一起半绝缘电压互感器故障原因分析及处理措施

何帅，赵雨濛，邰晨凡，王亚芳

(国网宁夏电力有限公司吴忠供电公司，宁夏 吴忠 751100)

在35 kV及以下中性点非直接接地系统中，为节省空间、节约成本，常采用半绝缘环氧浇筑式电磁式电压互感器[1](简称半绝缘电压互感器)。半绝缘电压互感器一次绕组末端(N端)为弱绝缘结构，最高可承受5 kV电压[2]。因此，系统中半绝缘电压互感器经常受到系统过电压的影响，发生绝缘击穿故障。

2019年4月2日，某110 kV变电站35 kVⅡ母接地告警，此时，系统发生C相单相接地。5 s后，35 kVⅡ母计量电压消失。现场进行外观检查，A、B、C三相电压互感器外观完好，C相电压互感器熔断器熔断。进行诊断试验，A/B/C相一次绕组对二次绕组绝缘电阻分别为131/135/0 GΩ，A/B/C相一次绕组直流电阻分别为9.055/9.183/3.179 kΩ。根据试验结果判断：C相电压互感器一次绕组对二次绕组绝缘击穿，C相电压互感器一次绕组砸间短路。对C相电压互感器解体检查，发现在一次绕组末端(N端)与二次绕组之间的一侧有放电烧灼痕迹，明显属于击穿放电产生的现象，见图1。

图1 一次绕组与二次绕组之间绝缘击穿

1 故障原因分析

此组电压互感器为半绝缘环氧浇注式电压互感器，引起绝缘击穿故障的原因从以下方面分析：产品质量、电压互感器中性点接地不良、系统过电压。

(1)环氧浇注工艺控制包括不同材料温度膨胀系数的配合，绝缘材料内应力的释放，界面处理技术等[3]，环氧浇注工艺控制不良或产品结构设计存在缺陷有可能导致此类故障的发生，但该互感器产品结构设计合理，环氧浇注工艺控制良好，型式试验、例行试验、交接试验均合格，在系统内有广泛的应用，排除了产品质量问题。

(2)电压互感器中性点接地不良或地网接地阻抗过高产生悬浮电位，长时间运行中产生绝缘击穿[4]。现场检查电压互感器中性点螺栓连接可靠，接地良好。本站地网接地阻抗测量值为0.36 Ω，设计值为0.5 Ω，排除电压互感器中性点接地不良或接地阻抗超标，引起长时间悬浮放电的可能。

(3)系统过电压，包括外部过电压和内部过电压。该地区当天无雷雨天气，排除外部过电压影响。查询后台报文信息，发现在电压互感器计量电压消失前5 s存在35 kV系统接地，判断故障原因是由于接地故障激发作用引起的铁磁谐振过电压。

1.1 电压互感器中性点电压计算分析

常用的消除谐振的方法分为改变参数和阻尼作用[5]。本站采用的是在电压互感器中性点与大地之间串接热敏电阻型一次限流消谐器的阻尼电阻消谐，其特性是正常运行状态下电阻为60 kΩ左右，而PT一次绕组的阻抗为兆欧级，因此不会对PT的各项性能产生影响，同时也不会明显改变系统的各项参数。当PT发生谐振时铁芯饱和，一次绕组激磁电流增加，热敏消谐器温度升高，电阻快速增长到2 MΩ，能够较好地发挥出阻尼作用。而且谐振能量越大，热敏消谐器的消谐时间越短，对设备的绝缘更为有利。为了快速消除谐振，宁夏地区35 kV及以下配电系统中广泛采用这种热敏消谐器。

为确定故障原因，需计算C相单相接地时，安装了热敏消谐器的电压互感器的中性点电压。等效电路如图2所示。

图2 C相发生金属性接地的等效电路

35 kV电压互感器(简称PT)的额定电压为un，额定容量为Sn(VA)，一次侧额定电流为In(A)，角频率为ω(rad/s)。

Sn=100

(1)

在额定容量下PT的一次绕组电感L等于

(2)

设中性点的电压为U0，消谐器的电阻值为r，电源电压为Ua、Ub、Uc，有

(3)

可得

(4)

此次故障的35 kV电压互感器中性点热敏消谐器阻值r=60×103(Ω)，可求得在正常运行下U0的幅值

|U0|=889.905

C相接地时，热敏消谐器阻值r=2(MΩ)，U0的幅值为

|U0|≈Uc=20.21(kV)，方向与Uc相反，如图3所示。

图3 C相单相接地时U0向量

由上述计算可知，正常运行时，采用热敏消谐器的电压互感器中性点电压为889.905 V，不影响系统的正常运行。当系统发生单相金属性接地后，由于系统接地的激发作用，引起电压互感器铁磁谐振，铁心过饱和，引起一次绕组中励磁电流急剧增大，热量在绕组绝缘中积聚，同时热敏消谐器温度升高，电阻迅速增大3个数量级以上，造成电压互感器中性点电压抬升为相电压。接地相电压互感器一次绕组承受反向电压，加上铁磁谐振产生的热量，最终导致接地相电压互感器砸间短路，一次对二次绕组绝缘击穿。

1.2 仿真验证

利用ATP-EMTP电力系统仿真软件搭建此变电站35 kV系统，并模拟C相0.2 s时发生单相金属性接地。搭建模型如图4所示。

图4 单相接地系统仿真模型

C相发生单相接地故障时，电压互感器一次中性点电压波形如图5所示。当单相接地发生在系统电压波形最大值时，中性点电压可以达到线电压以上，对于半绝缘电压互感器的末端绝缘可瞬间击穿。

图5 电压互感器一次中性点电压波形

2 处理措施及对比验证

2.1 处理措施

压敏电阻(常采用 SiC)的特性是电压越高，电阻越低[6]。当发生铁磁谐振时，消谐器电阻降低，不利于消除谐振，但电压互感器中性点电压较低，不会给中性点绝缘造成压力。热敏消谐器虽然能够快速消除谐振，将励磁电流抑制在100 mA以下，但同时会将电压互感器中性点电压迅速抬升，造成半绝缘电压互感器中性点绝缘击穿，因此，提出以下治理措施：

(1)对于全绝缘电压互感器，适合安装热敏型消谐器，中性点能够承受铁磁谐振时消谐器带来的电压升高，同时消谐器能够快速消除谐振，抑制励磁电流，防止电压互感器损坏，防止熔断器不能可靠熔断造成的相间短路故障。

(2)半绝缘电压互感器中性点适合安装压敏型消谐器，牺牲一定消谐能力的同时避免中性点承受过高电压。

2.2 对比验证

将仿真电路中热敏型消谐器更换为压敏消谐器，进行对比验证，电压互感器中性点电压波形如图6所示。

图6 使用压敏消谐器的电压互感器一次中性点故障前后电压波形

由图6可以看出，使用压敏型消谐器的电压互感器一次中性点在系统发生单相金属性接地故障后最大电压为2 kV，小于半绝缘电压互感器中性点绝缘耐受电压水平，不会对半绝缘电压互感器中性点绝缘造成损坏。

3 结 论

通过对故障电压互感器外观检查、诊断试验、解体检查等，发现半绝缘电压互感器一次绕组对二次绕组绝缘击穿，一次绕组砸间短路，分析故障原因为铁磁谐振。计算单相接地时的中性点电压，发现热敏消谐器在系统单相接地引起铁磁谐振时，会将中性点电压抬高至线电压，造成电压互感器末端绝缘击穿。分析两种消谐器性能，得出全绝缘电压互感器中性点适合安装热敏型消谐器，半绝缘电压互感器中性点适合安装压敏型消谐器。