35kV及以下電壓互感器故障分析及改進措施

李曉娜 孟冠群 李豐念 姜冬雪 陳巧

【摘 要】電磁式電壓互感器作為實踐工作當中的一種重要的、基礎(chǔ)性的測量設(shè)備，在綜合性、全面的反映設(shè)備工作狀況以及電力系統(tǒng)運行基本情況之上有著巨大的價值，同時相關(guān)電磁式電壓互感器設(shè)備對于保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、全面實現(xiàn)電力保護需求等，也有著巨大的價值。本文主要對35kV及以下電壓互感器故障分析及改進措施進行了分析探討。

【關(guān)鍵詞】35KV；電壓互感器；誤差特性；故障原因

一、磁式電壓互感器介紹

1、原理與特點

電壓互感器從結(jié)構(gòu)上來說是一種容量小、體積小及大電壓比的降壓變壓器，它能將電網(wǎng)的高電轉(zhuǎn)化成低電壓，以起到方便監(jiān)測和測量的作用。其基本原理是和變壓器相同的，既由一次和二次繞組、引出線、鐵心及絕緣部件等構(gòu)成。目前，我國南方電網(wǎng)中運用的電壓互感器主要有電磁式和電容式兩種類型，電磁式電壓互感器是通過電磁感應按照一定的比例將一次電壓轉(zhuǎn)變成二次電壓且不會改變一次電壓其他電氣元件的電壓互感器。

特點：電磁式互感器是把一次繞組直接并聯(lián)在一次回路中，一次回路上的電壓決定著一次繞組上的電壓；二次繞組和一次繞組也是通過磁耦合完成無電耦合的。二次繞組多用于儀器、儀表及保護裝置，由于負載小且是恒定的，因此可將電壓互感器的一次側(cè)看做一個電壓源，幾乎不會受到二次負載的影響。在正常運行的時候，電壓互感器的二次側(cè)負載很小，處于一種開路狀態(tài)，此時的二次電壓基本上就是二次側(cè)感應電壓的動勢，取決于一次系統(tǒng)電壓。

2、分類與用途

電磁式電壓互感器有多種分類方式，根據(jù)相數(shù)的不同分為單項和三相兩種；根據(jù)絕緣介質(zhì)來分可分為干式和油式；根據(jù)繞組來分可分為雙繞組、三繞組和四繞組三種，在運行當中，按其承受電壓的不同，又可分為半絕緣式與全絕緣式電壓互感器等。

用途：可與電氣儀表、繼電保護和自動裝置配合測量高電壓回路的電壓參數(shù)，起到隔離高壓，保證人員與設(shè)備的安全的作用；互感器二次側(cè)統(tǒng)一的取量，有利于二次設(shè)備標準化。另外，電磁式電壓互感器是我國電網(wǎng)中最主要的電壓互感器，是電力輸送方面的重要設(shè)備，一方面便于監(jiān)測電網(wǎng)的運行狀態(tài)；另一方面也可以為續(xù)電保護的正確操作提供參考量。

二、電磁式電壓互感器誤差特性惡化的原因

通常情況下，額定容量不足、實際功率因數(shù)低、諧波、過電壓、熱作用等是引起TV誤差特性惡化的主要原因。

1、額定容量不足

在繞組時，在TV中由于存在直流電阻和漏電抗，壓降因負載連接而出現(xiàn)，隨著負載的變化二次電壓也發(fā)生相應的變化，TV誤差也隨之出現(xiàn)很大的變化。根據(jù)相關(guān)的規(guī)定，在選擇TV二次額定容量Sn過程中，控制實際二次容量S，使之在（1/4）Sn≤S≤Sn，通常情況下根據(jù)下列公式計算TV實際的二次容量：

S=[（∑Skcosφk）2+（∑Sksinφk）2]1/2=[（∑Pk）2+（∑Qk）2]1/2，

其中：cosφk和Sk分別為接在TV二次側(cè)的各設(shè)備的功率因數(shù)和視在功率。在選擇TV額定容量的過程中，其容量出現(xiàn)不足的原因包括先天不足和后天性形成兩方面。

