一起半絕緣電壓互感器故障原因分析及處理措施

何帥，趙雨濛，邰晨凡，王亞芳

(國網寧夏電力有限公司吳忠供電公司，寧夏 吳忠 751100)

在35 kV及以下中性點非直接接地系統(tǒng)中，為節(jié)省空間、節(jié)約成本，常采用半絕緣環(huán)氧澆筑式電磁式電壓互感器[1](簡稱半絕緣電壓互感器)。半絕緣電壓互感器一次繞組末端(N端)為弱絕緣結構，最高可承受5 kV電壓[2]。因此，系統(tǒng)中半絕緣電壓互感器經常受到系統(tǒng)過電壓的影響，發(fā)生絕緣擊穿故障。

2019年4月2日，某110 kV變電站35 kVⅡ母接地告警，此時，系統(tǒng)發(fā)生C相單相接地。5 s后，35 kVⅡ母計量電壓消失?，F(xiàn)場進行外觀檢查，A、B、C三相電壓互感器外觀完好，C相電壓互感器熔斷器熔斷。進行診斷試驗，A/B/C相一次繞組對二次繞組絕緣電阻分別為131/135/0 GΩ，A/B/C相一次繞組直流電阻分別為9.055/9.183/3.179 kΩ。根據(jù)試驗結果判斷：C相電壓互感器一次繞組對二次繞組絕緣擊穿，C相電壓互感器一次繞組砸間短路。對C相電壓互感器解體檢查，發(fā)現(xiàn)在一次繞組末端(N端)與二次繞組之間的一側有放電燒灼痕跡，明顯屬于擊穿放電產生的現(xiàn)象，見圖1。

圖1 一次繞組與二次繞組之間絕緣擊穿

1 故障原因分析

此組電壓互感器為半絕緣環(huán)氧澆注式電壓互感器，引起絕緣擊穿故障的原因從以下方面分析：產品質量、電壓互感器中性點接地不良、系統(tǒng)過電壓。

(1)環(huán)氧澆注工藝控制包括不同材料溫度膨脹系數(shù)的配合，絕緣材料內應力的釋放，界面處理技術等[3]，環(huán)氧澆注工藝控制不良或產品結構設計存在缺陷有可能導致此類故障的發(fā)生，但該互感器產品結構設計合理，環(huán)氧澆注工藝控制良好，型式試驗、例行試驗、交接試驗均合格，在系統(tǒng)內有廣泛的應用，排除了產品質量問題。

(2)電壓互感器中性點接地不良或地網接地阻抗過高產生懸浮電位，長時間運行中產生絕緣擊穿[4]?，F(xiàn)場檢查電壓互感器中性點螺栓連接可靠，接地良好。本站地網接地阻抗測量值為0.36 Ω，設計值為0.5 Ω，排除電壓互感器中性點接地不良或接地阻抗超標，引起長時間懸浮放電的可能。

(3)系統(tǒng)過電壓，包括外部過電壓和內部過電壓。該地區(qū)當天無雷雨天氣，排除外部過電壓影響。查詢后臺報文信息，發(fā)現(xiàn)在電壓互感器計量電壓消失前5 s存在35 kV系統(tǒng)接地，判斷故障原因是由于接地故障激發(fā)作用引起的鐵磁諧振過電壓。

1.1 電壓互感器中性點電壓計算分析

常用的消除諧振的方法分為改變參數(shù)和阻尼作用[5]。本站采用的是在電壓互感器中性點與大地之間串接熱敏電阻型一次限流消諧器的阻尼電阻消諧，其特性是正常運行狀態(tài)下電阻為60 kΩ左右，而PT一次繞組的阻抗為兆歐級，因此不會對PT的各項性能產生影響，同時也不會明顯改變系統(tǒng)的各項參數(shù)。當PT發(fā)生諧振時鐵芯飽和，一次繞組激磁電流增加，熱敏消諧器溫度升高，電阻快速增長到2 MΩ，能夠較好地發(fā)揮出阻尼作用。而且諧振能量越大，熱敏消諧器的消諧時間越短，對設備的絕緣更為有利。為了快速消除諧振，寧夏地區(qū)35 kV及以下配電系統(tǒng)中廣泛采用這種熱敏消諧器。

