电磁式电压互感器一次保险熔断原因分析

2015-03-15

电子世界 2015年18期

1 引言

在中性点不接地系统中，广泛使用电磁式电压互感器，用以计量和保护。运行经验表明，电磁式电压互感器一次保险熔断频繁，有的在更换保险后，又多次出现熔断，严重影响了电网的安全可靠运行。因此，有必要分析电磁式电压互感器一次保险熔断的原因，并提出针对性的防范措施，避免事故的再次发生，确保电网的稳定运行。

2 电磁式电压互感器一次保险熔断统计

为分析电磁式电压互感器一次保险熔断原因，我单位详细统计了2011年3月1日以来电磁式电压互感器一次保险熔断情况。

在所统计的19例电磁式电压互感器保险熔断事件中，有17例是在系统正常运行的情况下熔断，只有2例是系统在天气恶劣，并且有接地的情况下熔断。在这19例保险熔断事件中，有2例是ABC三相都熔断，有6例在更换保险后投运的过程中，再次熔断保险。仅有1例是由于电磁式电压互感器损坏导致保险熔断。

3 原因分析

电磁式电压互感器一次加装保险，是为防止电流过大而将互感器烧毁，起到保护互感器的作用。因此，若保险频繁熔断，在排除保险本身的问题后，就要从过电流产生的原因来进行分析。认为，不管是什么原因造成的铁芯饱和，是产生过电流的直接原因。首先，电磁式电压互感器铁芯饱和引发的铁磁谐振是造成一次保险频繁熔断甚至互感器爆炸烧毁最常见的原因，铁磁谐振需要外界因素的激发，一般在系统有接地、操作或其它原因引起的过电压的情况下发生。其次，电压互感器选用不当，其铁芯饱和点较低，在系统电压略微提高后，即进入饱和区，励磁电流迅速增大，导致一次保险熔断。另外，有的系统已脱离铁磁谐振区域，但在正常运行时，保险仍频繁熔断，针对这种现象，有专家提出了超低频振荡理论。

（1）铁磁谐振原理。电磁式电压互感器是带有铁芯的电感线圈，其伏安特性具有非线性，在外界条件的激励下，当铁芯饱和后，电感值会变小，进而与系统的电容参数组成谐振电路，引起过电压或过电流。为研究铁磁谐振产生的原因，可以用图1中LC串联电路进行分析。

图1 LC串联电路

图1中，L为带铁心的电感线圈；C为电容元件；E为正弦波工频电源电势；UL为电感线圈的电压降；UC为电容的电压降；I为LC串联电路中的电流。若忽略上图中各元件及电路的电阻值，其电感和电容元件的伏安特性如图2所示.图2中，UC为电容元件的伏安特性且为线性；UL为电感元件的伏安特性且为非线性；E为工频电源的伏安特性且为恒定不变；曲线△U=|UL-UC|。

图2 LC串联电路中电感及电容元件的伏安特性

铁磁谐振具有如下的性质：

1）由于电感的伏安特性是逐渐趋于饱和的，因此在铁芯未饱和前，只要满足ωL=1/ωc，即C=1/ω2L，则图2中曲线UC和UL必有交点3，因此铁磁谐振在满足C＞1/ω2L的范围内都可能发生，而不像线性谐振那样需要严格的C值。

2）铁磁谐振的发生，除了需要满足（1）中的基本条件，还需要有外界条件的激发，才能发生。所谓激发，就是使铁芯饱和，因此，无论什么原因使铁芯饱和，都可能产生铁磁谐振过电压。比如电压的升高，合闸时的励磁涌流，以及电网中的分次谐波等等，都会使铁芯饱和。

3）发生铁磁谐振时，由于铁芯电感的饱和效应，其过电压幅值一般不会很高，而电流却可能很大。因此发生铁磁谐振时，一次保险将熔断。

4）铁磁谐振可以自保持。铁磁谐振虽然需要电源电压的提高来激发，当但激发过后，电源电压降到正常值时，铁磁谐振过电压仍可能继续存在。也就是说，铁磁谐振发生后，可以长时间存在。

5）在非线性振荡电路中的电流除了基波外，还有高次谐波，也有分次谐波。因此，既可能出现基波谐振，也可能出现高次谐波谐振，甚至有可能出现分次谐波谐振。到底出现哪种谐振，和电路的固有频率有关，即由电感和电容值决定，而电感值又和铁芯饱和程度有关。因此，发生铁磁谐振时，具有各次谐波谐振的可能（实际上多为1/3、1/2、1和3次）。

在中性点不接地系统中，电磁式电压互感器最常受到的激发有两种。一是电源对只带电压互感器的空母线突然合闸。二是线路上有弧光接地情况。这两种情况下都使铁芯饱和，电感值下降，引发铁磁谐振。实际运行经验表明，在天气比较恶劣时，如大风大雨天气，一次保险熔断甚至互感器烧毁的现象时有发生，基本上都是由于线路上出现似接非接的接地情况，导致出现弧光接地发生，从而引发了铁磁谐振。

（2）电压互感器选用不当，也有可能造成一次保险频繁熔断。因此，在有条件的情况下，尽量选用铁芯饱和磁通密度较高的互感器，使互感器不那么容易饱和。实际运行中，对我单位经常发生互感器保险熔断甚至互感器烧毁的间隔，在更换了铁芯饱和磁通密度较高的互感器后，就不再发生事故了。

