郑西高铁10kV电压互感器故障探讨

2018-08-06张明

铁道运营技术 2018年3期

张明

（郑州局集团公司洛阳供电段，高级技师河南洛阳 471OOO）

郑西高铁某配电所采用ABB公司生产的10kV SF6气体绝缘开关柜（GIS柜），10kV进线采用小电流接地系统，设置电压互感器二次开口三角处接入消谐电阻接线，近几年频繁出现电压互感器烧毁事故。其中2016年12月20日9∶45该所电源零序电压报警，并伴有电压互感器发出异常糊味。其装置采集的电压：Ua、Ub、Uc、3U0分别为8.51kV、16.20kV、10.19kV、31.6kV、，其原因为事故时天气不好，造成线路供电局单相间隙性接地引起。

1 电压互感器PT接线的不足

郑西高铁某配电所10kV进线采用小电流接地系统，其进线上安装的电压互感器采用Y./Y./开口三角形接线，并在开口三角形处接入消谐电阻，其接线如图1所示。

图1 配电所压互感器接线

1.1 消除谐振原理图1中在电压互感器的开口三角绕组两端加装电阻R消除谐振的方法又称为二次消谐,其二次消谐的原理为当发生铁磁谐振时，开口绕组两端的零序电压将在消谐电阻上产生零序电流，电流对高压绕组有去磁作用，可以避免互感器铁心饱和，从而可以有效地抑制谐振。

1.2 二次消谐不足的原因在实际运行中由于配电网的进线的复杂多变，在架空线和电缆及其进线路数不确定的情况下，很难从系统参数上防范铁磁谐振的发生，其实际情况是，采取的防范措施多是发生谐振之中采取的防范措施，根据相关资料，铁磁谐振对系统参数极其敏感。其谐振按照谐振频率的不同，电磁谐振分为分频、基频、高频谐振，而我们采取的防范措施通常对一种频率的谐振是有效的，而对另一种的频率谐振可能无作用。

1.3 电压互感器PT接线效果有局限性根据电网运行经验，当10kv及以下的电压等级，在电压互感器开口绕组加装电阻R的二次消谐，在电压互感器电磁特性较好的情况下对抑制铁磁谐振过电压时比较有效；但电压互感器的励磁特性比较差或系统运行不稳定，经常出现系统扰动的配电网，在单相接地故障瞬间消除、瞬间合闸等的情况下电阻R的热容量则很难满足要求，电压互感器的极限允许容量也难以达到要求；如果将阻尼电阻永久性接入电路，一旦系统发生持续性单相接地故障，将会在电压互感器开口三角绕组内产生很大的零序环流，造成PT绝缘损坏甚至烧毁。

2 单相接地故障时PT的过电压

实际运行中配电网中性点不接地系统带电压互感器的等值图如图2所示。

图2 配电网中性点不接地系统带电压互感器的等值图

图2 中EA、EB和Ec分别为电源三相电动势，Eo为中性点对地电压，Cn为线路对地电容，由于相间电容和互感三相对称，单相接地故障下相间电压不变。

在配电网正常运行时，电网各相对地电容CA=CB=Cc=Co，此时互感器的励磁感抗很大，其各相阻抗以导线对地电容的容抗为主，电网对地中性点电压Eo基本接近于0。但是当受到操作或故障等外界因素的影响时，在三相绕组饱和的影响下，因YA≠YB≠YC，导致中性点发生偏移，出现中性点电压，该电位偏移与各相电感的饱和程度密切相关，其中性点电压Eo的大小可由下式计算：

当系统发生谐波谐振时，系统的中性点电压为谐波电压，设谐波谐振时系统的零序电压为Eo，电压的有效值为E：则三相对地的电压有效值为：

3 单相接地故障对铁磁谐振的影响

在10kV中性点不接地系统中，单相接地故障时故障点流过容性电流，未发生接地故障的相电压升高至线电压，当接地故障瞬间消失时，未发生接地故障的相对地电压将突变回原来的相电压，需要通过电压互感器PT一次绕组有一个充分放电的过渡过程，以便将电网对地电容多余电荷释放掉，在中性点不接地10kV系统中只有通过电压互感器PT的中性点才能构成释放回路，大量电荷的短时间经一次中性点进行释放，很容易造成电压互感器PT饱和及励磁电感剧烈降低，在对地电容满足及系统参数匹配时则发生谐振。在某所C相接地故障消失时采集的中性点电压波形（见图3）及A相电压波形（见图4）。

图3 中性点上的电压波形

图4 A相PT上的电压波形

4 电压互感器故障分析

4.1 铁磁谐振导致故障电压互感器PT属于带铁芯的电感元件，但配电所的电源进线电缆击穿接地或由于电力系统受到某些扰动(如间歇性电弧接地)时，其产生高电压作用于电压互感器时，由于电压互感器的励磁特性差，电压互感器的磁通可能会饱和，致使铁芯绕组的电抗值降低，与电力系统中的电容构成谐振电路。一般把带铁芯的电感元件产生的谐振称为铁磁谐振

4.2 故障可能造成的后果在10kV系统正常运行时，单个电压互感器承受的电压应该在5.8kv左右，但在单相接地时，根据向量图分析可知，单个电压互感器承受的电压上升到11kV左右，如果发生谐振时电压则更高，其采集的电压为16.20kV。根据图5电压互感器的励磁特性曲线，电压互感器在相电压和线电压下，电流随电压增长缓慢，但是当电压越过线电压后，电流随电压非线性急速增长，当达到2倍的相电压时，电流为正常工作励磁电流的45.71倍，由于郑西高铁配电所采用GIS开关柜，电压互感器一次未接高压保险，频繁出现很容易造成电压互感烧毁或使电压互感器PT发出异常糊味。

图5 电压互感器励磁特性曲线

5 电压互感器的接线改进措施

5.1 改进电路在电压互感器PT的一次侧中性点上串联一个合适的电阻RN，相当于在每相绕组之中串联了一个电阻，既可以减小过电压及过电流，又改善了PT的励磁特性。其接线如图6所示。

图6 改造后配电所压互感器接线

5.2 安装电阻RN的作用

1）消除电压互感器饱和过电压。

2）减小在PT产生的低频饱和过电流。

当系统出现单相短路接地时，根据向量图得知，其非故障相的电压从相电压升高至线电压。但当接地故障消失的瞬间，非故障相也同时瞬间恢复到相电压，此时就产生了大量的多余电荷，而这些电荷通过PT的一次侧中性点流入大地时，当中性点连接的电阻RN数值合适时，单相短路接地故障消失的时刻，过多的电荷就会经过RN再流入到大地，这样就抑制了低频饱和电流对PT的损害。与此同时，RN在零序回路中起到了分压的作用，就使PT避免了铁芯饱和，降低了因铁芯饱和而发生的过电压及铁磁谐振的发生。

5.3 电阻RN合理选择PT一次绕组中性点经线性电阻RN合理的选择，不仅要充分考虑数值的大小，同时还应考虑电阻容量并留有一定的裕度。根据试验及运行经验可知，当RN=50KΩ时能很好的抑制铁磁谐振，虽然PT一次绕组中性点接入电阻R0越大抑制效果越好，但电阻R0越大在故障消失时会产生很高的过电压，根据经验参数得到的电阻RN应该高于50kΩ；当RN=50kΩ时，PR0=U2/R=394.1W,考虑一定的裕度，则取容量500W。