一起500 kV電容式電壓互感器二次回路短路故障計算與仿真分析

摘 要：針對一起500 kV電容式電壓互感器二次回路短路故障，介紹了電容式電壓互感器的典型結(jié)構(gòu)和工作原理，通過短路計算與仿真建模的對比，定量分析了電容式電壓互感器的短路故障特征和危害，并對設備試驗和驗收提出了建議，對現(xiàn)場同類事故分析處理有重要的指導意義。

關鍵詞：電容式電壓互感器；短路故障；仿真分析

中圖分類號：TM451+.2" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）04-0012-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.04.003

0" " 引言

在電力系統(tǒng)中，電壓互感器能將高電壓變換成低電壓，供給繼電保護等儀表裝置，實現(xiàn)保護、測量、計量等作用，其工作原理與變壓器相同，特點是容量很小且比較恒定，正常運行時接近于空載狀態(tài)[1]。電壓互感器本身的阻抗很小，當電壓互感器二次側(cè)發(fā)生短路時，二次回路電流將急劇增大，引起電壓互感器發(fā)熱[2]，甚至燒損線圈，給電力生產(chǎn)帶來極大的安全隱患[3]。本文針對一起電容式電壓互感器二次回路短路的異常事件，通過短路計算與仿真分析，闡明電壓互感器二次回路嚴禁短路的原因及其防范措施。

1" " 故障概述

某變電站500 kV甲乙線間隔投產(chǎn)啟動，當對側(cè)變電站對甲乙線充電后，本側(cè)變電站后臺顯示甲乙線A相電壓異常，A相電壓互感器（CVT）電磁單元紅外測溫發(fā)熱嚴重。拉停甲乙線后開展電磁單元油色譜試驗，發(fā)現(xiàn)A相電磁單元油中總烴、乙炔、氫氣均超標，三比值分析為低溫過熱和電弧放電故障。后經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，電壓互感器A相接線盒內(nèi)二次接線錯誤，導致壓變第四繞組（da）被短接，短接路徑為壓變接線盒、壓變端子箱、小室端子轉(zhuǎn)接屏，如圖1所示。

2" " CVT結(jié)構(gòu)及工作原理

500 kV甲乙線壓變采用電容式電壓互感器（CVT），設備結(jié)構(gòu)主要可分為電容分壓器與電磁單元兩大部分[4]，兩者疊裝為一體，并以電磁單元為底座。電容分壓器連接高壓電網(wǎng)側(cè)，電磁單元連接二次回路等負載，二次側(cè)為多繞組輸出，工作原理如圖2所示。

2.1" " 電容分壓器

電容分壓器由多個電容單元串聯(lián)組成，依據(jù)一定的比例在電容分壓器內(nèi)部設立抽頭，將其分為高壓電容區(qū)C1與低壓電容區(qū)C2（C2電容值遠大于C1）[5]。并通過高壓電容區(qū)承受來自一次系統(tǒng)的高壓，而在低壓電容區(qū)獲得較低電壓。當?shù)蛪弘娙輩^(qū)C2不接元件負載時，二次回路測量阻抗Z′為無窮大，可將CVT等效原理圖簡化為圖3。

電容分壓器一次電壓U1通過分壓電容C1、C2得到二次電壓U2（電磁單元一次電壓），分壓比為K1，按照電容串聯(lián)電容器分壓定律可得：

2.2" " 電磁單元

實際測量過程中，低壓電容的二次回路測量阻抗Z′不可能為無窮大，當Z′與C2并聯(lián)后，會改變C2的實際分壓，從而間接改變變比，導致二次測量不準確。為減小低壓電容的二次測量阻抗對測量精度的影響，在C2輸出端增加電磁單元。電磁單元主要由中間變壓器和補償電抗器組成，中間變壓器實際上是一臺電磁式電壓互感器，其將電磁單元一次電壓U2進一步轉(zhuǎn)換得到二次繞組標準輸出電壓U2n。根據(jù)降壓變壓器的阻抗變換特性，中間變壓器能將二次側(cè)輸入阻抗放大n2倍（1＜n=N1/N2，N1、N2分別為中間變壓器原、副邊匝數(shù)），從而達到減小二次側(cè)輸入阻抗對C2分壓比的影響[6]。圖4為增加中間變壓器的CVT電氣示意圖。

補償電抗器主要用于消除C1、C2自身阻抗（內(nèi)阻），將圖2中低壓電容C2的兩端進行戴維南等效，將電容分壓器簡化成圖5所示的含源一端口網(wǎng)絡。把C2分壓U2看作電源，C1、C2等效阻抗Ze就相當于內(nèi)阻，二次繞組輸出電壓U2n=U2-I1Ze=（I1為電磁單元一次側(cè)電流，Z為二次側(cè)輸入阻抗），當Z為變值，將導致測量結(jié)果不準確且難以校準。在回路中串入補償電抗器L使內(nèi)阻抗變?yōu)閆i=jwL+，將工頻下補償電抗器的感抗等于分壓電容的容抗（Zi=ZL+Ze≈0），即可使CVT內(nèi)部工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，可減小Ze對二次測量值的影響，確保CVT二次側(cè)電壓的準確度[7]。

