鄭西高鐵10kV電壓互感器故障探討

張 明

（鄭州局集團(tuán)公司洛陽供電段，高級技師 河南 洛陽 471OOO）

鄭西高鐵某配電所采用ABB公司生產(chǎn)的10kV SF6氣體絕緣開關(guān)柜（GIS柜），10kV進(jìn)線采用小電流接地系統(tǒng)，設(shè)置電壓互感器二次開口三角處接入消諧電阻接線，近幾年頻繁出現(xiàn)電壓互感器燒毀事故。其中2016年12月20日9∶45該所電源零序電壓報警，并伴有電壓互感器發(fā)出異常糊味。其裝置采集的電壓：Ua、Ub、Uc、3U0分別為8.51kV、16.20kV、10.19kV、31.6kV、，其原因?yàn)槭鹿蕰r天氣不好，造成線路供電局單相間隙性接地引起。

1 電壓互感器PT接線的不足

鄭西高鐵某配電所10kV進(jìn)線采用小電流接地系統(tǒng)，其進(jìn)線上安裝的電壓互感器采用Y./Y./開口三角形接線，并在開口三角形處接入消諧電阻，其接線如圖1所示。

圖1 配電所壓互感器接線

1.1 消除諧振原理圖1中在電壓互感器的開口三角繞組兩端加裝電阻R消除諧振的方法又稱為二次消諧,其二次消諧的原理為當(dāng)發(fā)生鐵磁諧振時，開口繞組兩端的零序電壓將在消諧電阻上產(chǎn)生零序電流，電流對高壓繞組有去磁作用，可以避免互感器鐵心飽和，從而可以有效地抑制諧振。

1.2 二次消諧不足的原因在實(shí)際運(yùn)行中由于配電網(wǎng)的進(jìn)線的復(fù)雜多變，在架空線和電纜及其進(jìn)線路數(shù)不確定的情況下，很難從系統(tǒng)參數(shù)上防范鐵磁諧振的發(fā)生，其實(shí)際情況是，采取的防范措施多是發(fā)生諧振之中采取的防范措施，根據(jù)相關(guān)資料，鐵磁諧振對系統(tǒng)參數(shù)極其敏感。其諧振按照諧振頻率的不同，電磁諧振分為分頻、基頻、高頻諧振，而我們采取的防范措施通常對一種頻率的諧振是有效的，而對另一種的頻率諧振可能無作用。

1.3 電壓互感器PT接線效果有局限性根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)10kv及以下的電壓等級，在電壓互感器開口繞組加裝電阻R的二次消諧，在電壓互感器電磁特性較好的情況下對抑制鐵磁諧振過電壓時比較有效；但電壓互感器的勵磁特性比較差或系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)擾動的配電網(wǎng)，在單相接地故障瞬間消除、瞬間合閘等的情況下電阻R的熱容量則很難滿足要求，電壓互感器的極限允許容量也難以達(dá)到要求；如果將阻尼電阻永久性接入電路，一旦系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)性單相接地故障，將會在電壓互感器開口三角繞組內(nèi)產(chǎn)生很大的零序環(huán)流，造成PT絕緣損壞甚至燒毀。

2 單相接地故障時PT的過電壓

實(shí)際運(yùn)行中配電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)帶電壓互感器的等值圖如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)帶電壓互感器的等值圖

圖2 中EA、EB和Ec分別為電源三相電動勢，Eo為中性點(diǎn)對地電壓，Cn為線路對地電容，由于相間電容和互感三相對稱，單相接地故障下相間電壓不變。

在配電網(wǎng)正常運(yùn)行時，電網(wǎng)各相對地電容CA=CB=Cc=Co，此時互感器的勵磁感抗很大，其各相阻抗以導(dǎo)線對地電容的容抗為主，電網(wǎng)對地中性點(diǎn)電壓Eo基本接近于0。但是當(dāng)受到操作或故障等外界因素的影響時，在三相繞組飽和的影響下，因YA≠YB≠YC，導(dǎo)致中性點(diǎn)發(fā)生偏移，出現(xiàn)中性點(diǎn)電壓，該電位偏移與各相電感的飽和程度密切相關(guān)，其中性點(diǎn)電壓Eo的大小可由下式計(jì)算：

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振時，系統(tǒng)的中性點(diǎn)電壓為諧波電壓，設(shè)諧波諧振時系統(tǒng)的零序電壓為Eo，電壓的有效值為E：則三相對地的電壓有效值為：