（3）从统计表中，我们还能看出，绝大多数的事例是在系统正常运行情况下发生的。我们以220kV东杨变电站35kV2号母线为例进行分析，该间隔ABC三相保险在两天相继熔断。

35kV2号母线电压互感器基本参数如下：

型号：JDZXF16-35

厂家：江苏靖江互感器厂

绝缘介质：油浸式

出厂日期：2008.3

其励磁特性曲线试验数据如下表所示：（单位：A，加压绕组：dadn）

从表中可以看出，该互感器的励磁特性曲线较好，其饱和电压较高，因此保险熔断与互感器本身的性质无法。

再来看系统参数匹配情况。35kV2号母线仅带一条出线，线路不长，因此在设计时，已经避开了铁磁谐振区域，加之发生保险熔断时，天气情况良好，系统正常运行，无操作，无接地情况，因此不太可能发生铁磁谐振，保险的熔断和铁磁谐振也无关。

为此，查阅相关资料，有的专家提出，这种情况是由于超低频振荡引起的。

当系统出现超低频振荡时，超低频信号可以使铁芯迅速饱和，励磁电流大幅度增长，使一次保险熔断。因此，当系统中XC/XL＜0.01时，即可避免铁磁谐振，但有的系统明显在脱离谐振区域（如基本不带负荷，或者所带出线较少），但一次保险仍频繁熔断，在排除互感器本身故障后，就要考虑系统中是否存在超低频振荡。

（4）在上述统计表中，有6例是属于更换保险后，投运时再次熔断的情况。这种情况是由于投运合闸时励磁涌流造成的。互感器在合闸时，铁芯中磁通的瞬变过程与合闸时刻电压的初始相角有关。当在合闸瞬间，电压处于峰值时，铁芯中磁通将从零开始增长，这种情况与稳态运行一样，线圈中电流将稳步增长，不会出现突变。当在合闸瞬间，电压处于零值时，铁芯中磁通将从零瞬间达到最达值，属于突变过程，必然会出现振荡，经验表明，励磁涌流最大可达空载电流的100倍以上，这个电流足以将保险熔断。因此，在投运互感器时，出现保险熔断，是属于正常情况，与合闸时电压的初始值有关。

4 防范措施

主要从抑制铁磁谐振和低频振荡以及互感器选用来考虑。

（1）电压互感器一次绕组中性点经消谐电阻接地消谐。在单相接地故障消失后，消谐电阻限制TV一次绕组中的励磁电流大小，避免TV铁芯过饱和使其电抗下降，形成谐振电路。消谐电阻越大，消谐效果越好，其一般为几千欧到几万欧不等。但是，消谐电阻太大时，也会产生负面影响。电压互感器一次绕组中性点经消谐电阻接地，只要选择合适的消谐电阻，此方法既能消除铁磁谐振过电压，又能抑制分频谐振过电流。因此，此法适用于容量较大且对地电容较大的电网。

（2）4TV法消谐。在电压互感器一次绕组中性点经一台单相电压互感器接地。相当于系统中性点接入一个高阻抗，使电磁式电压互感器等值阻抗增加。当发生单相接地故障时，系统零序电压大部分降落在单相电压互感器上，使电磁式电压互感器不宜饱和，避免了铁磁谐振的发生。但4TV法增加了电压互感器等效电感，使分频谐振产生的过电流存在较长时间，对中性点接单相电压互感器可能造成危害。

（3）电力系统中性点经消弧线圈接地消谐。此方法有效地防止电压互感器铁磁谐振现象的发生。电力系统中性点经消弧线圈接地消谐，无论消弧线圈工作在全补偿，还是过补偿状态，都能消除基频谐振、分频谐振和高频谐振产生的过电压和过电流。

（4）在电压互感器的开口三角绕组并联阻尼电阻消谐。并联阻尼电阻一般为压敏电阻。系统正常运行时，开口三角绕组输出电压为零，电阻呈高阻值；发生谐振时，电压互感器一次绕组有零序电流，在开口三角绕组零序电压，此时电阻呈低阻值且消耗谐振能量。从理论上分析，阻尼电阻越小，消耗谐振能量效果越显著，但开口三角绕组及阻尼电阻将流过较大的电流，使电压互感器和阻尼电阻烧毁；另外，阻尼电阻消谐速度慢，不能短时间消除谐振过电压，电压互感器仍可能被烧毁。开口三角绕组并联阻尼电阻消谐具有局限性，它很难区分基频谐振和单相接地故障，无法抑制分频谐振过电流。因此，此方法适用于容量较小且对地电容不大的电网。

（5）选用励磁特性较好的电磁式电压互感器，提高其饱和电压，可以明显降低铁磁谐振发生的可能。或者选用电容式电压互感器。近年来，有人提出呈容性的电磁式电压互感器的使用，在设计时，在互感器高压侧加装高压电容器，使其呈现容性，在一定频率和电压范围内可以避免铁磁谐振的发生。

（6）关于低频振荡的抑制，有专家提出主要从一次和二次两方面进行。其中，一次系统对策有：①增强网架，减少重负荷输电线；②采用补偿电容，减少送受端的电气距离；③采用直流输电，从根本上避免功率振荡；④在长距离输电线上装设SVC(StaticVar Compensator)装置，以改善系统的动态性能。二次系统的对策主要为：采用附加控制装置，并适当整定其参数以增加抑制低频振荡的阻尼力矩，从而达到抑制振荡的目的，由于这一方法具有易实现、经济效益显著等优点，已成为抑制低频振荡的最主要方法。