励磁特性试验在电压互感器故障诊断中的应用

李宪栋，石月春，李 强，韩法玲

（1.黄河水利水电开发总公司，河南省济源市 459017；2.长春工程学院，吉林省长春市 130012）

0 引言

电压互感器（TV）是电力系统中重要的测量元件，电磁式电压互感器在中低压电力系统中广泛应用。近年来，由于电压互感器故障造成的电力系统故障情况时有发生，其中包括多起发电机出口电压互感器故障引发定子接地保护动作的情况[1-6]。除明显的电压互感器损坏等严重故障外，由于电压互感器绕组内部绝缘或二次回路等原因造成的隐性故障[7-8]成为近年来关注的重点。这是因为这种隐性故障不仅在运行中难以发现，在特殊情况下还以其他形式出现，增加了现场排查故障的难度。如何快速准确判断出电磁式电压互感器的隐性故障就成为运行人员关注的问题。

《电力设备预防性试验规程》规定，电磁式电压互感器需要定期测量绝缘电阻和进行交流绝缘耐压试验。绝缘电阻测试对于发现贯穿性绝缘缺陷具有明显的效果，但很难发现局部缺陷。交流耐压试验可以更接近真实运行情况的检测设备状态，但其破坏性往往被诟病；而且现场运行单位往往受现场试验设备、试验环境的影响，很难进行这类试验。文献[9]表明，交流耐压试验对于判断电压互感器内部绕组隐性故障帮助不大。能否找到一种有效地使用常用的试验仪器设备就能进行电磁式电压互感器故障判断的试验方法成为现场试验人员关注的问题。本文结合实际案例来对电磁式电压互感器本体隐性故障的诊断方法进行探讨。

1 故障案例

1.1 系统接线

某厂1号机组采用单元接线，发电机定子额定电压为18kV。发电机出口接有励磁变压器、4组机端电压互感器和发电机出口断路器。励磁变压器与发电机出口母线直接相连，机端电压互感器通过高压熔断器与母线相连。1号、2号、3号机端电压互感器型号为JDZX1-20，4号机端电压互感器型号为JDZX4-20。

1.2 故障情况及处理

2009年12月，1号机组运行过程中报“1号机定子接地保护2段（100%）动作，发变组保护80%定子接地和零序过电压保护动作”信号，机组停机。测量机组绝缘正常。分别测量励磁变压器和机端电压互感器绝缘，绝缘电阻均满足要求。投入机端电压互感器进行升压试验，升压过程中跳闸，机组电压不能升高到额定值。分别顺序投入机端电压互感器升压试验，当投入发电机出口3号电压互感器时，机组升压失败，最终确定为3号电压互感器A相故障所致。

2011年3月，1号机组运行过程中报“1号机定子接地保护2段（100%）动作，机组停机。对机组进行零起升压，当机组升至7000V电压时，保护动作跳出口断路器。第二次机组升压至4000V电压后，保护动作。将1号机组出口1号、3号机端电压互感器投入，2号、4号电压互感器退出，零起升压，设备正常，升至额定电压后稳定运行。将1号机组出口2号、4号电压互感器投入，1号、3号机端电压互感器退出，零起升压，建压失败。通过对1号机组故障录波分析，认为2号电压互感器 B相出现故障的可能性较大，故将3号电压互感器C相更换至2号电压互感器 B相，仅投入机组出口2号、4号电压互感器经零起升压正常。最后确定为1号机组2号机端电压互感器B相故障。

2 试验分析

该厂1号机组2002年初投运，机组及附属设备电压互感器等电气设备预防性试验定期进行，检修未发现异常和故障。故障出现时也没有电力系统故障记录。

事后对故障电压互感器进行了进一步的试验检查，试验数据对比见表1。从表1中可以看出，电压互感器的变比和绕组直流电阻未发现明显的变化（一般认为超过30%为明显差异），直流电阻数值与正常TV的值比稍小，怀疑是电压互感器内部绕组故障。

参照电流互感器试验，对电压互感器进行励磁特性测试，并与同类型的电压互感器进行了对比，试验数据见表2。

文献[10]对电磁式电压互感器的励磁特性进行了测试，试验结果表明，正常电压互感器在额定电压100V附近进入饱和区，电压的微小变化会引起励磁电流的急剧增长，而在此之前的线性区域，电流随电压变化缓慢增长，总体上除拐点外基本成线性关系。1号机组3号A相电压互感器励磁特性测试中，当施加电压为1.5V时励磁电流已经达到20A跳闸，线性插值计算对应施加电压为1V时励磁电流已经达到13.33A，10V时电流计算为133.3A。1号机组2号电压互感器B相电压互感器励磁特性测试中，电压为1V时电流为1A，电压为10V时电流为9.8A；线性插值计算对应施加电压为20V时励磁电流已经达到19.6A。而同类型正常电压互感器在外加电压为20V时电流仅为0.068A左右，施加额定电压100V时的电流也仅为0.190A左右。从试验结果对比分析看，两台电压互感器的绕组的直流电阻变小，励磁特性明显改变，应该是绕组内部发生了匝间短路故障。

