10 kV不接地电网的过电压消除方法

宋 强，杨 玮，刘大刚

(1.国网河南省电力公司焦作供电公司，河南 焦作 454000；2.国网河南省电力公司管理培训中心，河南 郑州 450007)

10 kV不接地电网作为城镇中压配电网的主干，起着承上启下的桥梁作用。电压互感器采集的电压供继电保护和计量、测量、遥信使用，正确的二次电压对准确计量起着关键作用。当电网有操作或接地故障时，电压互感器一次线圈中出现涌流，涌流可能使铁芯深度饱和；其电感值随铁芯的饱和而减小，而电压互感器一次电流持续增大，持续的电流会导致电压互感器一次保险烧坏，甚至会损坏电压互感器。当电感降至ωL=1/ωC时，电压互感器发生铁磁谐振，导致电网3相对地电压不稳定：2相电压升高，1相电压降低。这和系统单相非金属性接地故障的现象完全一致，使运行人员难以区分是故障还是过电压，从而导致弱绝缘设备损坏，造成事故，严重影响设备的安全运行。

1 不接地电网的过电压事故

(1) 2010-02-11，某变电站 10 kV 电压互感器曾在系统接地时C相击穿炸裂，当时该站未装设消弧线圈等有效制止谐振过电压的设备。烧毁产品为天津互感器厂生产，事故后更换为河南信阳电器有限公司生产的JDZX9-10型产品，但电压互感器中性点没有安装消谐器，至今运行良好。

(2) 2011-08-02，某变电站 10 kV Ⅰ段干式电压互感器在系统接地时B相爆炸，当时该站未装设消弧线圈等有效制止谐振过电压的设备。烧毁产品为天津互感器厂生产，事故后更换为苏州三友互感器厂生产的JDZX11-10C型产品，并在PT中性点安装了防止铁磁谐振的消谐器，至今运行良好。

(3) 2012-02-17，某变电站 10 kV Ⅱ段电压互感器3相烧毁。该电压互感器为上海华一集团振州高压互感器厂生产的REL-10型产品，投运仅50天即发生事故。当时消弧线圈控制部分不能正常工作，但该电压互感器中性点安装了消谐装置，事故前有接地现象。根据故障录波图分析，系统先发生单相接地，在接地现象消失电压互感器磁通突变饱和而出现过电压，烧毁单相电压互感器后发展为相间短路。

(4) 2013-04-19，某变电站 10 kV Ⅱ段电压互感器故障。该电压互感器为浙江泰成互感器有限公司生产的REL-10型产品，绝缘水平为12/42/75 kV。当时10 kV电网存在接地现象；从现场烧损的情况来看，应为接触不良造成电压互感器发热，绝缘烧毁。该电压互感器于2010年3月投运，投运仅1个月。

分析以上几起10 kV电压互感器烧损情况，存在以下共性：

(1) 都是中置柜中干式电压互感器；

(2) 所在母线系统都没有安装消弧线圈或非正常运行；

(3) 都是非全绝缘电压互感器；

(4) 在烧损前都有接地现象发生；

(5) 所有烧损的电压互感器都是交接试验合格且投运时间不长就发生事故，最长的运行近1年半，最短的仅1个月。不同之处是前期发生故障的电压互感器中性点没有安装中性点消谐器，近期发生故障的电压互感器中性点已经安装了中性点消谐器，但消谐器的消谐功能不佳。

2 不接地电网的过电压理论分析

电压互感器的工作原理和变压器相同，但容量小，类似一台小容量变压器，且结构上要求有较高的安全系数；其二次侧所接测量、计量仪表和继电保护回路的电压线圈阻抗很大，近于空载状态下运行。电力网中的故障以单相接地为主，特别是对于某些35 kV及以下电压的电力网，当其单相接地电流不大时，接地电弧均能自行熄灭，接地故障随之消失。但是，在10 kV电网中接地电流大于30 A时，将产生稳定电弧，此电弧电流大小与接地电流成正比，从而形成持续的电弧接地电流。当接地电流小于30 A大于5 A时，将产生一种周期性熄灭与复燃的间歇性电弧；这是由电网中的电感和电容形成的振荡回路所致。间歇性电弧的产生将导致电网电压不对应地升高，引起过电压；其幅值可达2.5-3.0倍的相电压，足以危及电气设备的绝缘。

中性点不接地电网的内部过电压主要包括以下3种。

(1) 电弧接地过电压。此种过电压分为瞬间、间歇和稳定3种。稳定电弧接地过电压是接地电弧在短间隙中稳定燃烧所引起的，和前两者不同的是它的作用时间较长，可达数十分钟甚至更长。根据实际测量结果，其幅值为3倍左右，最大值不超过3.5倍。

(2) 电压互感器铁芯饱和谐振过电压。此种过电压的产生源于高次谐波、工频和低次谐波等3种原因。第1种在投入空母线时产生，幅值较高，可使母线和主变压器的绝缘发生闪络，以及电压互感器烧毁等。后2种多在运行中出现，幅值一般为2.0-3.0倍，作用时间可达几分钟或数十分钟；待高压保险熔断或电压互感器烧毁后，电网电压即恢复正常。

(3) 单相接地时或切断空载线路接地消失时的过电压。一方面由于10 kV母线发生单相接地瞬间，母线电压急剧变化，使电压互感器本身磁通变化比较快，造成电压互感器铁芯过饱和，励磁电流急剧增加，从而引起工频位移过电压和铁磁谐振过电压，造成高压保险熔断，甚至电压互感器烧毁。另一方面当单相接地消失的瞬间，非接地相向接地相电压互感器高压线圈放电，导致电压互感器铁芯饱和，而引起工频位移过电压和铁磁谐振过电压，造成高压保险熔断，甚至电压互感器烧毁。当电网发生单相接地故障时，此时若切断空载线路，便可产生5.0倍的过电压，同样会造成电压互感器烧毁。

