李憲棟，石月春，李 強，韓法玲

（1.黃河水利水電開發(fā)總公司，河南省濟源市 459017；2.長春工程學院，吉林省長春市 130012）

0 引言

電壓互感器（TV）是電力系統(tǒng)中重要的測量元件，電磁式電壓互感器在中低壓電力系統(tǒng)中廣泛應用。近年來，由于電壓互感器故障造成的電力系統(tǒng)故障情況時有發(fā)生，其中包括多起發(fā)電機出口電壓互感器故障引發(fā)定子接地保護動作的情況[1-6]。除明顯的電壓互感器損壞等嚴重故障外，由于電壓互感器繞組內部絕緣或二次回路等原因造成的隱性故障[7-8]成為近年來關注的重點。這是因為這種隱性故障不僅在運行中難以發(fā)現(xiàn)，在特殊情況下還以其他形式出現(xiàn)，增加了現(xiàn)場排查故障的難度。如何快速準確判斷出電磁式電壓互感器的隱性故障就成為運行人員關注的問題。

《電力設備預防性試驗規(guī)程》規(guī)定，電磁式電壓互感器需要定期測量絕緣電阻和進行交流絕緣耐壓試驗。絕緣電阻測試對于發(fā)現(xiàn)貫穿性絕緣缺陷具有明顯的效果，但很難發(fā)現(xiàn)局部缺陷。交流耐壓試驗可以更接近真實運行情況的檢測設備狀態(tài)，但其破壞性往往被詬?。欢椰F(xiàn)場運行單位往往受現(xiàn)場試驗設備、試驗環(huán)境的影響，很難進行這類試驗。文獻[9]表明，交流耐壓試驗對于判斷電壓互感器內部繞組隱性故障幫助不大。能否找到一種有效地使用常用的試驗儀器設備就能進行電磁式電壓互感器故障判斷的試驗方法成為現(xiàn)場試驗人員關注的問題。本文結合實際案例來對電磁式電壓互感器本體隱性故障的診斷方法進行探討。

1 故障案例

1.1 系統(tǒng)接線

某廠1號機組采用單元接線，發(fā)電機定子額定電壓為18kV。發(fā)電機出口接有勵磁變壓器、4組機端電壓互感器和發(fā)電機出口斷路器。勵磁變壓器與發(fā)電機出口母線直接相連，機端電壓互感器通過高壓熔斷器與母線相連。1號、2號、3號機端電壓互感器型號為JDZX1-20，4號機端電壓互感器型號為JDZX4-20。

1.2 故障情況及處理

2009年12月，1號機組運行過程中報“1號機定子接地保護2段（100%）動作，發(fā)變組保護80%定子接地和零序過電壓保護動作”信號，機組停機。測量機組絕緣正常。分別測量勵磁變壓器和機端電壓互感器絕緣，絕緣電阻均滿足要求。投入機端電壓互感器進行升壓試驗，升壓過程中跳閘，機組電壓不能升高到額定值。分別順序投入機端電壓互感器升壓試驗，當投入發(fā)電機出口3號電壓互感器時，機組升壓失敗，最終確定為3號電壓互感器A相故障所致。

2011年3月，1號機組運行過程中報“1號機定子接地保護2段（100%）動作，機組停機。對機組進行零起升壓，當機組升至7000V電壓時，保護動作跳出口斷路器。第二次機組升壓至4000V電壓后，保護動作。將1號機組出口1號、3號機端電壓互感器投入，2號、4號電壓互感器退出，零起升壓，設備正常，升至額定電壓后穩(wěn)定運行。將1號機組出口2號、4號電壓互感器投入，1號、3號機端電壓互感器退出，零起升壓，建壓失敗。通過對1號機組故障錄波分析，認為2號電壓互感器 B相出現(xiàn)故障的可能性較大，故將3號電壓互感器C相更換至2號電壓互感器 B相，僅投入機組出口2號、4號電壓互感器經零起升壓正常。最后確定為1號機組2號機端電壓互感器B相故障。

2 試驗分析

該廠1號機組2002年初投運，機組及附屬設備電壓互感器等電氣設備預防性試驗定期進行，檢修未發(fā)現(xiàn)異常和故障。故障出現(xiàn)時也沒有電力系統(tǒng)故障記錄。

事后對故障電壓互感器進行了進一步的試驗檢查，試驗數(shù)據對比見表1。從表1中可以看出，電壓互感器的變比和繞組直流電阻未發(fā)現(xiàn)明顯的變化（一般認為超過30%為明顯差異），直流電阻數(shù)值與正常TV的值比稍小，懷疑是電壓互感器內部繞組故障。

