一起35kV电压互感器爆裂事故分析

田理想　常龙新　杜景军　张斌　彭鹏　刘秀峰　李杰

摘要：文章通过一起35kV电压互感器异常炸裂事故的案例，分析了电力系统谐振现象及其特点以及谐振对于供电系统的危害，并根据实际案例总结了有效的防范措施。

关键词：击穿铁磁；谐振短路；接地力；系统过电压

中图分类号：TM451 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）23-0142-02

1 案例分析

1.1 故障发生前系统运行状态

故障发生前，35kV变电站为高压侧35kV单母分段运行、低压侧10kV单母分段运行，各为两段。35kV I母接：311 I段进线、4-9 I段PT、301 I段出线；35kV II母接：321 II段进线、5-9I I段PT、302I I段出线，电压及负荷均正常。

1.2 事故经过

2012年12月14日0点14分，监控语音报警此变电站“35kV母线I段接地”，同时监控屏显示35kV母线I段电压值为：

0点25分，35kV I段母线B相变为全接地，母线电压

值为：

与此同时，311 I段进线“开关分闸”、“311开关电流2段”动作、“311站用保护测控装置告警”、“311开关过负荷告警”，同时4-9 I段PT保护测控装置发出“PT断线”信号。事故处理过程中，技术人员发现4-9 I段PTB相电压互感器炸裂，A、C两相电压互感器完好。

1.3 事故分析

本案列中，35kVPT接线为Y0/Y0/△接线，原理如

下图1所示：

图1

该变电站所负责的用电设备主要为10kV级大型卷扬机设备，由于多台卷扬机设备频繁不定时启动，造成负荷不稳定，无功补偿自动投切装置所控制的电容容量也不断来回切换，系统因直接突然投入和断开并联电容而引起谐振。由于系统出现谐振，4-9 I段PT C相电压互感器出现瞬间闪络，导致35kV母线I段C相瞬间出现接地，又使35kV母线I段B相产生事故短路过电压，以至于击穿B相绝缘，导致B相电压互感器炸裂。具体原因如下：

该电压互感器材料质量差，在送电前交接试验时试验项目虽然合格，但在长期运行状况时，其绝缘材料逐渐老化，当有冲击电压发生时，出现绝缘击穿现场。

当电压互感器铁芯达到饱和状态时，极易发生谐振，产生2～3.5倍额定电压的过电压和几十倍额定电流的过电流，从而引起电压互感器的炸裂、烧毁。

电压互感器高压绕组中性点直接接地，当电压互感器饱和引起铁磁谐振时无法消除。

电压互感器低压绕组开口三角形绕组两端直接接地，未并联阻尼电阻或消振器，起不到消除谐振的作用。

2 铁磁谐振

第一，在6～35kV系统中，系统回路中常常会由于类似“变压器、电压互感器、消弧线圈”等电感的磁路饱和激发连续性的高幅值的铁磁谐振过电压情况，此种现象的特点为：

（1）谐振回路中铁心电感是非线性的，电感量的变化紧跟电流量、铁心饱和处于稳定状态。

（2）铁磁谐振需要一定的触发条件，迫使电压值和电流幅值从正常转移到谐振状态。比如电源电压短时升高、供电系统遭受强烈的大电流冲击等。

（3）铁磁谐振本身具有自保持能力。当触发条件消失后，铁磁谐振过电压可继续存在。

（4）铁磁谐振的过电压按常理不会太过于超高，过电压幅值主要决定于铁心电感的饱和程度。

第二，铁磁谐振可以为基波谐振，也可以是高次谐波谐振和分次谐波谐振，它的共同特征为系统电压升高，出现绝缘闪络或避雷器爆炸，或产生高值零序电压，出现假接地和不正确的接地现象，也或者在电压互感器中出现过电流，从而导致熔断器熔断或互感器烧坏，母线电压互感器的开口三角绕组出现较高电压，致使母线绝缘监视信号动作。

第三，中性点直接接地系统铁磁谐振产生的原因。中性点直接接地系统中，电压互感器的绕组与三相电源电势分别相连，各点的电位是固定的，不会出现中性点位移过电压；如果中性点通过消弧线圈接地，消弧线圈的电感值对于电压互感器的励磁电感比较可以忽略不计，即为电压互感器的电感被短接，这样也不会引起过电压。可一旦由于人员操作失误或者正常倒闸操作过程中也会转变为等同于系统局部中性点不接地状态临时运行，此种情况时，铁磁谐振的触发条件一般为合刀闸和断路器分闸，在进行此种操作时，由于系统受到强烈的冲击，致使电感两端出现短暂电压升高、大电流的震荡或铁心电感的涌流现象，这种情况有很大概率会和断路器的均压电容一起形成铁磁谐振。

3 铁磁谐振对供电系统的影响

通过上述解析，我们可以知道，一旦线路发生单相接地或断路器操作等情况时，便会导致电压互感器电压升高，三相铁芯出现饱和，电压互感器的各相感抗发生变化，各相电感值不相同，中性点位漂移出线零序电压。由于电流不断增大，电压互感器铁芯也会磁饱和，一旦满足ωL=1/ωC时，具备谐振条件，就会谐振过电压。

谐振过电压的危害如下：

（1）当发生谐振过电压时，电压互感器一次励磁电流迅速增大，从而导致高压熔丝熔断。若是电流值还没有达到使熔丝熔断的数值，而是超过了电压互感器额定电流值，使电压互感器长时间处于过电流状态，电压互感器最终将会被烧损。

（2）当铁磁谐振出现后，系统从感性变为容性，电流基波相位发生180°变化，如此将使逆序分量胜于正序分量，导致小容量的异步电动机发生反转。

（3）铁磁谐振会引起高零序电压分量和假接地等。

4 针对案列事故应采取的防护措施

（1）选用电压互感器时，选择大品牌，质量有保证的产品，以防类似事故再次发生。

（2）合理改善电容无功补偿投切方式，避免频繁投入和断开。

（3）采用励磁特性好的电压互感器，使电压互感器在发生单相接地故障情况下铁芯不易饱和，避免感抗的减小，因而不能构成谐振的匹配参数，可以减少谐振发生的概率。

（4）在电压互感器一次绕组的中性点上接消弧线圈，可抑制或消除因电压互感器饱和所引起的铁磁谐振。

（5）在二次侧开口三角绕组加阻尼电阻，也就是将电阻角接至电压互感器中性点上，阻值越小，抑制谐振的发生的几率就越大。若电阻角接后阻值为零，也就相当于开口三角绕组短接，即电网中性点直接接地，这样就不会满足发生铁磁谐振的条件。

（6）在二次侧开口三角绕组加装微机消谐装置，正常工作情况下，开口三角端电压小于30V，而微机消谐装置内的大功率消谐元件处于阻断状态，对系统运行不会产生影响。当开口电压大于30V时，微机消谐装置开始采集数据，通过对采集到的数据进行分析、计算，从而得出故障类型。若当前是铁磁谐振，系统将马上启动消谐电路，让铁磁谐振在阻尼作用下快速消失。

5 结语

在供电系统中，成熟稳定的电力设备能大大提高系统供电的可靠性和稳定性，配用合理的消谐装置能很大程度上消弱供电系统内的谐振过电压。通过案列中对谐振事故的分析，利用铁磁谐振原理，根据实际工作经验对谐振过电压总结解决措施和预防方法，以便在实际工作中参考和运用，从而提高供电的安全性和可靠性。

参考文献

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[2] 傅知兰.电力系统设备选择与实用计算[M].北京：中国电力出版社.

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[4] 电压互感器实验导则（JB/T5357-2002）[S].