10KV～35KV系統電壓互感器因鐵磁諧振導致燒損的原因分析及應對措施

鄒永志

（哈爾濱地鐵集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 10kV~35kV系統電壓互感器的損壞情況

10kV~35kV系統一般被稱為中壓系統，在國內電網都采用中性點不接地方式，使用于該接地方式系統中的電壓互感器發生絕緣故障的機率相對較高。為此，分析互感器的故障原因并找到相應的解決措施，對提高設備運行的安全性和可靠性是很有意義的。

2 電壓互感器故障原因的分析

通過對發生的事故進行系統的分析，我們會發現它們有幾點共同的特點：第一，二次回路的保護熔斷器都完好，說明故障并不是由于PT二次回路的短路引起的；第二，燒損的電壓互感器均出現爆裂，內部有流質流出，說明內部曾出現過熱；第三，從故障錄波圖可以發現，在事故發生前夕，都曾出現過過電壓等情況。

在排除了互感器本身存在絕緣缺陷后，基本可以判定出現故障的原因是由于鐵磁諧振過電壓及鐵芯磁飽和過熱導致的。

3 鐵磁諧振過電壓產生的機理及不利影響

由于10k V、35 kV配電系統大多采用中性點不接地方式運行，其線路(尤其是電纜出線)對地存在分布電容，當系統運行正常時，各相電壓互感器的感抗相等，中性點電壓等于零。但如果當線路因斷線、雷擊或其他原因而產生單相接地故障時(如A相)，接地相對地電壓降到接近于零，而非故障相對地電壓上升 倍，導致嚴重的中性點位移，中性點對地電壓升高，系統的穩定性和對稱性遭到破壞。另一方面由于中性點不接地運行方式的主要特點是單相接地后，允許維持一定的時間(一般為2h)，不致于引起用戶斷電。但隨著中壓電網的擴大，中壓電網的電容電流也大幅增加，在發生單相接地故障時，其接地點電阻較大且接觸不良，因而在接地點出現瞬燃瞬熄的電弧放電，從而造成電壓瞬高瞬低，同時引發電能、磁能的振蕩。

單相接地時接地電弧不能自動熄滅，必然產生弧光過電壓，一般為3～5倍相電壓甚至更高，致使電網中絕緣薄弱的地方放電擊穿，并會發展為相間短路造成設備損壞和停電事故。所以當線路發生單相接地故障時，就會使電源電壓瞬間升高，工作點越過△U-I曲線的最高點達到a2點，但a2點并不是穩定工作點，因為電路中電流一旦偏離a2點而增大時，電源電勢E便大于△U，使回路電流I繼續增大，這使帶鐵芯電感更加飽和，L值進一步下降，I隨之增加，達到串聯諧振點e點，在e點ωL=1/ωC，理論上此時過電壓將趨于無窮大，隨著電流激增L將繼續減少，電路就自動偏離諧振條件而躍變到新的穩定工作點a3為止，此時，雖然工作點已偏離理論上的諧振工作點e，但這時電流已經很大，UL2、Uc2都很高，所以我們說電路仍處于諧振狀態。此時由于UL2

通過以上對串聯鐵磁諧振電路的分析，我們就能夠明白，當線路發生單相接地時，兩相電壓瞬時升高，三相鐵芯受到不同的激勵而呈現不同程度的飽和，電壓互感器的各相感抗發生變化，各相電感值不相同，中性點位移產生零序電壓。出于線路電流持續增大，導致電壓互感器鐵芯逐漸磁飽和，其電感迅速減小，當電感降到滿足ωL=l/ωC時，即具備諧振條件，從而產生諧振過電壓。在發生諧振時，電壓豆感器一次勵磁電流急劇增大，使高壓熔絲熔斷。如來電流尚未達到熔絲的熔斷值，但超過了電m互感器額定電流，長時間處于過電流狀況下運行，必然造成電壓互感器燒損。

4 各種應對措施分析

為解決由于鐵磁諧振而導致電壓互器絕緣故障，通常采用以下方法之一或幾種：系統中性點裝設消弧線圈；采用自動調諧原理的接地補償裝置；在母線上接入一定大小的電容器，使容抗(Xc)與感抗(XL)的比值小于 0.01；選擇勵磁特性好的電壓互感器或改用電容式電壓互感器；在電壓互感器中性點經消諧器和小電阻接地；在電壓互感器二次開口三角處接入阻尼電阻或分頻消諧裝置。

