电磁式电压互感器爆裂事故分析及解决方案

张刚，王明钦

（国网山东省电力公司临沂供电公司，山东临沂276000）

·经验交流·

电磁式电压互感器爆裂事故分析及解决方案

张刚，王明钦

（国网山东省电力公司临沂供电公司，山东临沂276000）

在某供电公司所辖10kV中性点不接地系统中，多次发生由接地故障引起的电磁式电压互感器爆裂事故，严重影响了系统的安全性和可靠性。通过电磁暂态计算程序ATP-EMTP建立典型变电站仿真模型，结合现场情况，系统分析PT爆裂事故原因，提出了一种10kV小电容电流系统中性点经电阻接地方案。该方案既能从根本上解决PT爆裂故障，又可以抑制谐振、间歇性弧光接地等过电压对系统的危害。

电压互感器爆裂；铁磁谐振；暂态电流；过电压抑制

0 引言

10 kV配电网分布面广，直接面向用户，在电网中具有非常重要的地位。为了监视各相对地绝缘情况及便于测量、计量和保护等，变电站母线上一般装设有电磁式电压互感器（PT）。

在某供电公司所辖10 kV中性点不接地系统中，2008—2009年，先后发生6起因10kV系统接地引起的PT爆裂事故，损坏7台PT，严重影响了系统安全运行和供电可靠性。

1 事故现象

选择35 kV台柳路站进行故障分析。台柳路站10 kV系统采用中性点不接地方式，两段母线并列运行，I段母线带两条出线为台沙线和台周线，II段未带出线，其一次系统接线简化如图1。I、II段母线上有甲、乙两组电磁式电压互感器，型号为JDZX10-10， PT一次绕组接成星形，末端接地，其接线如图2。

图1 一次系统简化图

图2 PT接线图

自该站建成投入运行，发生两次PT爆裂事故：2008年12月14日，事故造成甲组一相PT爆裂，同时乙组PT消谐装置烧坏；2009年4月15日，事故造成甲组一相PT爆裂。现场情况反映，两次PT爆裂事故时，10 kV侧系统均有接地信号发出。

2 事故原因分析

2.1 PT爆裂原因

理论分析和运行经验表明，PT爆裂事故是内部过电流引起发热所致。过电流的表现形式有两种：1）由于谐振，PT上承受的过电压和过电流虽然幅值较小，但是时间较长，大量电能作用使其长期发热。当热量积累到一定程度时，绝缘介质会受热而汽化，体积急速膨胀，而干式PT内部空间有限，当压强增加到一定程度时PT便会爆裂。2）由瞬间高幅值过电压引起的过电流。过电压幅值达到一定程度时，造成匝间短路而引起过电流。这种过电流一般幅值很大，会使PT中的绝缘介质迅速汽化，而导致PT爆裂［1］。

2.2 事故仿真分析

使用ATP-EMTP建立台柳路变电站模型，对其PT爆裂事故情况进行仿真分析，仿真模型如图3。事故时站内均有接地信号发出，有时短时间内出现接地与不接地状态的转换，持续一段时间之后，发现PT爆裂，仿真波形如图4。

图3 台柳路站仿真模型

根据仿真结果，可以看出在瞬时性接地故障消失后，系统发生基波铁磁谐振，三相过电压最大达3.1 pu，中性点电压为2.231 pu，A相和B相PT上流经的电流均超过1 A，而且谐振持续存在，过电流完全可能会使PT严重过载，严重过热甚至爆裂。

图4 仿真波形图

3 铁磁谐振机理及抑制措施

3.1 铁磁谐振机理

铁磁谐振过电压是一种中性点不接地系统中常见的非线性谐振过电压［2］。

在中性点不接地系统中，变电站母线上常有Y0接的PT，连接在零序回路中。图5为系统等值电路图，其中，EA、EB和EC为三相对称电源电动势，LA、LB和LC为电压互感器各相对地电感，C0为各相对地电容，C0与互感器各相电感并联后的综合导纳为YA、YB和YC。

图5 系统等值电路图

在电网正常运行情况下，LA=LB=LC，故YA=YB=YC，三相电路对地负荷基本平衡，电网的中性点电位为零。

当电网发生冲击性的扰动，例如断路器合闸于空载母线，或者线路瞬时性单相接地故障，都有可能使一相或两相对地电压瞬时升高，此时若PT的三相绕组受到的冲击程度各不相同，三相绕组的饱和程度也将各不相同，导致各相的综合阻抗也就各不相同，导致电源变压器中性点发生位移：

如果在正常状态下各相的综合阻抗呈容性，则扰动的结果可能使一相的综合阻抗为容性，另外两相为感性，因此分母中的导纳符号相异，互相补偿，YA+YB+YC将显著减小，会出现很高的U0以激发铁磁谐振，而三相的对地电压则为各相电源电动势E和位移电压U0的矢量和，因此其中一相、两相甚至三相的对地电压都可能升高，从而可以产生过电压或过电流现象。

铁磁谐振过电压会引起绝缘闪络、避雷器炸裂、高值零序电压分量产生、虚幻接地现象出现和不正确的接地指示，严重时还可能诱发保护误动作或在PT中出现过电流导致PT烧坏，危及邻近的电力设备［3］。

