35 kV及以下電壓互感器熔絲熔斷原因分析及對(duì)策

趙海林

(揚(yáng)中市供電公司，江蘇揚(yáng)中212200)

電壓互感器是變電站電壓測(cè)量、計(jì)量及繼電保護(hù)的重要設(shè)備，其在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生高壓側(cè)熔絲熔斷故障，對(duì)計(jì)量、繼電保護(hù)等帶來(lái)不良后果，因此對(duì)電磁式電壓互感器熔絲熔斷故障的研究具有非常重要的意義，合理有效處理該故障可以減小事故的危害，保證電網(wǎng)、設(shè)備的安全運(yùn)行，減小損失。文中主要分析了發(fā)生此類(lèi)故障的原因，提出了相應(yīng)的措施，為現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題提供參考。

1電磁式電壓互感器熔絲熔斷原因分析

造成電壓互感器熔絲熔斷的主要原因有：鐵磁諧振過(guò)電壓、低頻飽和電流、電壓互感器一、二次絕緣降低或消諧器絕緣下降、電壓互感器X端絕緣水平與消諧器不匹配以及雷雨天氣等。

1.1鐵磁諧振過(guò)電壓的影響

非線性負(fù)荷使得電壓波形嚴(yán)重畸變，這是造成鐵磁諧振的主要因素。在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，正常運(yùn)行時(shí)，由于三相對(duì)稱(chēng)，電壓互感器的勵(lì)磁阻抗大于系統(tǒng)對(duì)地電容，兩者并聯(lián)后為一等值電容，系統(tǒng)對(duì)地阻抗呈現(xiàn)容性，中性點(diǎn)的位移基本接近0。當(dāng)線路瞬時(shí)接地時(shí)，健全相電壓突然上升，產(chǎn)生涌流；給電壓互感器送電時(shí)，其一相或兩相繞組內(nèi)出現(xiàn)巨大的涌流。系統(tǒng)的某些干擾可使電壓互感器鐵芯出現(xiàn)不同程度的飽和，中性點(diǎn)就有較大的位移，位移電壓可以是工頻，也可以是諧波頻率（分頻、高頻），飽和后的電壓互感器勵(lì)磁電感變小，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)地阻抗趨于感性，此時(shí)若系統(tǒng)的對(duì)地電感與對(duì)地電容相匹配，就形成三相或單相共振回路，可激發(fā)各種鐵磁諧振過(guò)電壓。工頻和高頻鐵磁諧振過(guò)電壓的幅值一般較高，可達(dá)額定值的3倍以上，起始暫態(tài)過(guò)程中的電壓幅值可能更高，危及電氣設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)。工頻諧振過(guò)電壓可導(dǎo)致三相對(duì)地電壓同時(shí)升高，或引起“虛接地”現(xiàn)象[1]。高頻鐵磁諧振可導(dǎo)致相電壓低頻擺動(dòng)，勵(lì)磁感抗成倍下降，過(guò)電壓并不高，一般在2倍額定值以下，但感抗下降會(huì)使勵(lì)磁回路嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流急劇加大，電流大大超過(guò)額定值，使電壓互感器一次側(cè)熔絲過(guò)熱燒毀。

1.2低頻飽和電流的影響

發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于電壓互感器的勵(lì)磁阻抗很大，其中流過(guò)的電流很小，一旦接地故障消失，電流通路則被切斷，而非接地相必須由線電壓瞬間恢復(fù)到正常相電壓水平。但是，由于接地故障已斷開(kāi)，非接地相在接地期間已經(jīng)充電至線電壓下的電荷，只有通過(guò)高壓繞組經(jīng)其原來(lái)接地的中性點(diǎn)進(jìn)入大地。這一瞬變過(guò)程中，高壓繞組中將會(huì)流過(guò)一個(gè)幅值很高的低頻飽和電流，使鐵芯嚴(yán)重飽和。當(dāng)對(duì)地電容較大、間歇性弧光接地或接地消失時(shí)，健全相對(duì)地電容中貯存的電荷將重新分配，它將通過(guò)中性點(diǎn)接地的互感器一次繞組形成放電回路，構(gòu)成低頻振蕩電壓分量，促使鐵芯處于飽和狀態(tài)，形成低頻飽和電流。其在單相接地消失后1/4～1/2工頻周期內(nèi)出現(xiàn)，電流幅值可遠(yuǎn)大于分頻諧振電流（分頻諧振電流約為額定勵(lì)磁電流的百倍以上），頻率約2～5 Hz[2]。因?yàn)楫a(chǎn)生分次諧波諧振時(shí)，盡管過(guò)電壓不太高，但因諧振頻率低，引起鐵芯嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流迅速增大，燒毀電壓互感器。由于具有幅值高、作用時(shí)間短的特點(diǎn)，在單相接地消失后的半個(gè)周期即可熔斷熔絲。實(shí)際上，由于接地電弧熄滅的時(shí)刻不同，即初始相位角不同，故障的切除不一定都在非接地相電壓達(dá)到最大值這一嚴(yán)重情況下發(fā)生。因此，不一定每次單相接地故障消失時(shí)，都會(huì)在高壓繞組中產(chǎn)生大的涌流。而且低頻飽和電流的大小還與電壓互感器伏安特性有很大關(guān)系，鐵芯越容易飽和，該飽和電流就越大，高壓熔絲就越易熔斷。

