500kV变电站融冰系统18kV电压互感器故障原因分析及应对措施

超高压输电公司曲靖局 陈静

0 引言

电压互感器的作用是把高电压按比例关系变换成100V或更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用。同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。由谐波引起的电磁式电压互感器烧毁和爆炸事故是电网中常见是电气设备事故之一，现就一起典型的由于设备选型失败导致18kV电磁式电压互感器爆炸事故进行分析，为类似设备的安全运行和事故分析提供借鉴。

1 概述

该站融冰装置于2011年12月30日建成投运，设计容量为200MW。融冰装置通过#5、#6两台三相三绕组整流变压器接在该变电站220kV母线上,电压220/35/18kV，变压器18kV侧接120Mvar（感性）TCR 或接100MW 整流负荷（方式可以切换），35kV侧接90Mvar 滤波器电容器组，用于补偿18kV侧在SVC 运行或整流运行时产生的无功和谐波，主要考虑滤除5、7、11 次及以上谐波。18kV电磁式电压互感器位于变压器18kV侧，见图1。

图1 系统接线图

故障前运行方式：

1）220kV 1M、2M并联运行，220kV 205开关连接1M供220kV #5换流变运行，220kV 206开关连接2M供220kV #6换流变运行。

2）220kV #5换流变35kV侧305开关供35kV 5M运行，220kV #6换流变35kV侧306开关供35kV 6M运行，35kV #1～#6滤波器组处热备用状态。

3）其他设备均处于正常运行状态。

2 事故经过

2012年10月25日16点20分，该站按启动试验方案完成直流融冰兼SVC装置融冰模式阀体充电及空载升压试验，各设备运行正常。

当日16点28分，在最小电流定值（450A）下手动解锁换流阀。16点37分，设定电流升/降速率为400A/Min、直流电流设定值为2000A，启动升流指令后直流电流上升至2000A。16点43分，设定电流升/降速率为400A/Min、直流电流设定值为3600A，启动升流指令后直流电流开始由2000A向3600A上升。16点45分49秒，直流电流达到3200A时，220kV #5换流变A、B套保护比例差动、工频变化量差动保护相继动作，205、305、805开关跳闸。

现场检查，发现220kV#5换流变18kV侧A相电压互感器故障损坏，见图2。其他两相电压互感器经后续测试绝缘电阻和直流电阻，与出厂试验数据无差异。

图2 故障的电磁式电压互感器

3 原因分析

1）因故障的电压互感器在2012年10月进行了年度预试及检修维护工作，未发现任何问题，所以初步估计无设备质量问题。

2）根据换流变保护屏录波分析，换流变低压侧电压互感器故障前18kV侧电压畸变较大，从波形上看3次谐波电压约为基波的28%，而故障电压互感器一次接线方式为三角形接线见图3，这种谐波分量在电压互感器内部可以形成闭合通路，所以猜测是由于较大的谐波电流在互感器内部引起发热，导致电压互感器损坏。

图3 故障时刻换流变录波屏的18kV侧电压录波

3）搭建PSCAD仿真模型查找故障原因。为了查找电压互感器故障原因，对融冰装置搭建PSCAD仿真模型，仿真分析该站融冰装置零功率试验模式中1500A、3200A、4500A电流下D桥18kV侧线电压在未投入滤波器和依次投入5次滤波器、7次滤波器和11次滤波器时的谐波情况。

通过计算可知，融冰装置在进行零功率试验时D桥18kV侧线电压存在大量谐波，电压谐波总畸变率达到37.5%，含量较大的谐波为5、7、11、13次谐波，3次谐波较小，根据整流理论进行分析也为同样结论，见表1和图4。

图4 不同电流的18kV侧电压谐波含量

投入5、7、11滤波器后，D桥18kV侧线电压谐波电压含量降低，谐波电压畸变率降到13.7%，3次谐波电压含量基本不变。

而现场录波3次谐波电压高的原因可能是3次谐波计算不准。由于融冰装置的录波设备采样周期为0.834ms，约24点/周波，采样率较低，录波时间较短，仅3个周波，对谐波计算有一定的影响，导致3次谐波计算不准。

表1 不同融冰电流下18kV侧电压谐波含量

分析滤波器投入前后电压互感器中的电流，发现电压互感器中电流很小，约0.0005A，见图5，电压互感器电流在其允许工作范围内。可见，由谐波电流引起电压互感器烧毁的可能性不大。

图5 电压互感器电流

通过以上分析，基本排除由于3次谐波过大产生较大的谐波电流在互感器内部引起发热，导致电压互感器损坏的原因，电压互感器谐波电流在其允许工作范围内，而很有可能是由于谐波电压含量高导致电压互感器磁饱和后发热损坏。