先天不足：

1.1設(shè)計人員由于缺乏計量專業(yè)知識，在選取額定容量的過程中，經(jīng)常透露出認識方面的不足；

1.2工作人員自身能力存在不足，對電壓回路參數(shù)和結(jié)構(gòu)不熟悉、不清楚，在工作過程中，遇到相應的問題又不愿意去查詢使用手冊，在一定程度上造成計算錯誤；

1.3工作人員工作時，粗心馬虎，對計量工作缺乏必要的重視，對于系統(tǒng)中接入的設(shè)備數(shù)量更是不清楚，計算時沒有將后備線路歸入計算范圍；

1.4在選擇TV的過程中，工作人員為了節(jié)省成本，貪圖便宜，導致投入使用的TV額定容量小。

后天形成：

工作人員在安裝計量設(shè)備時，雖然額定容量的TV已經(jīng)確定，但是為了后期的工作，為了檢測和管理的需要，在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)中又接入了用于遙測的電壓變送器、功率變送器，電壓監(jiān)測儀等設(shè)備，在運行多年的變電所中這種想象最容易發(fā)生。更為嚴重的是，還要通過TV來給這些設(shè)備中的部分設(shè)備進行供電。另外，因用電形勢的不斷增加，在短時間內(nèi)系統(tǒng)中增加新的線路和許多TV回路設(shè)備。在系統(tǒng)中，隨著設(shè)備的不斷接入，TV二次回路的實際總?cè)萘吭谝欢ǔ潭壬铣鲎畛踹x定的額定容量。

2、TV的實際功率因數(shù)比較低

電壓線圈功率因數(shù)大小方面，對于感應式三相電能表來說其值為0.2～0.3。然而在電子式電能表中，由于通過小型的TV作隔離和采樣，進一步處理電壓回路，所以功率因數(shù)一般在0.3～0.5。另外，在系統(tǒng)中由于感性負載的接入，在整個電壓二次回路中，電子式電能表的功率因數(shù)通常為0.3左右。當前，電磁式TV在電力系統(tǒng)中得到廣泛使用，其功率因數(shù)通常會為0.8。

3、諧波

在電力網(wǎng)中，由于在系統(tǒng)中接入了大容量用電整流設(shè)備、換流設(shè)備，以及一些非線性負荷等，進而在一定程度上導致在系統(tǒng)中出現(xiàn)諧波。在電壓等級為中、低檔的系統(tǒng)中，電磁感應式TV得到廣泛使用。電磁感應式TV在運行的過程中，由于原、副邊存在漏阻抗和電容，以及副邊負載存在附加誤差等，在滿足高次諧波條件時，當TV鐵芯出現(xiàn)不飽和現(xiàn)象，或者一次繞組的漏抗較小時，在一定程度上將會導致誤差特性繼續(xù)惡化。TV誤差隨正弦波畸變率的增大而非線性地增加，與此同時，偶次諧波對TV誤差的影響程度遠遠超過奇次諧波對TV誤差的影響程度。如果TV運行在諧波環(huán)境中，其誤差特性通過采用接線形式的方式是無法降低的。通過對諧波進行多年的測試，對比檢測結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)：在電力系統(tǒng)中注入的諧波，電壓畸變程度與該點的短路容量、運行方式符合數(shù)學的反比關(guān)系。

