電壓互感器原理與故障分析

劉凡遠(yuǎn)

（湖南省電力公司衡陽電業(yè)局，湖南 衡陽 421236）

1 電壓互感器的分類

按原理分為電磁感應(yīng)式和電容分壓式兩類。電磁感應(yīng)式多用于220kV及以下各種電壓等級(jí)。電容分壓式一般用于、110kV以上的電力系統(tǒng)，特別是超高壓電力系統(tǒng)應(yīng)用較多。電壓互感器為測(cè)量用和保護(hù)用兩類。對(duì)前者的主要技術(shù)要求是保證必要的準(zhǔn)確度；對(duì)后者可能有某些特殊要求，如要求有第三個(gè)繞組，鐵心中有零序磁通等。

2 電磁感應(yīng)式電壓互感器

電磁式的全稱為電磁感應(yīng)式電壓互感器。電磁感應(yīng)式電壓互感器：其工作原理與變壓器相同，基本結(jié)構(gòu)也是鐵心和原、副繞組。特點(diǎn)是容量很小且比較恒定，正常運(yùn)行時(shí)接近于空載狀態(tài)。電壓互感器本身的阻抗很小，一旦副邊發(fā)生短路，電流將急劇增長(zhǎng)而燒毀線圈。為此，電壓互感器的原邊接有熔斷器，副邊可靠接地，以免原、副邊絕緣損毀時(shí)，副邊出現(xiàn)對(duì)地高電位而造成人身和設(shè)備事故。測(cè)量用電壓互感器一般都做成單相雙線圈結(jié)構(gòu)，其原邊電壓為被測(cè)電壓（如電力系統(tǒng)的線電壓），可以單相使用，也可以用兩臺(tái)接成V-V形作三相使用。實(shí)驗(yàn)用的電壓互感器往往是原邊多抽頭的，以適應(yīng)測(cè)量不同電壓的需要。供保護(hù)接地用電壓互感器還帶有一個(gè)第三線圈，稱三線圈電壓互感器。三相的第三線圈接成開口三角形，開口三角形的兩引出端與接地保護(hù)繼電器的電壓線圈聯(lián)接。正常運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)的三相電壓對(duì)稱，第三線圈上的三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和為零。一旦發(fā)生單相接地時(shí)，中性點(diǎn)出現(xiàn)位移，開口三角的端子間就會(huì)出現(xiàn)零序電壓使繼電器動(dòng)作，從而對(duì)電力電網(wǎng)及電力設(shè)備起保護(hù)作用。線圈出現(xiàn)零序電壓則相應(yīng)的鐵心中就會(huì)出現(xiàn)零序磁通。電磁感應(yīng)式電壓互感器的等值電路與變壓器的等值電路相同。

3 電容分壓式電壓互感器

電容分壓式電壓互感器：在電容分壓器的基礎(chǔ)上制成。其原理接線見圖1。

圖1 電容互感器原理圖

電容C1和C2串聯(lián)，U1為原邊電壓，為C2上的電壓?？蛰d時(shí)，電容C2上的電壓為：由于C1和C2均為常數(shù)，因此正比于原邊電壓。但實(shí)際上，當(dāng)負(fù)載并聯(lián)于電容C2兩端時(shí)，將大大減小，以致誤差增大而無法作電壓互感器使用。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在電容C2兩端并聯(lián)一帶電抗的電磁式電壓互感器T，組成電容分壓式電壓互感器。電抗可補(bǔ)償電容器的內(nèi)阻抗。T有兩個(gè)副繞組，第一副繞組可接補(bǔ)償電容Uan供測(cè)量?jī)x表使用；第二副繞組可接阻尼電阻Z，用以防止諧振引起的過電壓。

電容式電壓互感器多與電力系統(tǒng)載波通信的耦合電容器合用，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低造價(jià)。此時(shí)，它還需滿足通信運(yùn)行上的要求。 電容式電壓互感器用英文字母簡(jiǎn)稱為CVT。110kV電壓等級(jí)只用一節(jié)電容，220kV電壓等級(jí)用兩節(jié)電容，500kV電壓等級(jí)用三節(jié)電容。

4 電壓互感器常規(guī)檢查及常見故障

電壓互感器是電力系統(tǒng)運(yùn)行中重要設(shè)備組成，是交流電路中一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)間聯(lián)絡(luò)元件，用于傳遞信息供給測(cè)量?jī)x器、儀表和保護(hù)、控制裝置、計(jì)量等用，它屬于特種變壓器國(guó)標(biāo)DL408－91《電業(yè)安全工作規(guī)程》第十章“繼電保護(hù)、儀表等二次回路上的工作要求”中強(qiáng)調(diào)“嚴(yán)格防止帶電電壓互感器二次回路短路或接地”。