為確定故障原因，需計算C相單相接地時，安裝了熱敏消諧器的電壓互感器的中性點電壓。等效電路如圖2所示。

圖2 C相發(fā)生金屬性接地的等效電路

35 kV電壓互感器(簡稱PT)的額定電壓為un，額定容量為Sn(VA)，一次側額定電流為In(A)，角頻率為ω(rad/s)。

Sn=100

(1)

在額定容量下PT的一次繞組電感L等于

(2)

設中性點的電壓為U0，消諧器的電阻值為r，電源電壓為Ua、Ub、Uc，有

(3)

可得

(4)

此次故障的35 kV電壓互感器中性點熱敏消諧器阻值r=60×103(Ω)，可求得在正常運行下U0的幅值

|U0|=889.905

C相接地時，熱敏消諧器阻值r=2(MΩ)，U0的幅值為

|U0|≈Uc=20.21(kV)，方向與Uc相反，如圖3所示。

圖3 C相單相接地時U0向量

由上述計算可知，正常運行時，采用熱敏消諧器的電壓互感器中性點電壓為889.905 V，不影響系統(tǒng)的正常運行。當系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地后，由于系統(tǒng)接地的激發(fā)作用，引起電壓互感器鐵磁諧振，鐵心過飽和，引起一次繞組中勵磁電流急劇增大，熱量在繞組絕緣中積聚，同時熱敏消諧器溫度升高，電阻迅速增大3個數(shù)量級以上，造成電壓互感器中性點電壓抬升為相電壓。接地相電壓互感器一次繞組承受反向電壓，加上鐵磁諧振產生的熱量，最終導致接地相電壓互感器砸間短路，一次對二次繞組絕緣擊穿。

1.2 仿真驗證

利用ATP-EMTP電力系統(tǒng)仿真軟件搭建此變電站35 kV系統(tǒng)，并模擬C相0.2 s時發(fā)生單相金屬性接地。搭建模型如圖4所示。

圖4 單相接地系統(tǒng)仿真模型

C相發(fā)生單相接地故障時，電壓互感器一次中性點電壓波形如圖5所示。當單相接地發(fā)生在系統(tǒng)電壓波形最大值時，中性點電壓可以達到線電壓以上，對于半絕緣電壓互感器的末端絕緣可瞬間擊穿。

圖5 電壓互感器一次中性點電壓波形

2 處理措施及對比驗證

2.1 處理措施

壓敏電阻(常采用 SiC)的特性是電壓越高，電阻越低[6]。當發(fā)生鐵磁諧振時，消諧器電阻降低，不利于消除諧振，但電壓互感器中性點電壓較低，不會給中性點絕緣造成壓力。熱敏消諧器雖然能夠快速消除諧振，將勵磁電流抑制在100 mA以下，但同時會將電壓互感器中性點電壓迅速抬升，造成半絕緣電壓互感器中性點絕緣擊穿，因此，提出以下治理措施：

(1)對于全絕緣電壓互感器，適合安裝熱敏型消諧器，中性點能夠承受鐵磁諧振時消諧器帶來的電壓升高，同時消諧器能夠快速消除諧振，抑制勵磁電流，防止電壓互感器損壞，防止熔斷器不能可靠熔斷造成的相間短路故障。

(2)半絕緣電壓互感器中性點適合安裝壓敏型消諧器，犧牲一定消諧能力的同時避免中性點承受過高電壓。

2.2 對比驗證

將仿真電路中熱敏型消諧器更換為壓敏消諧器，進行對比驗證，電壓互感器中性點電壓波形如圖6所示。

圖6 使用壓敏消諧器的電壓互感器一次中性點故障前后電壓波形

由圖6可以看出，使用壓敏型消諧器的電壓互感器一次中性點在系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地故障后最大電壓為2 kV，小于半絕緣電壓互感器中性點絕緣耐受電壓水平，不會對半絕緣電壓互感器中性點絕緣造成損壞。

3 結 論

通過對故障電壓互感器外觀檢查、診斷試驗、解體檢查等，發(fā)現(xiàn)半絕緣電壓互感器一次繞組對二次繞組絕緣擊穿，一次繞組砸間短路，分析故障原因為鐵磁諧振。計算單相接地時的中性點電壓，發(fā)現(xiàn)熱敏消諧器在系統(tǒng)單相接地引起鐵磁諧振時，會將中性點電壓抬高至線電壓，造成電壓互感器末端絕緣擊穿。分析兩種消諧器性能，得出全絕緣電壓互感器中性點適合安裝熱敏型消諧器，半絕緣電壓互感器中性點適合安裝壓敏型消諧器。