表1 电压互感器诊断试验结果Tab.1 Diagnose test results of potential transformer

表2 电压互感器励磁特性试验结果Tab.2 Excitation characteristic test results of potential transformer

3 电压互感器特性与发电机定子接地保护的关系

通过测量机端电压互感器开口三角不平衡电压来判断发电机定子接地故障是常见的方法之一，此时的发电机定子接地保护定值应高于正常运行时由于三相电压互感器励磁特性差异造成的不平衡电压。在发电机发生定子接地时机端三相电压将出现较大的差别，此时在电压互感器的开口三角出现较高的不平衡电压，超过整定值即判断为定子接地故障。本案例中的发电机定子接地保护就采用了此原理。

文献[6]对发电机出口电压互感器匝间短路故障引起定子接地保护动作的机理进行了分析，并进行了工程验证。发电机出口某相电压互感器发生匝间短路故障时，该相对地等效阻抗变小，导致定子三相对地阻抗不平衡，会产生一定的机端零序电压和中性点零序电压，引起基波零序电压定子接地保护动作。

当电压互感器匝间短路等原因造成其特性变异时，发电机出口3台电压互感器特性不再相似，若差异超出了正常运行时的允许范围时，就会在电压互感器的开口三角出现较高的不平衡电压。这时与发电机定子接地故障情况类似，容易误判为发电机定子接地。本文中的案例就是这样的典型情况。两次故障的情况非常相似，虽然是不同的电压互感器导致的故障，但都是电压互感器特性变异导致的不平衡电压，引起了发电机定子接地保护动作。

4 电磁式电压互感器隐性故障诊断方法探讨

电磁式电压互感器隐性故障包含二次回路和本体故障，本文侧重于对互感器本体隐性故障的诊断。对于电磁式电压互感器故障的诊断，应先测量其绝缘电阻。绝缘电阻测量能发现较多的问题，但是在电压互感器局部缺陷和隐性故障诊断方面有其局限性。如果绝缘正常，再进行绕组变比、直流电阻测试，这些试验项目都不是例行试验中的项目。诊断故障常用的方法是与同一设备历史数据对比或与相同类型设备试验数据对比，如果有较大差异，则认为设备故障。

《电力设备预防性试验规程》规定，电磁式电压互感器在必要时可进行空载电流测试，可见测试电磁式电压互感器空载电流是诊断其故障的一种方法。空载电流测试与励磁特性测试方法类似，都是在电压互感器一次侧开路时，在电压互感器的二次绕组侧施加工频电压，同时测量回路的电压和电流。不同的是，空载电流测试的是对应额定电压时的电流，且同时测量了空载损耗，电流表接线位置位于电压表外侧。励磁特性一般是针对电流互感器的试验项目，主要是测量其励磁特性，以确定是否满足所在回路发生故障时能保证正确测量回路的电流，而不受互感器饱和的影响。电磁式电压互感器国标对互感器的试验要求是，对于设备最高电压高于40.5kV的电压互感器应测量其励磁特性，且规定其差异不应超过30%，电压互感器的励磁特性试验中应至少包括0.2、0.5、0.8、1.0和1.2倍额定电压下的电流值。

在电磁式电压互感器出现故障时，测量其空载电流已经不具有现实意义了（如前面的案例中的情况），往往在施加较低电压时，回路电流已经出现较快较大的数值，造成控制回路跳闸[9]。针对励磁特性试验中的0.2、0.5等较低倍数额定电压下的电流值进行对比就可以快速诊断出电压互感器是否故障。

5 结束语

现场实践表明，测量比较电磁式电压互感器的励磁特性是一种简单易行且有效地电磁式电压互感器本体隐性故障诊断方法。励磁特性测试在互感器二次侧进行，试验电压较低，试验仪器体积不大，便于携带，而且有成熟的用于测量电流互感器伏安特性的综合型自动测试仪器，现场实施起来更方便，更安全。与交流耐压试验相比，励磁特性测试无疑是一种现场更容易更合适采用的试验方法。在不具备条件进行交流耐压试验时，定期测量电磁式电压互感器的励磁特性对于发行其内部隐性故障具有较强的现实意义。

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