電壓互感器一次繞組匝間短路處理方法研究

吳久才

（國家電投集團(tuán)協(xié)鑫濱海發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224500）

0 引 言

電壓互感器是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其在電力系統(tǒng)中的作用往往是調(diào)節(jié)電壓的狀態(tài)。現(xiàn)在電力系統(tǒng)負(fù)荷大和電壓不穩(wěn)定的情況經(jīng)常發(fā)生，可以利用電壓互感器來解決，其是維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的核心[1]。

電壓互感器的工作原理是電壓轉(zhuǎn)化，在使用時(shí)會(huì)將電壓進(jìn)行由高到低的轉(zhuǎn)化，將電壓轉(zhuǎn)化為符合整個(gè)系統(tǒng)需求的數(shù)值，以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。但是其自身也會(huì)面臨故障問題，一旦電壓互感器發(fā)生了問題，導(dǎo)致不能有效地轉(zhuǎn)化電壓，傳輸?shù)碾妷撼^了電力系統(tǒng)的承受能力，那么將會(huì)帶來巨大的損失，因此需要注意電壓互感器的故障問題。最常見的電壓互感器故障就是電壓互感器一次繞組匝間短路。

為有效解決電壓互感器的匝間短路問題，研究了解決電壓互感器匝間短路的方法[3]。傳統(tǒng)方法不能有效處理電壓互感器的短路問題，不僅達(dá)不到解決的標(biāo)準(zhǔn)，而且處理的時(shí)間長，因此設(shè)計(jì)了新的處理方法[4]。

1 電壓互感器一次繞組匝間短路處理方法設(shè)計(jì)

1.1 選取電壓互感器短路絕緣介質(zhì)

根據(jù)電壓互感器的性能和型號(hào)，選取SF6氣體絕緣型電壓互感器。SF6氣體屬于無色、無毒且無電抗性的惰性氣體，關(guān)鍵是它不易燃，具有很好的穩(wěn)定性，即使在非常惡劣的工作環(huán)境中也具有良好效果[5]。電壓互感器短路絕緣介質(zhì)SF6的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 絕緣介質(zhì)SF6的結(jié)構(gòu)

SF6作為絕緣介質(zhì)有其自身的優(yōu)勢(shì)，新型絕緣材料的探索、發(fā)展以及應(yīng)用成為一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)。所使用的電壓互感器是通過外殼接地來連用，另外其內(nèi)部空間極為有限，除了滿足參數(shù)要求外，還必須注意設(shè)計(jì)中的電場(chǎng)分布[6]。

1.2 建立電壓互感器一次繞組匝間短路故障模型

為了更好地模擬電壓互感器的匝間短路過程，有必要了解當(dāng)今電網(wǎng)中常用電壓互感器的各個(gè)組件以及對(duì)功率有重大影響的組件數(shù)據(jù)參數(shù)。為了使結(jié)果更準(zhǔn)確，有必要考慮實(shí)驗(yàn)結(jié)果來模擬實(shí)際的工作環(huán)境。電壓互感器本身的數(shù)值模型決定了使用三相飽和互感器在仿真過程中實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的變化。三相飽和互感器是在設(shè)計(jì)仿真軟件時(shí)專門為現(xiàn)代互感器的運(yùn)行條件而設(shè)計(jì)的模塊，該模塊可以完全準(zhǔn)確地模擬互感器的運(yùn)行規(guī)律[7]。

牽引電源系統(tǒng)中使用的互感器是電磁電壓互感器。除了初級(jí)和次級(jí)繞組的額定電壓外，主要技術(shù)參數(shù)還包括額定負(fù)載、容量、極性指示、精度等級(jí)以及等效直流電阻[8]。建立的電壓互感器一次繞組匝間短路故障模型如圖2所示。

圖2 電壓互感器一次繞組匝間短路故障模型

由于額定負(fù)載根據(jù)互感器次級(jí)電路的變化而變化，因此PT次級(jí)電路的結(jié)構(gòu)不同，其參考值也不同?；ジ衅鞯娜萘恳馕吨阖?fù)載功率因數(shù)，在不同精度級(jí)別上選擇的PT額定輸出容量指定為30 VA，極限輸出容量指定為600 VA，極性標(biāo)記是過程中必須存在的，主要是為了確保電壓互感器在測(cè)量和驗(yàn)證接線方法時(shí)的準(zhǔn)確性而做出的參考項(xiàng)，因此需要在繞組端子上標(biāo)記極性點(diǎn)[9]。

1.3 計(jì)算電壓互感器一次繞組匝間短路沖擊電流

通常，電壓互感器由傳感干涉儀和接收干涉儀組成，用單模保偏光纖（起傳光作用）將兩個(gè)干涉儀連在一起。如果在中性點(diǎn)未接地的情況下發(fā)生單個(gè)接地故障，則可能產(chǎn)生磁通飽和故障，發(fā)生非飽和暫態(tài)反應(yīng)[10]。這種殘余現(xiàn)象通常存在于鐵芯內(nèi)部，并且此時(shí)相應(yīng)的勵(lì)磁電流將變得更加嚴(yán)重。當(dāng)殘差等于工作磁通時(shí)，可以得出穩(wěn)定狀態(tài)下磁通量的具體數(shù)值。在基本條件下，互感器一次繞組之間的短路沖擊電流等于諧波電流，公式為：