1.3 電壓互感器一、二次絕緣降低或消諧器絕緣下降

中性點(diǎn)裝有消諧器的電壓互感器正常運(yùn)行時(shí)，輔助繞組短路后的高壓繞組中最大電流一般不超過(guò)10 mA，輔助繞組中最大電流為1 mA。單相接地時(shí)，輔助繞組開(kāi)口兩端短路，則三相高壓繞組中電流都增大到170～180 mA（接有消諧器）及400～415 mA（未接消諧器），輔助繞組中電流增大到30 mA（接消諧器）及75～80 mA（未接消諧器），通過(guò)消諧器的電流也高達(dá)520 mA，此時(shí)電壓互感器負(fù)載達(dá)到每臺(tái)1 000 V·A及2 400 V·A，而通常10 kV電壓互感器最大熱極限負(fù)荷僅為300～400 V·A[3]。由于互感器的保護(hù)熔絲為0.5 A，雖然高壓繞組中電流達(dá)到0.2～0.4 A，仍低于高壓保護(hù)熔絲的熔斷電流0.5 A，而輔助繞組回路中又沒(méi)有熔絲保護(hù)。因此高低壓繞組只有任其加熱，當(dāng)接地持續(xù)一段時(shí)間后，高、低壓繞組的絕緣層逐漸燒損，以至短路，電流增大。有的將主絕緣燒穿，造成相間短路，致使高壓熔絲三相熔斷 （揚(yáng)中市供電公司有2座35 kV變電所的壓變就因此原因而燒毀）。消諧器絕緣下降相當(dāng)于壓變的中性點(diǎn)直接接地，起不到消諧的作用。

1.4電壓互感器X端絕緣水平與消諧器不匹配

互感器的X端絕緣通常有全絕緣和半絕緣2種，全絕緣（JDZJ型）的電壓互感器X端耐受電壓與首端相同，半絕緣（JCZX型）的電壓互感器X端工頻耐受電壓為3 kV。對(duì)X端為半絕緣的中性點(diǎn)消諧器的選擇，必須能在電網(wǎng)正常運(yùn)行和受到大的干擾后，均使X端電壓限制在其絕緣允許范圍內(nèi)，否則X端子就有可能對(duì)地放電，造成一次繞組電流增大，熔絲熔斷。

1.5雷雨天氣的影響

10～35 kV架空線路，在雷云電荷的作用下，三相導(dǎo)線都感應(yīng)相同數(shù)量的束縛電荷。當(dāng)雷云放電時(shí)，三相導(dǎo)線上的束縛電荷向線路兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，對(duì)變電站形成侵入波。該侵入波的電壓并不高，因?yàn)楦邏喝劢z熔斷時(shí)避雷器并未動(dòng)作。熔絲熔斷是發(fā)熱的結(jié)果，電流發(fā)熱的功為P=I2Rt，電流的幅值I是最為重要的因素，還與熔絲電阻R及電流的持續(xù)時(shí)間t有關(guān)。只有電流的幅值高且持續(xù)時(shí)間又長(zhǎng)的侵入波，才會(huì)使高壓熔絲熔斷，而大部分侵入波都不同時(shí)具備此2種條件。故大多數(shù)雷暴天氣，雷擊引起高壓熔絲熔斷仍是個(gè)小概率事件。

