电压互感器保护技术研究及设计

耿东勇

（晋城煤业集团供电分公司，山西 晋城 048006）

我国3～35kV 中压供配电系统主要采用中性点非有效接地方式，其供电可靠性要远高于中性点有效接地的供配电系统。从多年的运行经验和近年来中压供配电系统的发展情况看，中性点非有效接地方式也给中压供配电系统带来了一些问题：中性点非有效接地系统中发生单相接地故障时，通常表现为弧光接地的形式，此时非故障相线路对地电压最高可升至3.5 倍相电压，系统的过电压往往会在系统绝缘薄弱处引起绝缘对地闪络[1-3]。

电磁式电压互感器（Potential Transformer,PT）具有非线性的电磁特性。在系统遭受雷击过电压、操作过电压、接地故障恢复以及PT 自身不同期合闸等外界因素干扰下，PT 铁心发生饱和，电感量急剧下降，容易和系统参数激发复杂的铁磁谐振，产生高频、工频、低频谐振过电压。同时PT 铁心饱和产生较大励磁涌流以及接地故障恢复时流过PT的低频振荡电流均可能导致PT 熔丝熔断，严重时甚至导致PT 烧毁[4-10]。

1 问题提出

晋城煤业集团老区35kV 系统中存在由于过电压引起PT 烧毁、高压熔丝熔断等问题，多年来一直没有得到有效解决。尤其是挂网运行于该35kV系统中的王台35kV 变电站，从投运以来PT 已连续十几年在系统接地后发生多次烧毁现象,同时高压熔断器也频繁熔断，严重威胁着设备及电网的安全运行。王台35kV 变电站历年PT 烧毁及熔断器熔断情况，见表1。

表1 历年PT 烧毁及熔断器熔断情况统计表

最近一次事故发生在2013年09月07日23 点06 分，王台35kV 变电站运行值班人员在监盘时发现后台机报警“23∶06∶40 35kV Ⅱ段母线电压UAB越上限，23∶07∶15 35kVⅡ段母线电压UAB上上限—上限，23∶07∶30 35kVⅡ段母线电压UAB越下限， 23∶07∶31 中王Ⅱ回354 相对时间0ms 母线TV 断线告警，23∶07∶41 2#主变高后备相对时间0ms TV 断线告警”。查看电压棒图发现：35kVⅡ段 A 相电压为15.2kV，B、C 两相电压正常（21.6kV 左右），初步判定为A 相保险故障，随即到35kV 室检查发现室内有烟雾和异味，经开启风扇通风后，检查35kVⅡ段PT，A 相保险及A 相PT 本体炸裂，内部绝缘物质有喷出。现场PT 损坏情况，如图1所示。

图1 PT 现场损坏情况

2 原因分析和保护方法研究

仿真和动态模拟的试验结果表明，PT 常见故障主要是由于单相接地故障消除后，故障相电压要从地电压升至相电压，正常相要从线电压降至相电压。伴随着这个各相电压变化的过程，储存在电网各相对地电容中的电荷需要重新分配。由于中心点非有效接地系统中只有PT 中性点接地，这些电荷必然通过PT 绕组和中性点才能构成回路。在这个由系统各相对地电容和PT 绕组励磁电抗构成的振荡回路中，PT 励磁电抗的电感非常大，所以该回路的振荡频率很低。加之PT 铁心的饱和特性，通过PT 的冲击涌流可以达到很高的值，如图2所示。

图2 PT 的冲击涌流试验波形

图2中通过PT 的电流，其峰值可达4.2A，振荡频率5Hz。PT 保护熔断器的额定电流一般是0.5A。所以很有可能烧断PT 的熔断器或造成PT 自身的伤害。为限制该冲击涌流保护PT，可以考虑在PT 中性点串接一非线性电阻，并在电网正常运行时用一接触器将其短接，以防止影响PT 的测量精度。该接触器只是在电网发生单相接地故障以后才断开，电网恢复正常运行后迅速短接。如图3所示，在PT中性点加装保护装置后可以有效抑制冲击涌流的试验波形。

图3 PT 中性点加装保护装置后可以有效抑制 冲击涌流的试验波形

3 保护设计

1）PT 高速组合式保护装置。采用非线性电阻并连接触器的一次侧保护装置和为防止PT 开口三角输出虚假过电压信号二次侧保护装置相结合的方法,能快速有效防止各种PT 故障的发生。并且能够防止微机综保接受到虚假过电压信号。PT 高速组合式保护装置如图4所示。

