。

4 防范措施

主要從抑制鐵磁諧振和低頻振蕩以及互感器選用來(lái)考慮。

（1）電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)消諧電阻接地消諧。在單相接地故障消失后，消諧電阻限制TV一次繞組中的勵(lì)磁電流大小，避免TV鐵芯過(guò)飽和使其電抗下降，形成諧振電路。消諧電阻越大，消諧效果越好，其一般為幾千歐到幾萬(wàn)歐不等。但是，消諧電阻太大時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)消諧電阻接地，只要選擇合適的消諧電阻，此方法既能消除鐵磁諧振過(guò)電壓，又能抑制分頻諧振過(guò)電流。因此，此法適用于容量較大且對(duì)地電容較大的電網(wǎng)。

（2）4TV法消諧。在電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)一臺(tái)單相電壓互感器接地。相當(dāng)于系統(tǒng)中性點(diǎn)接入一個(gè)高阻抗，使電磁式電壓互感器等值阻抗增加。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)零序電壓大部分降落在單相電壓互感器上，使電磁式電壓互感器不宜飽和，避免了鐵磁諧振的發(fā)生。但4TV法增加了電壓互感器等效電感，使分頻諧振產(chǎn)生的過(guò)電流存在較長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)中性點(diǎn)接單相電壓互感器可能造成危害。

（3）電力系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地消諧。此方法有效地防止電壓互感器鐵磁諧振現(xiàn)象的發(fā)生。電力系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地消諧，無(wú)論消弧線圈工作在全補(bǔ)償，還是過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，都能消除基頻諧振、分頻諧振和高頻諧振產(chǎn)生的過(guò)電壓和過(guò)電流。

（4）在電壓互感器的開(kāi)口三角繞組并聯(lián)阻尼電阻消諧。并聯(lián)阻尼電阻一般為壓敏電阻。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，開(kāi)口三角繞組輸出電壓為零，電阻呈高阻值；發(fā)生諧振時(shí)，電壓互感器一次繞組有零序電流，在開(kāi)口三角繞組零序電壓，此時(shí)電阻呈低阻值且消耗諧振能量。從理論上分析，阻尼電阻越小，消耗諧振能量效果越顯著，但開(kāi)口三角繞組及阻尼電阻將流過(guò)較大的電流，使電壓互感器和阻尼電阻燒毀；另外，阻尼電阻消諧速度慢，不能短時(shí)間消除諧振過(guò)電壓，電壓互感器仍可能被燒毀。開(kāi)口三角繞組并聯(lián)阻尼電阻消諧具有局限性，它很難區(qū)分基頻諧振和單相接地故障，無(wú)法抑制分頻諧振過(guò)電流。因此，此方法適用于容量較小且對(duì)地電容不大的電網(wǎng)。

（5）選用勵(lì)磁特性較好的電磁式電壓互感器，提高其飽和電壓，可以明顯降低鐵磁諧振發(fā)生的可能。或者選用電容式電壓互感器。近年來(lái)，有人提出呈容性的電磁式電壓互感器的使用，在設(shè)計(jì)時(shí)，在互感器高壓側(cè)加裝高壓電容器，使其呈現(xiàn)容性，在一定頻率和電壓范圍內(nèi)可以避免鐵磁諧振的發(fā)生。

（6）關(guān)于低頻振蕩的抑制，有專家提出主要從一次和二次兩方面進(jìn)行。其中，一次系統(tǒng)對(duì)策有：①增強(qiáng)網(wǎng)架，減少重負(fù)荷輸電線；②采用補(bǔ)償電容，減少送受端的電氣距離；③采用直流輸電，從根本上避免功率振蕩；④在長(zhǎng)距離輸電線上裝設(shè)SVC(StaticVar Compensator)裝置，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。二次系統(tǒng)的對(duì)策主要為：采用附加控制裝置，并適當(dāng)整定其參數(shù)以增加抑制低頻振蕩的阻尼力矩，從而達(dá)到抑制振蕩的目的，由于這一方法具有易實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，已成為抑制低頻振蕩的最主要方法。

5 總結(jié)

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，電磁式電壓互感器一次保險(xiǎn)頻繁熔斷的原因比較復(fù)雜，具體情況要具體分析。在實(shí)際運(yùn)行中，對(duì)于經(jīng)常發(fā)生熔斷的間隔，在更換較大飽和磁通密度的互感器后，能有效防止事故的發(fā)生。另外，在系統(tǒng)中性點(diǎn)裝消弧線圈可以從根本上限制鐵芯過(guò)飽和及鐵磁諧振的發(fā)生。