新能源电站铁磁式电压互感器故障分析

李国清，赵 飞

（1.中能智新科技产业发展有限公司，北京 100029；2.北京金电联供用电咨询有限公司，北京 100101）

0 引 言

根据最近几年太阳能电站及风能电站的实际运行结果，10～35 kV开关站发生故障最多的元件就是铁磁式电压互感器。电压互感器与过电压保护器故障不但影响了电站正常向电网输送电力，还常导致开关柜中其他电气设备损坏，从而造成巨大损失。本文通过分析电压互感器的烧毁原因，提出了避免电压互感器产生铁磁谐振的有效措施。

1 电压互感器故障原因分析

通过检修过去几起太阳能电站或风能电站中的故障，发现最容易出现故障的元件为10～35 kV交流开关站中的铁磁式电压互感器，且故障的症状很相似，都是保护熔断器烧毁，严重时铁磁式电压互感器外壳出现爆裂或炭化龟裂。要分析其共有的故障原因，先要分析风能电站与太阳能电站共有的特点，不论是风力发电还是太阳能发电，主回路必须有逆变器，将直流或不规则的交流转变成工频电源。而逆变器必须带有整流环节，这样会产生大量谐波，虽经过各种谐波装置滤波，但各次谐波，尤其是高频谐波也比普通电网多。

大量各次谐波的存在极容易诱发系统的谐振发生，而谐振显然是铁磁谐振。因为系统回路有一对电容，而铁磁电压互感器又是电抗较大的电感元件，因此对某次谐波来说（不同的谐波，也就是不同的频率，呈现的电抗或容抗是不同的），当系统的容抗与铁磁电压互感器、电力变压器等设备的感抗相等时，自然会形成并联谐振[1]。

1.1 铁磁谐振发生的原因

在中压不接地系统中，各相对地电容及各相对地电感组成并联回路。电源侧中性点对地无固定电位，中性点对地电压处于不稳定状态，当系统出现扰动时，如发生间隙性电弧的单相不稳定接地、断线故障、单相接地故障恢复的瞬间、电源合闸的瞬间以及雷电冲击等情况，系统运行情况会发生突变，其稳定性会遭到破坏。电压互感器受到涌流侵入，三相饱和程度不一，造成电抗发生变化，当其与系统各组件电抗、容抗达到某种配合时，就有发生谐振的可能。如果电压互感器某一相或两相有涌流，则会造成铁芯过饱和，从而电感减小，三相电抗不对称，中性点位移，出现零序电压，并会随之出现零序电流及零序电抗。零序电流通过系统对地电容形成回路，当电压互感器的零序阻抗与系统的等值容抗相等时，便会形成谐振。

1.2 铁磁谐振的危害

铁磁谐振是中压不接地系统的常见问题，它的直接危害是导致电压互感器的绝缘击穿或热损坏，接下来发生电压互感器短路。如果电压互感器的保护熔断器不能及时切断短路，会引起更大的故障。对于电压互感器绝缘击穿的原因，有两种不同的观点，一种观点是谐振引起过电压造成绝缘击穿；另一种观点是因谐振造成过电流，由过电流造成互感器发热，因发热而造成绝缘损坏。

2 避免电压互感器产生铁磁谐振的措施

2.1 电压互感器一次侧中性点串入消谐电阻

在中性点串入消谐器，就是在中性点串入电阻接地，其能够消耗谐振电流的能量，对谐振起到阻尼作用。也相当于在电压互感器零序回路中增加了电阻，分担了零序电压，使电压互感器的铁芯饱和程度降低，并降低了谐振的风险。另外，限制了零序电流，避免因较大的电流通过电压互感器绕组而引起电压互感器烧坏。所串入的消谐电阻可以是线性的，也可以是非线性的，非线性的特点是承受的电压越高，其电阻越低。当由于故障造成电压互感器一次侧中性点对地电压过高时，消谐阻抗值变低，电压互感器二次侧开口三角两端电压才足够大，以便保护装置动作。当系统一相接地，电压互感器中性点接地电阻足够小，电压互感器二次侧接地相电压接近零，其他两相电压趋于线电压，这才有利于判别接地相。

值得注意的是，消谐器有足够的容量。当发生谐振时，大的零序电流通过时不会引起消谐器烧坏。消谐器的首要作用是消谐，使谐振不能持续。实践证明，当消谐电阻大于电压互感器每相绕组阻抗的0.06倍时，足以阻止谐振的持续。按此比例计算，当消谐电阻为电压互感器每相绕组阻抗的0.06倍且正常运行时，电压互感器副边开口三角形电压只降6%，这种影响完全可以接受。若采用非线性电阻，则开口三角两端电压减少不会超过10%。

