摘要:承德供電興隆分公司發(fā)生過兩起10kV三相五柱電壓互感器燒毀事故，從事故分析出發(fā)，分析了該事故發(fā)生的原因，其主要原因鐵磁諧振過電壓。由此事故分析及理論分析和實(shí)驗(yàn)，對(duì)避免類似事故的發(fā)生提出了防范的措施及注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞:電壓互感器 事故分析 防范措施

1 現(xiàn)場(chǎng)情況

興隆供電分公司所屬兩座35kV綜合自動(dòng)化變電站，中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行，采用的是電磁式三相五柱式電壓互感器，型號(hào)為JSZW-10，兩站自運(yùn)行起分別在一年內(nèi)發(fā)生電壓互感器燒毀事故，根據(jù)事故調(diào)查分析，均是由鐵磁諧振過電壓引起。

為了使監(jiān)視中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)發(fā)生接地時(shí)得到報(bào)警信號(hào)，通常是把三線圈電壓互感器的一次側(cè)接成星形，中性點(diǎn)接地;二次側(cè)也是星形，中性點(diǎn)也接地;三次側(cè)是輔助線圈，接成開口三角形。接線圖如下:

這樣的系統(tǒng)中性點(diǎn)是不穩(wěn)定的。雖然它能夠給出真正的接地故障信號(hào)，但系統(tǒng)的對(duì)地容抗和互感器飽和時(shí)的勵(lì)磁電抗達(dá)到一定的比例時(shí)，就會(huì)發(fā)生鐵磁諧振，產(chǎn)生的過電壓也會(huì)發(fā)生故障信號(hào)，同時(shí)由于該型號(hào)電壓互感器的伏安特性較差，發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，電壓互感器的三相電流將達(dá)到勵(lì)磁電流的數(shù)十倍甚至一百倍，此時(shí)極易造成電壓互感器線圈過熱燒毀事故。

2 原因分析

2.1 電壓互感器伏安特性的影響。H·A·Peterson曾對(duì)兩種典型伏安特性的鐵芯電感進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。[2]

由圖可見，鐵芯電感的伏安特性愈好，即鐵芯飽和得愈慢，諧振區(qū)愈向右移，也即諧振所需要的阻抗參數(shù)XC0/XL愈大;反之，愈向左移，即諧振所需XC0/XL愈小。還可以看出，諧振區(qū)域與阻抗比XC0/XL有直接關(guān)系，對(duì)于1/2分頻諧振區(qū)，阻抗XC0/XL約為0.01~0.08;基波諧振區(qū)，XC0/XL約為0.08~0.8;高頻諧振區(qū)， XC0/XL約為0.6~3.0.當(dāng)改變電網(wǎng)零序電容時(shí)，XC0/XL 隨之改變，回路中可能出現(xiàn)由一種諧振狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N諧振狀態(tài)。如果零序電容過大或過小，就可以脫離諧振區(qū)域，諧振就不會(huì)發(fā)生。考慮到電力系統(tǒng)中運(yùn)行著的電壓互感器及系統(tǒng)的具體情況總與模擬情況有差異，因此，H·A·Peterson的模擬試驗(yàn)結(jié)果，僅用來定性估計(jì)系統(tǒng)阻抗參數(shù)的匹配情況，而對(duì)于不同型號(hào)、不同出廠日期、不同廠家制造的電壓互感器，其諧振區(qū)域應(yīng)根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)加以確定。

在現(xiàn)場(chǎng)，一般可以測(cè)量出電網(wǎng)的對(duì)地電容電流，進(jìn)而計(jì)算出對(duì)地電容，由XC0/XL估算該電網(wǎng)是否處于諧振區(qū)。若在諧振區(qū)，再進(jìn)一步判定可能是哪一種諧振。電網(wǎng)的電容電流也可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 Ic=3Ux×103/Xco

式中Ic-電容電流，A;

Ux-電網(wǎng)運(yùn)行相電壓，kV;

Xco-線路對(duì)地容抗，Ω。

可知，當(dāng)X0/Xm<0.01時(shí)，不發(fā)生諧振;隨著(X0/Xm)的增大，依次發(fā)生1/2分頻、基頻、三倍頻諧振，相應(yīng)地，發(fā)生諧振所需的外加電壓也逐漸增大。由于運(yùn)行中的一般都是額定相電壓(0.58Ur，Ur為額定線電壓)，因此1/2分頻時(shí)較多發(fā)生基波諧振，高次諧波的諧振較少。分頻諧振的頻率并非嚴(yán)格等于1/2次，分頻諧振時(shí)，鐵心高度飽和，勵(lì)磁電流劇增數(shù)十甚至一百倍，導(dǎo)致電壓互感器燒毀或保護(hù)用熔斷器熔斷。

2.2 電壓互感器結(jié)構(gòu)的影響。H·A·Peterson模擬試驗(yàn)采用的三臺(tái)單相小容量變壓器，相當(dāng)于三臺(tái)單相電壓互感器，而現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行著的電壓互感器，既有三臺(tái)單相電壓互感器組，也有三相五柱電壓互感器，它們?cè)谥C振激發(fā)上是不同的。試驗(yàn)研究表明，單相電壓互感器組的起振電壓較三相五柱電壓互感器的低，也就是說，單相電壓互感器組容易激發(fā)諧振。這主要是由于兩者碰路結(jié)構(gòu)的差異，造成零序阻抗不同所致。