（1）常規(guī)檢查，如果是短路故障，可通過巡視，從以下幾種現(xiàn)象進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)缺陷:①所接表計(jì)指示不正常、保護(hù)裝置誤動(dòng)作.②電壓互感器燒壞、二次繞組燒壞。③電壓互感器運(yùn)行中，本體有較大的不均勻噪聲。④電壓互感器運(yùn)行時(shí)，本體有較高的溫升，有異味。

（2）常見故障原因，引起電壓互感器二次回路短路故障原因較多，下面簡(jiǎn)述幾種常見的原因：①回路中聯(lián)結(jié)電纜短路。②二次回路導(dǎo)線受潮、腐蝕及損傷而發(fā)生一相接地，又發(fā)展成二相接地短路。③內(nèi)部存在有金屬短路缺陷，造成二次回路短路。④戶外端子箱嚴(yán)重受潮，端子聯(lián)結(jié)處產(chǎn)生銹蝕。⑤電壓互感器接線中的隱患。⑥在預(yù)試、檢修過程中遺忘接線。

4.1 保護(hù)電壓互感器良好運(yùn)行的措施.

（1）二次熔斷器（快分開關(guān)）是保證電壓互感器安全運(yùn)行的可靠措施，并有熔斷器熔斷信號(hào)。

（2）為避免開口三角繞組兩端在電壓不平衡的情況下，長(zhǎng)時(shí)間存在較高的電壓，在開口三角繞組兩端加并聯(lián)電阻或消諧裝置，使零序電流有了通路，同時(shí)抑制了諧振。

（3）在絕緣裝置回路中，要求裝置能反應(yīng)電網(wǎng)系統(tǒng)的接地故障，電壓互感器高壓側(cè)采取星型接線，中心點(diǎn)必須接地，同時(shí)電壓互感器低壓側(cè)兩繞組必須有一點(diǎn)接地。

（4）在10KV以下的配電系統(tǒng)中，電源側(cè)中性點(diǎn)是不接地的，電壓互感器的中性點(diǎn)是接地。由于系統(tǒng)操作、斷路器合閘不同期、系統(tǒng)單相接地等原因，常常會(huì)出現(xiàn)過電壓，引起電壓互感器高壓側(cè)高壓熔斷器熔斷、冒煙、燒毀等，要選用伏安特性好的互感器，或在中性點(diǎn)加裝消弧線圈及控制器。

（5）對(duì)電容式電壓互感器，有一個(gè)末屏點(diǎn)，也就是非極性端。在運(yùn)行中末屏點(diǎn)有兩種運(yùn)行方式：一種是末屏直接接地，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓、雷擊、振蕩，可以有效防止過電壓燒毀設(shè)備。一種是末屏不直接接地，必須在末屏裝設(shè)擊穿間隙，這樣當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓時(shí)通過間隙擊穿放電釋放能量。

（6）電壓互感器在使用中相位關(guān)系很重要，這就要求接線極性正確，一旦極性錯(cuò)誤，相位就相差180°，一般一次及二次都會(huì)標(biāo)出極性。

（7）加強(qiáng)電壓互感器在線診斷，如對(duì)運(yùn)行的電壓互感器進(jìn)行紅線測(cè)溫，本組互感器如比同樣條件的互感器溫度高出4度以上，電壓互感器二次輸出無電壓，是電壓互感器內(nèi)部故障，需要停電對(duì)其進(jìn)行檢查。

4.2 電壓互感器的故障處理

（1）電壓互感器的二次熔斷器熔斷（或快速開關(guān)斷開），常見的現(xiàn)象有：會(huì)發(fā)“交流電壓斷線”信號(hào)；電壓、有功、無功下降或置零；絕緣接地裝置電壓下降或置零；低壓保護(hù)可能誤動(dòng)。

處理方法：判斷發(fā)生故障設(shè)備，退出相關(guān)的保護(hù)，然后故障相，分別測(cè)量熔斷器上下端的相電壓是否正確（100V），如果上端有，下端無，則可判斷某相熔斷器熔斷，更換熔斷器。如果上端沒有100V，則對(duì)輔助開關(guān)的接點(diǎn)接觸進(jìn)行檢查，輔助接點(diǎn)接觸不良則進(jìn)行處理。如果輔助開關(guān)是好的，可能是高壓熔斷器熔斷或電壓互感器一次設(shè)備問題。

（2）電壓互感器一次熔斷器熔斷。常見的現(xiàn)象有：會(huì)發(fā)“交流電壓斷線”信號(hào)；電壓、有功、無功下降或置零；絕緣接地裝置電壓下降或置零；低壓保護(hù)可能誤動(dòng)。一次側(cè)一相熔斷，在二次開口處有33V電壓，絕緣接地裝置的整定電壓為30V,這樣會(huì)發(fā)“接地信號(hào)”。①單相接地故障時(shí)，正常相對(duì)地電壓升高，故障相對(duì)地電壓降低（完全接地時(shí)為0）。②電壓互感器高壓熔絲單相熔斷時(shí)，熔斷相對(duì)地電壓降低，但一般不為0，還會(huì)有感應(yīng)電壓。因單相熔斷時(shí)，加在互感器上的一次電壓少了一相，另兩相為正常電壓，其相量差120°，所以會(huì)在互感器開口三角兩段出現(xiàn)3倍于正常電壓的零序電壓，此時(shí)也可能報(bào)出接地信號(hào)（絕緣監(jiān)察繼電器整定值一般為30V左右）。