3 消除过电压的方法

3.1 10 kV系统中性点经消弧线圈接地

在中性点经消弧线圈接地运行的电网中，上述的内部过电压均可得到有力抑制，乃至完全消除。

(1) 电弧接地过电压一般可限制到2.5-2.8倍，瞬间电弧接地过电压可降到2.3倍，稳定电弧接地过电压则很难产生。

(2) 电压互感器铁芯饱和谐振过电压，只要电网中性点经消弧线圈接地运行，便可被根除。

(3) 断线谐振过电压，只要消弧线圈过补偿运行，就可以将其限制到对绝缘无害的程度。而自动跟踪补偿安装的消弧线圈，可偏离谐振点运行或具有串联限压电阻，能够增强对此种过电压的限制。

3.2 电压互感器中性点加装消谐器

安装在10 kV PT中性点的消谐器作用：一方面用于阻尼电压互感器引起的铁磁谐振；另一方面在单相接地故障消失时，限制电压互感器一次绕组回路中的涌流，以防止涌流烧坏电压互感器或电压互感器高压熔丝。

4 消除过电压的分析

2013年某变电站消弧线圈大修更换期间，10 kV电压互感器高压保险频繁熔断，由于该电压互感器为全绝缘，未出现电压互感器烧损现象。消弧线圈更换后投运以来，很少再出现10 kV电压互感器高压保险熔断的现象。

某变电站10 kV电压互感器中性点安装消谐器后，对电压互感器铁芯饱和引起的过电压有一定的限制作用；但其他一些变电站的10 kV电压互感器中性点同样安装了消谐器，效果却不是十分理想。针对上述情况，可采取以下措施消除和抑制铁磁谐振。

(1) 从源头考虑，新设计变电站应注重消弧线圈的作用，以减少过电压出现的几率。当采用消弧线圈以后，单相接地时的电流分布将发生重大的变化，相当于在接地点又增加了一个电感分量的电流IL。由于IC∑和IL相位大约相差180°，因此从接地点流回的总电流将因消弧线圈的补偿而减小。在设计未考虑消弧线圈的作用时，应加快未安装消弧线圈的变电站安装消弧线圈的工作，尽早将消弧线圈投入运行，以确保设备和电网安全运行。

(2) 一次消谐。在电压互感器一次侧的中性点与地之间串接非线性消谐器，一方面作用于电压互感器引起的铁磁谐振；另一方面在单相接地故障消失时，限制电压互感器一次绕组回路中的励磁涌流，以有效保护电压互感器高压熔断器。电压互感器中性点串入的电阻消谐器等价于每相接地时的接入电阻，能够起到消耗能量、阻尼和抑制谐波的作用。在线路单相接地故障时，由于中性点对地带有一定电位，故能相应减少非故障相电压互感器绕组的电压，使电压互感器饱和程度降低，杜绝各种谐波引起的谐振现象。新近发生烧损的电压互感器中性点都安装有消谐器，可是消谐功能在实际应用中却不是很好，所以一方面尽量采用全绝缘的电压互感器；另一方面可将电压互感器的中性点不经过消谐器接地，而通过单只电压互感器接地，即采用4PT消谐法。

(3) 二次消谐。在电压互感器开口三角形绕组开口端加装非线性阻尼电阻R(R<1 Ω)，可有效抑制各种谐波引起的谐振现象。系统发生谐振时，XC=XL,增加阻尼电阻，可保证中性点的位移电压U小于15 %相电压，维持系统的正常运行。通常可采用如下2种方法来增加阻尼电阻。

一是在电压互感器开口三角形绕组开口端加装灯泡，可起到零序阻尼的作用，方法简单，易于实施。但安装后运行效果却不理想，高压保险熔断还是较多，对非金属性接地所激发的谐振无法抑制；同时在系统单相持续性接地时，由于此灯泡吸收大量的容量，要求开口三角形绕组具有足够大的容量。

二是在电压互感器开口三角形绕组开口端加装可控硅多功能消谐装置。经微电脑控制，当电压互感器发生各种谐振时，能瞬时多次短接电压互感器开口三角形绕组进行消谐。经运行证明，可控硅多功能消谐装置具有良好的消谐效果；但其最大的缺点是不能限制电压互感器一次涌流，电压互感器高压熔断器熔断还是得不到有效控制。

(4) 加强电压互感器的全过程管理。在设备订货时，10 kV电压互感器选择电容式电压互感器，并选择比较可靠的、运行经验比较好的厂家，以减少电压互感器异常及事故的几率。设备投运后，严格监视电压波动，严格执行电压互感器管理，加强巡视，确保现场消弧线圈正常运行，避免电压互感器事故的发生。

电力系统是不断发展扩大的，电网的对地电容亦将随之增大，使原有的消弧线圈过补偿可能变为欠补偿运行，因此系统需要实时跟踪消弧线圈补偿容量，必要时予以增加。消除中性点不接地系统的过电压，要综合考虑，根据实际情况，结合系统的运行方式，采取针对性的措施。

1 王  丽．高电压技术[M]．北京：中国电力出版社，2010.

2 范锡普．发电厂电气部分[M]．北京：中国电力出版社，1999.

3 许世辉．电气设备及运行维护[M]．北京：中国电力出版社，2010.

4 贺家李，宋从矩．电力系统继电保护[M]. 北京：中国电力出版社，2008.

5 刘利华．二次回路[M]．北京：中国电力出版社，2010.

6 毛锦庆．电力系统继电保护使用技术问答[M]．北京：中国电力出版社，2000.