其中第1～3條措施是通過改變系統參數，使其不符合諧振條件，以達到減少諧振概率的目的。實踐證明，這些措施是行之有效的。但由于這些措施涉及面比較廣，成本也相對較大，在實際操作中，經常采用第5～6條措施來解決這一問題。下面我們對這些措施進行一下分析：

4.1 在電壓互感器中性點經消諧器和小電阻接地

中性點串入的電阻等價于每相對地接入電阻，能夠起到消耗能量、阻尼和抑制諧波的作用。在線路單相接地時，由于中性點對地帶有一定電位，故能相應減少非故障相PT繞組的電壓，使PT的飽和程度降低，不至于發生鐵磁諧振。但是電阻的接入使PT開口三角繞組輸出電壓相應降低，會影響接地指示裝 置的靈敏性。除了要考慮R≥6%Xm外，還要考慮電阻的熱容量。當直接采用線性電阻時往往由于電阻元件的容量及絕緣水平選擇不當，使引線燒斷，電阻燒毀，沿面閃絡等。

若采用RXO一10型消諧器，其內部由SiC非線性電阻片與線性電阻(6～7kΩ)串接，在低壓時呈高阻值，使諧振在初始階段不易發展起來。在線路出現較長時間單相接地時，消諧器上將出現千余伏電壓，電阻下降至稍大于6～7 kΩ，使其不至于影響接地指示裝置的靈敏度，同時非線性電阻片的熱容量相當大，可滿足放電電流的要求。

4.2 PT開口三角繞組接電阻或分頻消諧裝置

PT開口三角形繞組接電阻或分頻消諧裝置，由于電阻接在開口三角繞組兩端，必然會導致一次側電流增大，也就是說PT的容量要相應增大。從抑制諧波方面考慮，R值越小，效果越顯著，但PT的過載現象越嚴重，在諧振或單相接地時間過長時甚至會導致保險絲熔斷或PT燒毀(有些工程直接選用220 V、500w的白熾燈作電阻用，其作用是當燈泡在冷態即諧振剛發生時阻值較小，而當單相穩態接地時，阻值變大以免PT過載)。

可控硅分頻消諧裝置是一種能自動判斷單相接地故障和鐵磁諧振的二次消諧裝置。在電網出現雷電過電壓或操作過電壓時，該裝置內的VSO端電壓和觸發脈沖反相，VSO不能導通。當發生單相接地故障時，VSO雖有工頻電壓但無觸發脈沖，仍不能導通。僅當電網中發生分頻鐵磁諧振時，VSO才會導通，三角繞組被短接，鐵磁諧振在強烈的阻尼作用下迅速消失，當諧振消失后，VSO恢復到阻斷狀態。

在實際運行中,上述兩種裝置仍不能有效避免諧振的發生及保險絲熔斷。經分析均是由于鐵磁性諧振引起的，但是該方案中均配置了分頻消諧裝置。在諧振發生或線路單相接地時PT一次側電流顯著增大及因本身元件故障而失去消諧作用是上述兩種裝置的主要缺陷。

通過多次試驗和使用，我們發現用勵磁特性好的電壓互感器或改用電容式電壓互感器、在電壓互感器中性點經消諧器和小電阻接地、在電壓互感器二次開口三角處接入阻尼電阻或分頻消諧裝置等三種措施，對于抑制或消除電壓互感器的鐵磁諧振都存在較大的局限性，效果并不是很理想，因此迫切需要找到一種相對完善的解決方案。

通過多次試驗和論證，我們發現在PT中性點串單相PT的方案效果比較好。

5 結論

通過前面的分析，我們可以十分清楚地知道，采用在中性點串單相PT這種裝置，在線路單相接地時能夠使PT各相繞組電壓均能保持在正常相電壓附近而不會飽和，從而很好地抑制鐵磁諧振，降低 PT一次側電流，同時亦保持了接地指示裝置對零序電壓幅值和相位的靈敏感，其優點相當突出。

[1]DL/T 620-1997 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合

[2]10kv電壓互感器單相接地與諧振的區別 四川安岳縣供電局楊體