10KV～35KV系统电压互感器因铁磁谐振导致烧损的原因分析及应对措施

2010-01-01邹永志

中国新技术新产品 2010年10期

关键词：铁磁中性点过电压

邹永志

（哈尔滨地铁集团有限公司，黑龙江哈尔滨 150000）

1 10kV~35kV系统电压互感器的损坏情况

10kV~35kV系统一般被称为中压系统，在国内电网都采用中性点不接地方式，使用于该接地方式系统中的电压互感器发生绝缘故障的机率相对较高。为此，分析互感器的故障原因并找到相应的解决措施，对提高设备运行的安全性和可靠性是很有意义的。

2 电压互感器故障原因的分析

通过对发生的事故进行系统的分析，我们会发现它们有几点共同的特点：第一，二次回路的保护熔断器都完好，说明故障并不是由于PT二次回路的短路引起的；第二，烧损的电压互感器均出现爆裂，内部有流质流出，说明内部曾出现过热；第三，从故障录波图可以发现，在事故发生前夕，都曾出现过过电压等情况。

在排除了互感器本身存在绝缘缺陷后，基本可以判定出现故障的原因是由于铁磁谐振过电压及铁芯磁饱和过热导致的。

3 铁磁谐振过电压产生的机理及不利影响

由于10k V、35 kV配电系统大多采用中性点不接地方式运行，其线路(尤其是电缆出线)对地存在分布电容，当系统运行正常时，各相电压互感器的感抗相等，中性点电压等于零。但如果当线路因断线、雷击或其他原因而产生单相接地故障时(如A相)，接地相对地电压降到接近于零，而非故障相对地电压上升倍，导致严重的中性点位移，中性点对地电压升高，系统的稳定性和对称性遭到破坏。另一方面由于中性点不接地运行方式的主要特点是单相接地后，允许维持一定的时间(一般为2h)，不致于引起用户断电。但随着中压电网的扩大，中压电网的电容电流也大幅增加，在发生单相接地故障时，其接地点电阻较大且接触不良，因而在接地点出现瞬燃瞬熄的电弧放电，从而造成电压瞬高瞬低，同时引发电能、磁能的振荡。

单相接地时接地电弧不能自动熄灭，必然产生弧光过电压，一般为3～5倍相电压甚至更高，致使电网中绝缘薄弱的地方放电击穿，并会发展为相间短路造成设备损坏和停电事故。所以当线路发生单相接地故障时，就会使电源电压瞬间升高，工作点越过△U-I曲线的最高点达到a2点，但a2点并不是稳定工作点，因为电路中电流一旦偏离a2点而增大时，电源电势E便大于△U，使回路电流I继续增大，这使带铁芯电感更加饱和，L值进一步下降，I随之增加，达到串联谐振点e点，在e点ωL=1/ωC，理论上此时过电压将趋于无穷大，随着电流激增L将继续减少，电路就自动偏离谐振条件而跃变到新的稳定工作点a3为止，此时，虽然工作点已偏离理论上的谐振工作点e，但这时电流已经很大，UL2、Uc2都很高，所以我们说电路仍处于谐振状态。此时由于UL2

通过以上对串联铁磁谐振电路的分析，我们就能够明白，当线路发生单相接地时，两相电压瞬时升高，三相铁芯受到不同的激励而呈现不同程度的饱和，电压互感器的各相感抗发生变化，各相电感值不相同，中性点位移产生零序电压。出于线路电流持续增大，导致电压互感器铁芯逐渐磁饱和，其电感迅速减小，当电感降到满足ωL=l/ωC时，即具备谐振条件，从而产生谐振过电压。在发生谐振时，电压豆感器一次励磁电流急剧增大，使高压熔丝熔断。如来电流尚未达到熔丝的熔断值，但超过了电m互感器额定电流，长时间处于过电流状况下运行，必然造成电压互感器烧损。