4、電力系統(tǒng)過電壓

電力系統(tǒng)中存在的形式各異的電感元件（變壓器、TV、發(fā)電機、消弧線圈等）與各式的電容（對地、相間電容，補償用的串、并聯(lián)電容，高壓設(shè)備的寄生電容等），有可能形成振蕩回路，在滿足一定條件便會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，形成諧振過電壓。通常情況下，諧振過電壓產(chǎn)生的原因主要包括：一方面操作或發(fā)生故障產(chǎn)生過電壓，另一方面諧振條件被破壞時也容易產(chǎn)生過電壓。另外，在中性點不接地系統(tǒng)中，系統(tǒng)處于輸電線路出現(xiàn)折斷、斷路器非全相操作、熔斷器熔斷一相等非全相運行狀態(tài)下，這時以容易產(chǎn)生諧振過電壓。在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)單相接地故障，造成非故障相的電壓升高，在一定程度上可能會超出線電壓三角形之外，進而發(fā)生中性點位移或者不穩(wěn)定的現(xiàn)象。在系統(tǒng)中，當熄滅單相接地電弧后，中性點的不穩(wěn)定電壓被TV的鐵芯飽激發(fā)起。當條件具備的情況下，上述現(xiàn)象均可能造成TV嚴重超差。對于中性點不接地系統(tǒng)，出現(xiàn)單相短路接地時，那么帶著故障運行的時間會超過兩小時，在一定程度上會造成TV超差，過熱嚴重時會損壞設(shè)備。

5、熱作用

如果熱作用的影響時間過長，在一定程度上降低TV鐵芯的磁導率，進一步惡化誤差特性。如果TV的運行時間超過5年，通常情況下鐵芯的各種損耗都是通過熱能的形式揮發(fā)。如果熱作用的影響時間過長，鐵芯的磁導率進一步降低，出現(xiàn)誤差偏負，甚至超差現(xiàn)象的發(fā)生。

三、現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)對比

下面來看看一組現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，被試設(shè)備為：

型號：JDX6-35型（J—電壓互感器、D—單相、X—帶剩余電壓繞組、6—設(shè)計序號、35—指電壓等級，kV）廠家：大連第一互感器有限責任公司

出廠日期：1994年10月；編號：94J05123-2

根據(jù)廠家說明書：該型電壓互感器為單相三繞組、戶外用油浸式全密封型電壓互感器，適用于中性點不接地的35kV，額定頻率為50Hz的交流電力系統(tǒng)中做電壓、電能測量及繼電保護之用。鐵芯由條形硅鋼片疊層，為三柱芯式，在中柱上套有繞組，分三個線圈（一次、二次及剩余電壓），剩余電壓線圈繞在絕緣紙筒上，外包紙板后，繞二次線圈，再外包絕緣紙板，最外面為一次線圈。一次繞組A端出線為全絕緣，X端接地。器身固定在下油箱上。在上油箱上裝有一次瓷套、接線盒、銘牌及供吊起互感器的四個吊拌。在瓷套頂端裝有儲油柜。下油箱下部裝有油樣活門，支座上有接地螺栓，為全密封結(jié)構(gòu)，能有效地防止油老化。

因為針對末端屏蔽法不適用于現(xiàn)場測試，自激法誤差太大易受干擾。故試驗中只將常規(guī)法及末端加壓法進行對比?，F(xiàn)場測試證實該PT絕緣存在嚴重缺陷，將其拆下后進行較詳細試驗，數(shù)據(jù)如下表1所示：

測得微水：48.7mg/L，絕緣強度：21kV。

最后對該PT進行解體，發(fā)現(xiàn)在一次端子拆掉上蓋后，發(fā)現(xiàn)在儲油柜內(nèi)有大量油泥及水分；在一次繞組上包扎的白布帶上亦發(fā)現(xiàn)一些油泥；在最外層的絕緣紙板上發(fā)現(xiàn)大量樹枝狀放電痕。

綜上所述，對于電磁式半絕緣電壓互感器的非串級式種類，使用末端加壓法對其受潮情況反映并不靈敏。而常規(guī)法可較正確反映其受潮情況。于現(xiàn)場試驗中，常規(guī)法更適用于此類PT的介質(zhì)損及電容量測試。對于電磁式半絕緣電壓互感器中的串級式種類，顯然末端加壓法因為不需將底座對地絕緣而更適合現(xiàn)場操作。其中末端加壓法12更是應該于現(xiàn)場提倡。

結(jié)束語

在實踐應用過程中，針對電磁式電壓互感器受到原材料、制造工藝和過電壓等因素的影響出現(xiàn)的各種故障問題，采取有效預防措施，可以有效提高電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和安全性，對于提高電力輸送過程的可靠性具有重要意義。

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