如果消谐电阻的阻值非常高，则开口三角形两端电压降较大，而副边线电压及相电压变化不大，这对保护及测量都不利。当一次消谐电阻趋于无穷大时，即一次侧中性点不接地。当系统一相接地，而电压互感器二次侧电压无变化时，亦起不到绝缘监视的作用，这与电压互感器一次中性点接地的初衷相悖。目前，生产一次消谐电阻的厂家较多，其中较好的是齿轮形加大散热面的大容量非线性消谐电阻，其体积不大，可装于手车柜内，与电压互感器中性点弱绝缘相匹配。

实践证明，一次消谐器是能够阻止谐振的持续，从而保护电压互感器不受损坏，但开始的瞬间谐振照样发生，会造成电压互感器保护熔断器熔断。

需要特别提醒的是，系统谐波过大与系统发生谐振无必然的联系。如果系统三次谐波过大，因它是零序谐波，通过电压互感器中性点所接的消谐器与系统对地的电容构成回路，尽管没发生谐振，但通过消谐器的三次谐波电流已经使消谐器无法承受。例如，电压互感器一次电流不足1.5 mA，而保护电压互感器一次侧的熔断器熔丝额定电流为0.5 A，是电压互感器额定电流的3倍，因此还会造成熔丝频频熔断，这是三次谐波过大造成的，不一定是谐振导致的。此外，由于平时通过消谐器的谐波电流过大，可能会造成消谐器热爆。

采用电压互感器一次绕组串联消谐电阻方法的效果不够理想，因为在所遇到的电压互感器保护熔断器熔断或电压互感器烧毁的事故中，都有一次消谐装置，但事故还是照样发生。

2.2 微机二次消谐

在正常情况下，电压互感器二次侧开口三角形两端的零序电压很小，当谐振发生后，电压互感器一次侧中性点出现位移，开口三角形两端电压高，如果两端接入电阻来消耗能量，则能够对谐振起到阻尼作用。

微机二次消谐是采用微机二次消谐装置，分别对电压互感器副边的3个相电压及开口三角形两端电压进行取样，判别是单相接地故障还是发生了谐振。如果是接地故障就报警，而如果是发生了谐振，则需根据谐振频率的不同，使计算机发出指令，在开口三角形两端接入不同的电阻。如果是分频谐振，则接入高电阻，如果是高频谐振，则接入低电阻或直接短接。

目前，计算机二次消谐的不足之处是判别接地故障与谐振时不够准确，此种方法有待完善。微机谐振装置如果判断失误，将单相金属稳定接地，开口三角形两端出现的近100 V的过高电压误认为谐振，肓目地短接开口两端，会很快把电压互感器烧坏。其原因是开口两端短接后，开口三角形绕组电流可达70～80 A，而相对应的电压互感器一次侧电流可达400 mA，电压互感器会立即烧毁。如果35 kV电压互感器额定容量为30 VA，额定电流不超过0.5 mA，而相对应的一次侧电流达到了180 mA，则电压互感器将无法承受此电流。鉴于上述原因，有的设计单位及当地供电部门选择使用一次消谐，而不用微机二次消谐。实践证明，采用二次微机消谐不够理想。

2.3 电压互感器一次侧中性点经单相电压互感器接地

电压互感器一次侧中性点经单相电压互感器接地，可称为经零序电压互感器接地，也可称为经消谐电压互感器接地[2]。零序电压可从开口三角形引出，也可从零序电压互感器副边引出。有了零序电压互感器，副边可省去开口三角形绕组，其理由是零序电压互感器分担了一次绕组的一部分零序电压，造成开口三角形开口零序电压只占整个零序电压的少部分，其用来做保护电压的信号灵敏度不够。当采用了零序电压互感器后，副边又有开口三角形绕组，此时可短接开口，这样可对一次绕组产生去磁作用，一次绕组的零序电压几乎为零，零序电压几乎全部加到接地零序电压互感器上，如此从零序电压互感器引出的电压信号更高。此外，由于接地用零序电压互感器对一次绕组零序电压的分压，不会使电压互感器一次绕组过饱和。

目前，生产厂家供应组合式具有消谐功能的电压互感器，此种消谐方式效果不够显著，而且在手车柜中安装不够方便，其效果有待验证，因此很少有人采用该方法。

2.4 增大电压互感器铁芯截面积

增大电压互感器铁芯截面，使之外施电压大至1.9 Um/V3时，铁芯磁通尚不饱和，采用励磁饱和点高的电压互感器，在铁磁谐振时，可承受高密度磁通而不致其过热烧坏。采用此种方法效果显著，上述各35 kV开关站铁磁电压互感器熔丝熔断及烧毁事故，最终釆用的办法就是铁磁电压互感器采用非标设计，加大铁芯截面，实际上加大电压互感器容量。采用加大铁芯的电压互感器后，不再发生上述事故。由于釆用加大铁芯截面后，体积相应增大，这样安装它要求开关柜要有更多空间。