4 各种应对措施分析

为解决由于铁磁谐振而导致电压互器绝缘故障，通常采用以下方法之一或几种：系统中性点装设消弧线圈；采用自动调谐原理的接地补偿装置；在母线上接入一定大小的电容器，使容抗(Xc)与感抗(XL)的比值小于 0.01；选择励磁特性好的电压互感器或改用电容式电压互感器；在电压互感器中性点经消谐器和小电阻接地；在电压互感器二次开口三角处接入阻尼电阻或分频消谐装置。

其中第1～3条措施是通过改变系统参数，使其不符合谐振条件，以达到减少谐振概率的目的。实践证明，这些措施是行之有效的。但由于这些措施涉及面比较广，成本也相对较大，在实际操作中，经常采用第5～6条措施来解决这一问题。下面我们对这些措施进行一下分析：

4.1 在电压互感器中性点经消谐器和小电阻接地

中性点串入的电阻等价于每相对地接入电阻，能够起到消耗能量、阻尼和抑制谐波的作用。在线路单相接地时，由于中性点对地带有一定电位，故能相应减少非故障相PT绕组的电压，使PT的饱和程度降低，不至于发生铁磁谐振。但是电阻的接入使PT开口三角绕组输出电压相应降低，会影响接地指示装置的灵敏性。除了要考虑R≥6%Xm外，还要考虑电阻的热容量。当直接采用线性电阻时往往由于电阻元件的容量及绝缘水平选择不当，使引线烧断，电阻烧毁，沿面闪络等。

若采用RXO一10型消谐器，其内部由SiC非线性电阻片与线性电阻(6～7kΩ)串接，在低压时呈高阻值，使谐振在初始阶段不易发展起来。在线路出现较长时间单相接地时，消谐器上将出现千余伏电压，电阻下降至稍大于6～7 kΩ，使其不至于影响接地指示装置的灵敏度，同时非线性电阻片的热容量相当大，可满足放电电流的要求。

4.2 PT开口三角绕组接电阻或分频消谐装置

PT开口三角形绕组接电阻或分频消谐装置，由于电阻接在开口三角绕组两端，必然会导致一次侧电流增大，也就是说PT的容量要相应增大。从抑制谐波方面考虑，R值越小，效果越显著，但PT的过载现象越严重，在谐振或单相接地时间过长时甚至会导致保险丝熔断或PT烧毁(有些工程直接选用220 V、500w的白炽灯作电阻用，其作用是当灯泡在冷态即谐振刚发生时阻值较小，而当单相稳态接地时，阻值变大以免PT过载)。

可控硅分频消谐装置是一种能自动判断单相接地故障和铁磁谐振的二次消谐装置。在电网出现雷电过电压或操作过电压时，该装置内的VSO端电压和触发脉冲反相，VSO不能导通。当发生单相接地故障时，VSO虽有工频电压但无触发脉冲，仍不能导通。仅当电网中发生分频铁磁谐振时，VSO才会导通，三角绕组被短接，铁磁谐振在强烈的阻尼作用下迅速消失，当谐振消失后，VSO恢复到阻断状态。

在实际运行中,上述两种装置仍不能有效避免谐振的发生及保险丝熔断。经分析均是由于铁磁性谐振引起的，但是该方案中均配置了分频消谐装置。在谐振发生或线路单相接地时PT一次侧电流显著增大及因本身元件故障而失去消谐作用是上述两种装置的主要缺陷。

通过多次试验和使用，我们发现用励磁特性好的电压互感器或改用电容式电压互感器、在电压互感器中性点经消谐器和小电阻接地、在电压互感器二次开口三角处接入阻尼电阻或分频消谐装置等三种措施，对于抑制或消除电压互感器的铁磁谐振都存在较大的局限性，效果并不是很理想，因此迫切需要找到一种相对完善的解决方案。

通过多次试验和论证，我们发现在PT中性点串单相PT的方案效果比较好。