2防止熔絲熔斷對(duì)策

采用高容量的消諧器，使用低磁密、高飽和、全工況類(lèi)的電壓互感器以及增大熔斷器的容量可以防止該類(lèi)故障的發(fā)生。但安裝消諧器后，電壓互感器開(kāi)口三角電壓升高較多，有的高達(dá)10～15 V。這是因?yàn)橄C器安裝在中性點(diǎn)與地之間，消諧器上的電壓是由互感器的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的，而消諧器上的電壓是作用于三相電壓互感器的零序回路[4]。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，作如下分析。

（1）三相電壓互感器本身的伏安特性不一致，導(dǎo)致三相勵(lì)磁電流中的基波向量和不為0，此時(shí)消諧器上則有一定的基波電壓，且該電壓無(wú)法消除，若三相電壓互感器本身的伏安特性相差過(guò)大時(shí)，就會(huì)造成開(kāi)口三角電壓升高很多，但是這種情況比較少。

（2）串接消諧器后，由于電壓互感器本身的勵(lì)磁特性，導(dǎo)致消諧器上產(chǎn)生一定的三相諧波電壓，當(dāng)勵(lì)磁特性正常時(shí)，產(chǎn)生的開(kāi)口三角電壓一般可以接受，勵(lì)磁特性較差時(shí)，開(kāi)口三角電壓過(guò)高，甚至有可能達(dá)到不能接受的程度。

（3）由于在零序電壓回路串聯(lián)消諧器，使鐵磁諧振過(guò)電壓的大部分電壓降落在消諧器上，從而避免了鐵芯飽和，限制了鐵磁諧振過(guò)電壓的發(fā)生。正常運(yùn)行時(shí)此消諧器電阻值大于450 kΩ （取0.3 mA峰值零序電流試驗(yàn)），單相接地時(shí)電阻值大于180 kΩ（取3 mA峰值零序電流試驗(yàn)），為的是抑制低頻飽和電流[4]。

解決鐵磁諧振的措施有：選用勵(lì)磁特性較好的電壓互感器或使用電容式電壓互感器；增大對(duì)地電容，破壞諧振條件；在中性點(diǎn)或開(kāi)口三角繞組處加裝消諧器。

2008年，35 kV長(zhǎng)旺變電站系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障，持續(xù)時(shí)間為20 min。一DTSD341電能表燒毀，電壓互感器中性點(diǎn)與地之間電壓為1 200 V，電壓表指示一相近似為0，其他兩相超出電壓表量限，初步斷定電壓互感器高壓側(cè)熔絲有一相熔斷或匝間短路。經(jīng)試驗(yàn)，電壓互感器正常，高壓側(cè)C相熔絲熔斷，更換熔絲和電能表后，恢復(fù)正常。造成此次事故的原因是一條10 kV線路的C相一瓷瓶擊穿，出現(xiàn)間歇性弧光接地。這是一個(gè)由于間歇性弧光接地所引起的鐵磁諧振過(guò)電壓，而導(dǎo)致電壓互感器熔絲熔斷的典型案例。后來(lái)在檢修中，在一次側(cè)更換成LXQII型高容量的消諧器，并在保護(hù)屏上進(jìn)行微機(jī)二次消諧。至今，雖然線路偶有單相接地發(fā)生，但再也沒(méi)有發(fā)生過(guò)熔絲熔斷的故障。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，熔絲熔斷的主要原因是由諧振引起的。在技術(shù)上可以通過(guò)改變系統(tǒng)參數(shù)消除諧振，如：增大電容，減少容抗或改良電磁式電壓互感器的伏安特性，使容抗和感抗之比小于0.01，使系統(tǒng)處于一個(gè)較合理的參數(shù)范圍之內(nèi)。實(shí)際運(yùn)行中采取在電壓互感器的一、二次側(cè)同時(shí)加裝阻尼安裝高容量消諧器等措施，使諧振有效地消除。

[1]張緯鈸.過(guò)電壓防護(hù)及絕緣配合[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[2]陳 珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].第2版.北京：中國(guó)電力出版社，2000.

[3]DLT620—1997，交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合[S].

[4]岳健民.6～35 kV壓變中性點(diǎn)用消諧器的性能分析[C].全國(guó)過(guò)電壓學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，1997.