2.5 减少系统容抗

为使其不轻易发生谐振，减少系统容抗的方法可用电缆代替架空线，或在配电室母线上接入Yy接法的电容器。不过线路敷设方式由多种因素决定，大多情况下不能为了防谐振而改变敷设方式。另外，母线上除接专用补偿电容外，为消谐而专门接入电容的情况极少，这不但增加了成本，增大了安装空间，同时也降低了系统运行的可靠性。

2.6 采用电压互感器一次侧中性点不接地方式

10 kV及以下系统电压互感器一次绕组中性点可不接地，这是针对用户端变电所或开关站而言。因为系统的接地故障监视由供电部门在降压站对系统集中监视电压互感器一次侧中性点不接地，对地电流没有通路，不会产生谐振。V-V接法的电压互感器一次绕组自然不接地，自然也不会发生谐振，但此种接法应用不够普遍，只在计量及特殊场合下采用[3]。

对于太阳能电站，它的35 kV系统或10 kV系统，它不是电力系统的一部分，而是一个独立系统，要有自己的接地故障监视装置，这样母线电压互感器一次侧中性点要接地了，因此采用电压互感器一次侧中性点不接地来避免谐振是不现实的。

2.7 系统经消弧线圈接地

经消弧线圈接地，可防止系统发生单相接地后出现间歇性电弧，这样可防止不稳定接地而发生的铁磁谐振。

2.8 电压互感器一次绕组中性点经有源滤波器接地

除消除谐波，也起限流及阻尼作用，但此法代价高且占用空间大，某公司生产的JLXQ-35型有源滤波器安装于35 kV的电压互感器一次侧中性点与地之间，滤除谐振谐波，起限流与阻尼作用，达到限值涌流及防止铁磁谐振的发生，道理很简单，不论涌流还是铁磁谐振电流，都包含各次谐波，有源滤器消除这些谐波后，自然不会有铁磁谐振了，不过采用此种方式，会增加投资，并占用大的安装空间，运行实践经验也较少，因此很少釆用。

2.9 在二次侧开口三角形两端接入电阻

一般需要在开口三角形两端接入电阻R，其大小为R≤0.4(Xm/K2I3)。其中，K13为电压互感器的一次绕组与开口三角形匝数之比，Xm为电压互感器的励磁电抗。有的这开口三角形两端并联一个40～100 W的灯泡，但灯泡容量不能过大，因为灯泡容量过大，意味着电阻太小了，一旦系统发生单相接地故障，也会烧坏开口三角形绕组。

2.10 采用全绝缘电压互感器

电压互感器有全绝缘及半绝缘之分，本绝缘电压互感器一次绕组与二次绕组之间绝缘能力低，10 kV电压互感器只有3 000 V，而35 kV电压互感器只有5 000 V，而全绝缘电压互感器，二次与二次绕组间的绝缘能力与相绕组相同。半绝缘电压互感器对地接头处于电压互感器底座附近，3只单相电压互感器一次绕组连接成星形接法非常方便，两只单相电压互感器所占开关柜的空间较小。全绝缘电压互感器两只接线柱都在电压互感器上方，也即是在互感器同一侧，接线比较困难。另外，这种电压互感器在开关柜中所占空间较大，一般安装在手车柜内，如果手车柜内又有各电压互感器或避雷器，则安装更加困难[4,5]。

3 结 论

通过上述分析可以看出，太阳能和风能电站35 kV开关站最大的故障点就是铁磁式电压互感器，其故障基本相似，即保护熔断器熔断及电压互感器烧毁。产生上述故障的原因就是铁磁并联谐振。解决上述故障的方法多种多样，比较简单、有效且可行的方法就是采用加大电压互感器铁芯非标产品，另外采用全绝缘的电压互感器。为此，在工程设计阶段，电气设计人员在材料表中要注明电压互感器为加大铁芯截面的全绝缘的非标产品。至于电压互感器一次侧中性点经过消谐电阻接地问题，以及二次侧计算机消谐问题可以保留，但不能作为解决谐振的主要措施。如果有可能，采用电压互感器一次侧中性点不接地，这样就不存在谐振，也不会造成电压互感器故障了。在国家电网反事故措施中明确规定，对于10 kV及以下电压等级的用户开关站，铁磁电压互感器一次侧中性点不应接地，这样做就是防止铁磁谐振的发生，至于电压等级为35 kV的用户开关站，电压互感器中性点是否接地并没有明确。因此，在电气设计时，设计人员最好征求当地供电部门意见，电压互感器一次侧中性点能不接地就尽量不接地。