式中，I代表電流量值，O代表系統(tǒng)電源，Z代表阻抗電壓，JX代表容抗值，R代表電阻，F(xiàn)X代表電抗值。

1.4 在電壓互感器匝間接入消弧線圈

由于電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，邊緣區(qū)域絕緣薄弱，容易發(fā)生接地故障，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此討論抑制互感器損壞的常用措施，包括連接消弧線圈的中性點(diǎn)以及一次側(cè)連接電阻和二次側(cè)連接電阻。在建立動(dòng)態(tài)模型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)方法進(jìn)行分析和比較，指出了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M接線圖的母線按照星形連接方式連接到電路，并且需要根據(jù)電弧抑制原理將可以調(diào)節(jié)校正量的消弧線圈連接到中性點(diǎn)，然后再將其連接到地面。

比較連接到初級(jí)線圈電阻的波形和消弧線圈的波形，電阻連接方式與消弧線圈不同。由于連接電阻器的方法是基于消除鐵磁諧振法，因此如果沒有鐵磁諧振，電阻器將無法工作。但是，由于電阻在某種程度上會(huì)影響電流的大小，且被廣泛使用，如果電阻太大，則主要連接是互感器與地面之間的直接連接，它不影響線路電壓，但是對(duì)電流有很大影響，容易出現(xiàn)過電流問題。因此，將合適的電阻器連接到初級(jí)線圈是系統(tǒng)保護(hù)的要求，在設(shè)備保護(hù)中起著重要的作用。電阻值不應(yīng)太大，為了確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，需要限制連接電阻器以抑制浪涌電流。

1.5 進(jìn)行一次繞組匝間短路二次修正

將電阻器連接到次級(jí)校正輔助繞組并將電阻器連接到次級(jí)側(cè)，也是防止互感器損壞和影響傳輸和轉(zhuǎn)換質(zhì)量的常見措施。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，電流變得比正常操作的電流大幾倍，如果次級(jí)線圈的勵(lì)磁特性不同，則不能很好地抑制涌入電流的產(chǎn)生。

消除引起互感器的初級(jí)繞組匝間短路的外部因素。由于電網(wǎng)的復(fù)雜性，許多地方的安全保護(hù)措施相對(duì)薄弱，并且在大多數(shù)情況下，損壞事件伴隨著單相接地故障。因此，有必要及時(shí)檢查和修理所有具有隱患的電線，以抑制涌入電流發(fā)生的問題，保護(hù)損壞的互感器，避免經(jīng)常發(fā)生損壞。加強(qiáng)繼電保護(hù)，增加保護(hù)條件，提高靈敏度。發(fā)生故障時(shí)快速斷開電路，以避免二次事故和反復(fù)接地對(duì)互感器造成嚴(yán)重?fù)p壞。

當(dāng)產(chǎn)品的耐熱性增強(qiáng)時(shí)，互感器燃燒的主要原因是熱量差值，因此需要提高其自身材料的耐熱性，防止互感器的損壞。此外還需要改善互感器的耐熱性，涌入電流發(fā)熱時(shí)在一定程度上提高保護(hù)性能，使互感器可以更好地保持其正常工作。

改進(jìn)互感器制造中使用的材料是提高電阻的最基本方法。材料的抗干擾能力越強(qiáng)越能適應(yīng)復(fù)雜的外部環(huán)境。勵(lì)磁性能的改善始于鐵芯、線圈匝數(shù)以及新材料的使用。增加鐵芯或增加鐵芯的線圈匝數(shù)可減少穿過鐵芯的磁通量并增加互感器的飽和度，但這也會(huì)增加材料的體積并增加制造成本。某種程度上，耐熱性和耐磁性差的原材料在不改變體積的情況下可以替換，并且需要使用當(dāng)前技術(shù)開發(fā)的性能優(yōu)異的新材料來改善性能。

2 實(shí) 驗(yàn)

為了檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的電壓互感器一次繞組匝間短路處理方法能否有效處理電壓互感器短路問題以及與傳統(tǒng)的處理方法相比是否具有明顯優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)電壓互感器特性選擇合適的電壓互感器型號(hào)。此次試驗(yàn)選取型號(hào)為JDZX 16-1的互感器，同時(shí)為了精確模擬電壓互感器的特性，選用MATLAB仿真軟件下的Simulink模塊來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)隨機(jī)抽取了12條產(chǎn)生一次繞組匝間短路問題的線路，分別檢測(cè)其采用傳統(tǒng)短路處理方法和本文設(shè)計(jì)的電壓互感器一次繞組匝間短路處理方法的處理時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，本文設(shè)計(jì)的電壓互感器一次繞組匝間短路處理方法能有效地處理電壓互感器的短路問題，且經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)證明其處理時(shí)間低于傳統(tǒng)的短路處理方法，具有高效性。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的電壓互感器一次繞組匝間短路處理方法是在傳統(tǒng)的方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)短路故障模型來進(jìn)行后續(xù)的短路故障處理。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的電壓互感器一次繞組匝間短路處理方法能有效地處理短路故障，且具有高效性，為相關(guān)人員提供理論依據(jù)。但由于實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)處理有一定的差距，因此還需要根據(jù)后續(xù)實(shí)際處理的狀態(tài)進(jìn)行不斷優(yōu)化。