處理方法：更換一次熔斷器。

5 220kV TV異常分析兩例

例1、2011年2月22日，某電業(yè)局運(yùn)行人員在變電站開展紅外普測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)某220kV線路A相同期TV的溫度較其他線路TV高約10℃。發(fā)熱部位為線路TV底座電磁單元部分，發(fā)熱點(diǎn)最高溫度為27.6℃，對(duì)比相鄰A相線路TV只有17.2℃，溫差有10.4℃。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量該TV的二次電壓輸出子箱A609與N600端子發(fā)現(xiàn)，該TV二次電壓只有3.6V，正常應(yīng)為59V。初步判斷該線路TV可能存在內(nèi)部故障造成放電而導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱。

圖2 拆下來的電磁單元解體

在專家的指導(dǎo)下，對(duì)該TV進(jìn)行了診斷試驗(yàn)及解體。通過解體發(fā)現(xiàn)，該線路TV下節(jié)分壓器與電磁單元連接處密封圈因安裝工藝不佳損壞，造成大量雨水侵入，箱體內(nèi)絕緣油呈油水混合物狀，在把油水混合物排放干凈后，發(fā)現(xiàn)箱體內(nèi)部及高壓尾端的法蘭盤底部有明顯銹跡，箱體內(nèi)電磁單元上有大量油泥附著，電磁單元線圈有放電燒黑痕跡。

例2、2011年1月14日，某220kV變電站監(jiān)控反映其二次側(cè)電壓不平衡，此時(shí)220kVI母、II母并聯(lián)運(yùn)行，母差保護(hù)屏顯示的I、II段母線二次電壓如表1所示。

表1 220kVI、II母TV母差保護(hù)屏顯示二次側(cè)電壓

初步判斷為220kVI段母線電壓互感器A相故障造成I母三相電壓不平衡。組織技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該電壓互感器進(jìn)行診斷性試驗(yàn)，查找異常原因。檢修人員測(cè)量A相電壓互感器供計(jì)量與保護(hù)用的二次電壓同時(shí)降低，且降低幅度相同，因互感器計(jì)量與保護(hù)二次繞組同時(shí)發(fā)生相同匝數(shù)的匝間短路的概率極低，所以可以基本排除二次繞組匝間短路造成電壓降低的情況。

隨后，技術(shù)人員采用正接法將A相TV分為上下兩節(jié)進(jìn)行了電容量的測(cè)量，與2006年進(jìn)行的預(yù)防性試驗(yàn)進(jìn)行比較，電容量無明顯變化，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 A相電壓互感器上、下電容器電容量測(cè)試結(jié)果

為了進(jìn)一步查找原因，技術(shù)人員采用CVT自激法對(duì)下節(jié)分壓電容器的C12和C2兩個(gè)分壓電容進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)得了兩個(gè)分壓電容的電容量，并與出廠值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)C2的電容量有明顯變化，增幅達(dá)4.01%，如表3所示。

表3 采用自激法測(cè)得C12、C2電容量

由廠家資料得知，C2由25個(gè)類似的電容單元串聯(lián)而成，如其中一個(gè)電容單元被擊穿，C2電容量的增幅應(yīng)為4%，與測(cè)試所得結(jié)果相符。

由C11、C12和C2的電容量初值可算出在正常狀態(tài)下C2兩端的電壓應(yīng)為電壓互感器承受總電壓的15.8%；當(dāng)C2的電容量發(fā)生變化后，C2兩端的電壓變?yōu)榭傠妷旱?5.4%；在中間變壓器不發(fā)生故障的情況下，C2兩端電壓的變化量應(yīng)與二次電壓的變化量相符，計(jì)算可知15.4%/15.8%=0.975，而57.9/59.4=0.975，兩者的變化量完全吻合。所以C2電容量增大后所導(dǎo)致的結(jié)果與A相TV二次電壓偏低的現(xiàn)狀相符，從而也旁證了A相電壓偏低的原因應(yīng)為C2串聯(lián)的25個(gè)電容單元其中一個(gè)發(fā)生擊穿。

通過上述兩例分析，加強(qiáng)運(yùn)行的TV在線診斷及監(jiān)視十分必要，發(fā)現(xiàn)TV異?，F(xiàn)象，立即進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)故障，進(jìn)行檢修，可以減少電網(wǎng)及設(shè)備事故，確保電網(wǎng)安全運(yùn)行。