如下圖示了三芯五柱互感器和單相互感器組的磁路。單相互感器組零序磁通的磁路和正序磁通的磁路一樣，每相都有自己的閉合回路，因而零序阻抗等于正序阻抗。對(duì)三芯五柱電壓互感器，由于零序磁通經(jīng)過兩個(gè)邊往返回，所以其磁路長(zhǎng)，而且鐵芯截面小，因而其零序磁通磁阻較單相互感器組要大得多。由上所述，諧振是由于零序磁通造成的，三芯五柱互感器零序磁通遇到的磁阻大，諧振就不容易產(chǎn)生。

由于磁路的差異，計(jì)算和測(cè)量這兩類電壓互感器零序阻抗時(shí)所用的電壓是不同的。由于電網(wǎng)發(fā)生諧振時(shí)，作用在電壓互感器上的電壓是正序電壓與零序諧振電壓的疊加，對(duì)于三芯五柱互感器，零序電壓接近于相電壓，正序電壓對(duì)零序電壓阻抗影響不大，所以及取相電壓下的相應(yīng)感抗值。

3 防范措施

綜合以上H·A·Peterson對(duì)鐵磁諧振的分析，防止鐵磁諧振的措施，就是把諧振區(qū)域的范圍盡可能縮小，或者設(shè)法躲開諧振區(qū)，可以從以下幾方面進(jìn)行:

發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，由繼電保護(hù)將開口三角暫時(shí)短接。這時(shí)，可能在不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)某一部分得到穩(wěn)定，但在諧振過后，應(yīng)立即將短接的開口三角打開，避免系統(tǒng)單相接地時(shí)沒有信號(hào)。

測(cè)出配電系統(tǒng)對(duì)地零序容抗Xco和電壓互感器的勵(lì)磁電抗Xm，如果兩者相等，則在配電系統(tǒng)接入一組星形中性點(diǎn)接地的小容量的電容器，或者在變電所受電前，在二次側(cè)的母線上，投入一條饋電線，使系統(tǒng)對(duì)地容抗與互感器電抗比值，遠(yuǎn)離不穩(wěn)定區(qū)域。

降低電壓互感器的運(yùn)行電壓，在10kV配電系統(tǒng)中，使互感器的運(yùn)行電壓從10kV降到5.8kV，不穩(wěn)定區(qū)域?qū)⒋蟠鬁p小，分頻區(qū)域?qū)⒖s小一半，基頻區(qū)域只有很小的一部分，且不存在三次諧波的不穩(wěn)定區(qū)域。這個(gè)措施的缺點(diǎn)是，電壓互感器沒有連接電壓表的出線了。

在電壓互感器線圈固有的電阻基礎(chǔ)上，增加外接直流電阻，以縮小鐵磁諧振的范圍，接入電阻時(shí)應(yīng)了解電阻的容量。因?yàn)殡妷夯ジ衅鳟a(chǎn)生鐵磁諧振的條件和互感器特性曲線的飽和點(diǎn)有關(guān)，為了使電壓互感器因電壓升高而不進(jìn)入飽和狀態(tài)，選擇電阻的容量最好等于電壓互感器的容量。接入電阻法的方法有:①在電壓互感器的一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)過渡電阻接地，這種措施除了能限制電壓互感器中的電流，特別是限制斷續(xù)弧光接地時(shí)流過電壓互感器的高幅值電流外，亦能減少每相電壓互感器上的電壓(相當(dāng)于改善電壓互感器的伏安特性)，電阻器的額定功率須較大，一般采用額定功率相當(dāng)大的非線性電阻器與線性電阻器串聯(lián)。非線性電阻器在低電壓下電阻較大，還能阻止諧振發(fā)展，對(duì)于系統(tǒng)三相電容嚴(yán)重不對(duì)稱或電壓互感器一次非全相熔斷器燒斷等異常情況均可有效消諧。一般情況下，取電阻數(shù)值≦0.15Xm歐②在電壓互感器開口三角并接電阻R△，R△相當(dāng)于接到電源變壓器的中性點(diǎn)上，故其電阻R△越小，越能抑制諧振的發(fā)生。若R△=0，即將開口三角兩端短接，相當(dāng)于電網(wǎng)中性點(diǎn)直接接地，諧振就不會(huì)發(fā)生，一般情況下按照R0.45Xm/K13*K13(K13為電壓互感器一次側(cè)與開口三角的電壓比)選取。[1]

我們通過理論分析和比較，將現(xiàn)在運(yùn)行的電壓互感器全部在開口三角并接50～60歐姆500瓦可調(diào)電阻，運(yùn)行至今，沒有再次發(fā)生任何燒毀電壓互感器燒毀事故，取得良好的效果。

參考文獻(xiàn):

[1]周和平.中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)消除電壓互感器鐵磁諧振的措施，中國(guó)電力.1993.

[2]Peterson H·A Transients in Power Systems.1951.