3 單相接地故障對鐵磁諧振的影響

在10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，單相接地故障時故障點(diǎn)流過容性電流，未發(fā)生接地故障的相電壓升高至線電壓，當(dāng)接地故障瞬間消失時，未發(fā)生接地故障的相對地電壓將突變回原來的相電壓，需要通過電壓互感器PT一次繞組有一個充分放電的過渡過程，以便將電網(wǎng)對地電容多余電荷釋放掉，在中性點(diǎn)不接地10kV系統(tǒng)中只有通過電壓互感器PT的中性點(diǎn)才能構(gòu)成釋放回路，大量電荷的短時間經(jīng)一次中性點(diǎn)進(jìn)行釋放，很容易造成電壓互感器PT飽和及勵磁電感劇烈降低，在對地電容滿足及系統(tǒng)參數(shù)匹配時則發(fā)生諧振。在某所C相接地故障消失時采集的中性點(diǎn)電壓波形（見圖3）及A相電壓波形（見圖4）。

圖3 中性點(diǎn)上的電壓波形

圖4 A相PT上的電壓波形

4 電壓互感器故障分析

4.1 鐵磁諧振導(dǎo)致故障電壓互感器PT屬于帶鐵芯的電感元件，但配電所的電源進(jìn)線電纜擊穿接地或由于電力系統(tǒng)受到某些擾動(如間歇性電弧接地)時，其產(chǎn)生高電壓作用于電壓互感器時，由于電壓互感器的勵磁特性差，電壓互感器的磁通可能會飽和，致使鐵芯繞組的電抗值降低，與電力系統(tǒng)中的電容構(gòu)成諧振電路。一般把帶鐵芯的電感元件產(chǎn)生的諧振稱為鐵磁諧振

4.2 故障可能造成的后果在10kV系統(tǒng)正常運(yùn)行時，單個電壓互感器承受的電壓應(yīng)該在5.8kv左右，但在單相接地時，根據(jù)向量圖分析可知，單個電壓互感器承受的電壓上升到11kV左右，如果發(fā)生諧振時電壓則更高，其采集的電壓為16.20kV。根據(jù)圖5電壓互感器的勵磁特性曲線，電壓互感器在相電壓和線電壓下，電流隨電壓增長緩慢，但是當(dāng)電壓越過線電壓后，電流隨電壓非線性急速增長，當(dāng)達(dá)到2倍的相電壓時，電流為正常工作勵磁電流的45.71倍，由于鄭西高鐵配電所采用GIS開關(guān)柜，電壓互感器一次未接高壓保險，頻繁出現(xiàn)很容易造成電壓互感燒毀或使電壓互感器PT發(fā)出異常糊味。

圖5 電壓互感器勵磁特性曲線

5 電壓互感器的接線改進(jìn)措施

5.1 改進(jìn)電路在電壓互感器PT的一次側(cè)中性點(diǎn)上串聯(lián)一個合適的電阻RN，相當(dāng)于在每相繞組之中串聯(lián)了一個電阻，既可以減小過電壓及過電流，又改善了PT的勵磁特性。其接線如圖6所示。

圖6 改造后配電所壓互感器接線

5.2 安裝電阻RN的作用

1）消除電壓互感器飽和過電壓。

2）減小在PT產(chǎn)生的低頻飽和過電流。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相短路接地時，根據(jù)向量圖得知，其非故障相的電壓從相電壓升高至線電壓。但當(dāng)接地故障消失的瞬間，非故障相也同時瞬間恢復(fù)到相電壓，此時就產(chǎn)生了大量的多余電荷，而這些電荷通過PT的一次側(cè)中性點(diǎn)流入大地時，當(dāng)中性點(diǎn)連接的電阻RN數(shù)值合適時，單相短路接地故障消失的時刻，過多的電荷就會經(jīng)過RN再流入到大地，這樣就抑制了低頻飽和電流對PT的損害。與此同時，RN在零序回路中起到了分壓的作用，就使PT避免了鐵芯飽和，降低了因鐵芯飽和而發(fā)生的過電壓及鐵磁諧振的發(fā)生。

5.3 電阻RN合理選擇PT一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)線性電阻RN合理的選擇，不僅要充分考慮數(shù)值的大小，同時還應(yīng)考慮電阻容量并留有一定的裕度。根據(jù)試驗(yàn)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)RN=50KΩ時能很好的抑制鐵磁諧振，雖然PT一次繞組中性點(diǎn)接入電阻R0越大抑制效果越好，但電阻R0越大在故障消失時會產(chǎn)生很高的過電壓，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)得到的電阻RN應(yīng)該高于50kΩ；當(dāng)RN=50kΩ時，PR0=U2/R=394.1W,考慮一定的裕度，則取容量500W。

6 結(jié)束語

配電所PT接線改造后，PT一次中心點(diǎn)經(jīng)電阻RN接地對分頻鐵磁諧振具有很好的抑制作用，但會出現(xiàn)PT二次三相電壓偏差大，零序電壓高，頻繁出現(xiàn)電壓超限報警的異常情況，還需繼續(xù)觀察分析報警參數(shù)，以便調(diào)整保護(hù)裝置參數(shù)。