3" " 短路計算

根據(jù)現(xiàn)場CVT壓變銘牌標識，查閱廠家相關資料，各主要參數(shù)如表1所示。

額定工況下，電網(wǎng)側(cè)線電壓為500 kV，即單相電壓U1為289 kV。根據(jù)式（2），計算得到U2約為9.8 kV。電壓互感器二次側(cè)da繞組為開口三角接法，額定電壓U2n為100 V，根據(jù)式（3）計算出中間變壓器變比K2為98。

現(xiàn)場測量壓變A相da繞組二次側(cè)回路阻抗Z=

0.9 Ω。理想情況下，不考慮電磁單元一次回路電抗和漏抗分壓，不考慮二次繞組短路電抗和短路電阻分壓，da繞組二次電壓U2n為100 V，因此da繞組二次電流I2=100/0.9≈111 A，折算到電磁單元一次側(cè)電流I1=111/98≈1.1 A。

實際上，壓變二次繞組側(cè)短路時，二次側(cè)將產(chǎn)生很大的電流，一次側(cè)相應產(chǎn)生較大電流，考慮補償電抗器、一次回路漏抗及二次繞組漏抗分壓，一次繞組及二次繞組側(cè)兩端電壓均會降低，因此，二次繞組電流、一次繞組電流也會小于上述電流計算值。

假設電力系統(tǒng)為無限大系統(tǒng)，電磁單元一次電壓U2基本不變，即9.8 kV，根據(jù)表1各參數(shù)，計算壓變A相da繞組短路情況下CVT壓變一、二次側(cè)的短路電流。根據(jù)式（4）（5）（6），計算得到電磁單元一次側(cè)電流（有效值）I1=0.44 A，da繞組二次側(cè)電流（有效值）I2=43 A。

4" " 仿真分析

為進一步驗證CVT壓變二次繞組短路工況下的電壓、電流情況，利用電力系統(tǒng)仿真計算軟件建立仿真計算模型進行分析，搭建仿真模型如圖6所示。

在正常工況和da繞組短路工況下分別測量da繞組二次側(cè)電壓、二次側(cè)電流以及電磁單元一次側(cè)電流，結(jié)果如表2所示。

其中，da繞組短路情況下，電磁單元一次側(cè)電流（有效值）為I1=0.567/1.414≈0.4 A，da繞組二次側(cè)電流（有效值）為I2=55.814/1.414≈39.47 A。對比短路計算值可以看出，仿真結(jié)果與短路計算一致。短路工況下的da繞組電壓、電流波形如圖7、圖8所示。

由于da繞組短路工況下的二次側(cè)電流較大，電磁單元繞組發(fā)熱主要來自二次繞組。根據(jù)表1參數(shù)，da繞組阻抗Rda繞組約為0.32 Ω，計算電磁單元內(nèi)da二次繞組發(fā)熱功率為：P=I22Rda繞組=498 W。

5" " 總結(jié)及建議

綜上計算和仿真分析可得，電壓互感器二次回路短路時，將產(chǎn)生很大的二次短路電流，短路熱量迅速聚集，會使壓變電磁單元發(fā)生低溫過熱，甚至電弧放電故障，燒損電壓互感器。為了保護設備及人身安全，一般在電壓互感器二次側(cè)出口處安裝熔斷器或空氣開關，用于過載和短路保護，同時其二次回路必須有一點可靠接地[8]。

對于新投產(chǎn)的電壓互感器，要求嚴把驗收質(zhì)量，通過一、二次通壓試驗驗證二次回路接線的正確性，避免二次電壓回路發(fā)生短路。此外，電壓互感器新投產(chǎn)啟動時，應檢查設備有無異常溫升、放電、異響等現(xiàn)象，及早響應處置，提高設備運行的安全穩(wěn)定性。

[參考文獻]

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[7] 陳濤濤，薛風華，王洪寅.220 kV電容式電壓互感器故障分析與仿真研究[J].電工技術(shù)，2021（1）：63-65.

[8] 黃繁朝，房博一，陳極升.一起500 kV線路CVT二次電壓異常的故障分析[J].電工技術(shù)，2020（12）：81-83.

收稿日期：2024-10-16

作者簡介：張曉東（1987—），男，河南商丘人，碩士研究生，工程師，主要從事超高壓交流變電檢修等研究工作。