3.2 铁磁谐振抑制措施

针对铁磁谐振，国内外学者在研究和试验分析的基础上，提出了很多有效的抑制措施［4］。这些措施从改变零序参数上大体可以分为3种类型，具体见表1。

表1 抑制铁磁谐振措施

零序参数具体措施零序电容母线上装设中性点接地的三相星形电容器组零序电阻PT开口三角绕组接消谐装置；PT开口三角绕组接阻尼电阻；PT高压侧中性点接非线性电阻；系统中性点接电阻

表1中，改变系统零序电感、零序电容措施使系统避开谐振区域，不易激发谐振；改变系统零序电阻增大了谐振回路的阻尼率和阻尼谐振能量，消耗谐振能量。

现场应用中，在确定PT爆裂原因的基础上，结合实际情况，再采取有针对性的解决措施。

4 解决方案

台柳路站仅有两条出线，且线路短，对地电容较小，电容电流小于1 A，从技术性和经济性两方面考虑，均没有必要在系统中性点加装消弧线圈；台柳路变电站现在所用励磁特性较好的消谐PT同样存在爆裂问题；系统对地电容处在基频谐振区间，若增大系统的零序电容，如母线上装设中性点接地的三相星形电容器组等，仍然会引起系统谐振或者超低频震荡，甚至会造成接地故障时电容电流不能自熄，而导致严重的间隙性弧光接地过电压。因此，改变系统的电感电容参数不能彻底解决PT爆裂问题。

现场运行经验表明，台柳路站在PT高压绕组中性点加装的一次消谐装置和附加绕组上加装的二次消谐装置，在PT爆裂时一起被烧坏，均没有起到抑制作用。PT高压侧中性点接非线性电阻或者一次消谐装置还会带来新的问题，当发生接地故障时，开口三角电压会降低，影响接地保护的工作。对于断线谐振过电压、间歇性弧光接地过电压，消谐装置也不能起到抑制作用。

根据DL/T 620—1997《交流电气装置过电压保护和绝缘配合》第3.1.5条规定：6 kV和10 kV配电系统以及发电厂厂用电系统，单相接地故障电容电流较小时，为防止谐振、间歇性电弧接地过电压等对设备的损害，可采用高电阻接地方式［5］。

为防止PT爆裂事故的发生，基于以上对铁磁谐振机理抑制措施的综合分析，根据DL/T 620—1997《交流电气装置过电压保护和绝缘配合》中高阻接地系统设计准则R0≤XCO和故障点电流小于10 A的要求，结合台柳路变电站现场运行经验，选用电阻值为1 100 Ω。

由于台柳路站10 kV系统为三角形接线方式，没有中性点，需通过Z型接地变压器人工引出中性点，并将1 100 Ω电阻长期接于10 kV系统。再仿真瞬时性接地故障下系统情况，母线电压、中性点电压、PT电流如图6。

图6 瞬时性接地故障下仿真图

根据仿真结果可得，在瞬时性接地故障消失后，系统很快恢复正常，铁磁谐振得到了有效抑制，各相PT上流经的暂态电流均小于0.45 A。

另外，通过对其它系统内部过电压的仿真，系统中性点经1 100 Ω接地方式同样可以抑制断线谐振过电压、间歇性电弧接地过电压等，降低系统内部过电压水平，减小流经PT的暂态电流。

5 结语

电容电流较小的10 kV中性点不接地系统容易遭受内部过电压的危害，可能会造成PT爆裂事故的发生。将系统中性点改为经电阻接地后，增大了谐振回路的损耗，可以有效抑制铁磁谐振的发生；同时为线路对地电容中多余累积电荷提供了释放的通道，减小了流经PT的电流，也可以防止间歇性电弧接地过电压的发生。因此，该方案解决了电容电流较小的中性点不接地10 kV系统中PT爆裂问题，也降低了系统内部过电压水平，有利于提高系统的运行可靠性。

［1］林泉.10 kV电磁式电压互感器爆炸的原因和解决方案［J］.电力设备，2005，12（6）：12-13.

［2］解广润.电力系统过电压［M］.北京：水利电力出版社，1985.

［3］陈维贤.内部过电压基础［M］.北京：水利电力出版社，1981.

［4］李福寿.中性点非有效接地电网的运行［M］.北京：水利电力出版社，1993.

［5］DL/T 620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合［S］.

Analysis and Solution of Electromagnetic Potential Transformer Burst

ZHANG Gang，WANG Mingqin
（State Grid Linyi Power Supply Company，Linyi 276000，China）

In a neutral node non-grounded 10 kV power system，it happened several times that electromagnetic potential transformers bursted due to grounding faults，which seriously affected power system reliability.In this paper，the simulation model of a typical substation was established by EMTP.PT burst causes were analyzed systematicly according to field situation and solution was proposed，in which the neutral node was changed from non-grounded to resistance-gronded in the small capacitive current system.The solution not only eliminated the accidents of PT burst，but also restrained the internal ferroresonance overvoltage and arc grounding which would seriously jeopardize the power system.

PT burst；ferroresonance；transient current；restrain overvoltage

TM451

B

1007－9904（2015）02－0042－04

2014-08-05

张刚（1979），男，工程师，主要从事电网运检技术管理、电网技改维修项目管理等工作；

王明钦（1985），男，工程师，主要从事变电检修、电力系统内部过电压防护、电力系统防雷等工作。