图4 PT 高速组合式保护装置示意图

2）一次侧保护装置（PTB）。在PT 的中性点使用碳化硅非线性电阻和真空开关并联串接到地排。系统正常运行时真空继电器K 闭合旁路碳化硅电阻（SiC）相当于PT 的中性点接地，完全抑制系统的测量开口的电压偏移，不影响系统的测量和保护。电压互感器发生铁磁谐振时，中性点产生位移，使三相电压不对称，在开口三角两端产生零序电压，互感器高压绕组流过零序电流。控制系统发出命令使K 断开将SiC 投入，有效抑制系统的谐振，接地故障恢复后K 延时闭合有效抑制系统的涌流和低频谐振。

3）二次侧保护装置。高速全频二次消谐器将微机技术用于电网消谐，利用计算机快速、准确的数据处理能力实现傅里叶分析，其选频准确。通过对PT 三相电压及开口三角电压的采集，对电网谐振时的各种频率成份能快速分析、处理。

通过微机控制可控硅导通和关断，使PT 二次绕组形成有效零序电流流通通道。这个零序电流是对高压绕组中的零序电流所建立的磁通起去磁作用。二次零序电流接近PT 二次绕组短路电流，去磁效果非常好。但控制时间短，周期执行3 到5 次。如图5所示；通道2 为开关信号，通道1 为零序电压信号。

图5 二次零序电流接近PT 二次绕组短路电流时 去磁试效果验波形

4）母线大能容过电压吸收器。当投切空母线时，母线处在无过电压保护状态中。往往易于引发多种大能量的过电压，危及PT 的正常运行。因此需要在母线侧加装大能容过电压吸收器。

5）电压互感器。选用高质量，2 倍以上饱和点的全绝缘电压互感器。

6）柜体结构。选用标准开关柜体，加装隔离刀闸和保护熔断器。

设计后PT 柜体内一次主接线如图6所示。

图6 PT 柜体一次接线图

4 现场应用

2015年4月6日11∶52，挂网运行于老区35kV系统上的凤凰山站35kV 站变Ⅱ高压进线电缆C 相电缆头绝缘击穿引起接地，引起老区35kV 系统Ⅱ段母线C 相接地，同时长时间接地引发电缆着火造成弧光短路（B、C 相短路）。

王台35kV 变电站PT 保护装置于11∶52∶15.928采集到波形如图7所示。从图中可以看出，C 相电压降低时，A 相、B 相电压升高且发生畸变，零序电压3U0明显升高。单从波形可以说明C 相接地。

图7 PT 保护装置故障录波波形

11∶52∶16.091 装置采集到Ua=83.72V、Ub= 80.34V、Uc=31.05V、3U0=150.17V、F=12.10，报低频谐振，低频谐振出口情况见表2。

表2 低频谐振出口情况

11∶52∶18.959 装置采集到Ua=85.21V、Ub= 112.83V、Uc=22.15V，3U0=98.58V，报弧光接地，C 相弧光接地出口情况如表3所示。同时王台35kV变35kV Ⅱ段PT 智能开关PT 正确动作，消谐电阻投入。

表3 C 相弧光接地出口情况

综上所述，王台35kV 变电站PT 柜改造后，在2015年4月6日接地事故中智能开关投切电阻正确，装置波形及装置出口情况和现场事故现象基本一致。接地事故当天，运行人员对PT 进行了仔细检查，未发现明显异常。2015年4月15日试验人员对PT 进行试验，试验结果是PT 完好。由此可以看出，该电压互感器保护技术有效解决了电压互感器烧毁问题，保证系统的安全运行。

5 结论

35kV 中性点不接地电网中PT 铁磁谐振时产生的过电压常使设备内绝缘击穿、外绝缘放电，且会因事故处理不及时，造成事故扩大；电网中弧光接地使PT 经常烧毁；母线上Y0 接线的PT 一次绕组将成为该电网对地惟一金属性通道，单相接地或消失时，电网对地电容通过PT 一次绕组有一个放电的过渡过程，试验测得此时常常有最高幅值达数安培的工频半波涌流通过PT，此时电流有可能将PT高压熔丝（0.5A）熔断。目前上述问题的处理方案是采用PT 一次中性点增加一次消谐器，这个方案对抑制PT 涌流有较好的效果，但对于因系统参数的变化导致复杂的PT 谐振却没有什么效果。本文通过对电压互感器保护的研究与设计，采用智能开关与一次消谐器配合使用，当系统正常运行时智能开关闭合，一次消谐器被短路的同时，电压互感器中性点直接接地，当系统遭受弧光接地等异常情况时，智能开关打开，一次消谐器接入中性点，从根本上解决了系统单相接地故障消除后、三相电压恢复平衡时、系统对地涌流通过PT 一次中性点造成PT 熔丝熔断或PT 损坏的问题。能够有效解决PT 烧毁问题，对加强电力系统运行维护管理，保障电网安全、稳定和可靠运行具有积极作用。

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