4）晶闸管通断造成电路振荡过电压损坏分析。对图6所示故障录波进行分析，在故障之前各电流波形未见异常，录波启动-6.8ms时刻，两换流变C相阀侧电流IVY_L3_SCA和IVD_L3_SCA电流异常降低，随后各波形均出现不同程度的畸变，认为此时电压互感器已出现较大电流，导致波形异常。

图6 故障时刻直流电压、220kV电压、换流变阀侧电流波形

对比2011年12月30日开展融冰装置启动调试试验，当时开展的零功率试验最大电流为1500A，并且在450A零功率时试验组进行了独立的录波，见图7，通过与此次故障录波进行对比，两者波形相相似，因此启动调试试验时18kV侧电压波形可为本次故障分析提供一定的参考。

图7 2011年12月30日零功率试验450A波形

在图7所示波形图中，换流变低压侧电压为U6-18A与U6-18C（B相电压互感器二次侧接地，因此U6-18A与U6-18C的电压为线电压，也即电压互感器承受的电压），在晶闸管触发时刻，出现了一个较大幅度的振荡衰减电压，峰值达52kV，振荡周期为0.085ms，即11.76kHz，持续约12个周期即0.1ms后衰减至小至零。

当零功率电流450A时，振荡过电压即达到52kV，推测当直流电流达到3200A时振荡过电压可能过高，超过65kV且持续一段时间后，造成电压互感器过电压击穿积累发生损坏。在2012年11月29日至30日，该站进行今年第二次直流融冰装置零功率试验时（此次试验换流变18kV侧未接入电磁式电压互感器），为了监视18kV侧电压，在#5换流变18kV侧C相临时接入分压器，测量到18kV侧线电压在每个周波内的换相过程中出现幅值高达52kV的瞬时电压，这也验证了前面的分析。

根据振荡只发生在晶闸管触发时刻，推测振荡原因可能是由于晶闸管触发时刻，由阀组RC电阻和电容、平波电抗、换流变绕组电抗等共同构成了RLC振荡电路，在晶闸管开通时造成电路结构变化，导致电压或电流突变从而发生振荡。

对比图8的带线路测试波形，发现带罗百I线路大电流4500A试验中，不存在这种振荡现象（图中的电压波形畸变为阀组换相时刻的电压变化，属正常现象）。这是由于线路阻抗接入电路中，改变了电路参数，从而未发生振荡。

图8 带罗百I线4500A带电流试验波形

综上所述，该站18kV电磁式电压互感器故障的原因有：

1）18kV侧电压谐波较大，导致电压互感器磁饱和后发热损坏；

2）零功率试验时在晶闸管通断瞬间发生振荡造成18kV侧过电压，在电压互感器内部积累击穿损伤，最后发生绝缘击穿造成损坏。

4 应对措施

1）因18kV电磁式电压互感器没有用到融冰模式下，而是用于SVC模式中，所以在零功率试验时可采取拆除电压互感器进行试验的临时措施。

2）根据仿真结果，无滤波器18kV侧电压谐波畸变率为37.5%，而10（33）kV公用电网谐波畸变率的限值为4%（3%）；即使投入全部滤波器组，谐波总畸变率依然达到13.7%，因此18kV侧电压互感器需要重新选型，要求厂家更换新的电压互感器接入，选用更高电压等级的电压互感器，并具有抗饱和能力和抗谐波电压能力。

3）在每个电压互感器的一次侧串联一个高压熔断器，根据电压互感器参数选择合适容量的熔断器，利用熔断器保护电压互感器。

4）根据GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》中规定，该站站220kV侧电压谐波总畸变率不得超过2%，根据仿真结果总结在零功率试验不同电流下投切滤波器对220kV侧电源谐波的影响见表2和图9。

图9 不同电流的220V侧电压谐波含量

可见在零功率试验时，如果不投入滤波器，当达到额定电流4500A时，其电压谐波总畸变率达到5.23%，会造成220kV侧电压谐波超标，因此需要投入滤波器防止谐波进入融冰装置接入点220kV母线，对220kV公用电网上的设备产生危害，但谐波源18kV侧的设备不能通过投切滤波器来保证设备安全。

如果系统电压过高，可以考虑通过融冰装置滤波器组和变电站无功补偿装置相互配合投切的方式来实现谐波抑制和调压。

表2 不同融冰电流下220kV侧电压谐波含量

5 结束语

这是一起典型的由于设备选型不合适导致的设备事故，通过对此次事故的处理、分析及应对措施，将为其他站同类设备的选型提供参考，并为同类设备的事故处理提供借鉴。

[1]刘学军.继电保护原理(第三版)[M].北京:中国电力出版社,2012.

[2]袁秀修.电流互感器和电压互感器[J].北京:中国电力出版社,2011.

[3]尧广. 35kV电磁式电压互感器连续爆炸事故探讨[J].高压电器,2012,10(10).

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