參照電流互感器試驗，對電壓互感器進行勵磁特性測試，并與同類型的電壓互感器進行了對比，試驗數(shù)據見表2。

文獻[10]對電磁式電壓互感器的勵磁特性進行了測試，試驗結果表明，正常電壓互感器在額定電壓100V附近進入飽和區(qū)，電壓的微小變化會引起勵磁電流的急劇增長，而在此之前的線性區(qū)域，電流隨電壓變化緩慢增長，總體上除拐點外基本成線性關系。1號機組3號A相電壓互感器勵磁特性測試中，當施加電壓為1.5V時勵磁電流已經達到20A跳閘，線性插值計算對應施加電壓為1V時勵磁電流已經達到13.33A，10V時電流計算為133.3A。1號機組2號電壓互感器B相電壓互感器勵磁特性測試中，電壓為1V時電流為1A，電壓為10V時電流為9.8A；線性插值計算對應施加電壓為20V時勵磁電流已經達到19.6A。而同類型正常電壓互感器在外加電壓為20V時電流僅為0.068A左右，施加額定電壓100V時的電流也僅為0.190A左右。從試驗結果對比分析看，兩臺電壓互感器的繞組的直流電阻變小，勵磁特性明顯改變，應該是繞組內部發(fā)生了匝間短路故障。

表1 電壓互感器診斷試驗結果Tab.1 Diagnose test results of potential transformer

表2 電壓互感器勵磁特性試驗結果Tab.2 Excitation characteristic test results of potential transformer

3 電壓互感器特性與發(fā)電機定子接地保護的關系

通過測量機端電壓互感器開口三角不平衡電壓來判斷發(fā)電機定子接地故障是常見的方法之一，此時的發(fā)電機定子接地保護定值應高于正常運行時由于三相電壓互感器勵磁特性差異造成的不平衡電壓。在發(fā)電機發(fā)生定子接地時機端三相電壓將出現(xiàn)較大的差別，此時在電壓互感器的開口三角出現(xiàn)較高的不平衡電壓，超過整定值即判斷為定子接地故障。本案例中的發(fā)電機定子接地保護就采用了此原理。

文獻[6]對發(fā)電機出口電壓互感器匝間短路故障引起定子接地保護動作的機理進行了分析，并進行了工程驗證。發(fā)電機出口某相電壓互感器發(fā)生匝間短路故障時，該相對地等效阻抗變小，導致定子三相對地阻抗不平衡，會產生一定的機端零序電壓和中性點零序電壓，引起基波零序電壓定子接地保護動作。

當電壓互感器匝間短路等原因造成其特性變異時，發(fā)電機出口3臺電壓互感器特性不再相似，若差異超出了正常運行時的允許范圍時，就會在電壓互感器的開口三角出現(xiàn)較高的不平衡電壓。這時與發(fā)電機定子接地故障情況類似，容易誤判為發(fā)電機定子接地。本文中的案例就是這樣的典型情況。兩次故障的情況非常相似，雖然是不同的電壓互感器導致的故障，但都是電壓互感器特性變異導致的不平衡電壓，引起了發(fā)電機定子接地保護動作。

4 電磁式電壓互感器隱性故障診斷方法探討

電磁式電壓互感器隱性故障包含二次回路和本體故障，本文側重于對互感器本體隱性故障的診斷。對于電磁式電壓互感器故障的診斷，應先測量其絕緣電阻。絕緣電阻測量能發(fā)現(xiàn)較多的問題，但是在電壓互感器局部缺陷和隱性故障診斷方面有其局限性。如果絕緣正常，再進行繞組變比、直流電阻測試，這些試驗項目都不是例行試驗中的項目。診斷故障常用的方法是與同一設備歷史數(shù)據對比或與相同類型設備試驗數(shù)據對比，如果有較大差異，則認為設備故障。

《電力設備預防性試驗規(guī)程》規(guī)定，電磁式電壓互感器在必要時可進行空載電流測試，可見測試電磁式電壓互感器空載電流是診斷其故障的一種方法。空載電流測試與勵磁特性測試方法類似，都是在電壓互感器一次側開路時，在電壓互感器的二次繞組側施加工頻電壓，同時測量回路的電壓和電流。不同的是，空載電流測試的是對應額定電壓時的電流，且同時測量了空載損耗，電流表接線位置位于電壓表外側。勵磁特性一般是針對電流互感器的試驗項目，主要是測量其勵磁特性，以確定是否滿足所在回路發(fā)生故障時能保證正確測量回路的電流，而不受互感器飽和的影響。電磁式電壓互感器國標對互感器的試驗要求是，對于設備最高電壓高于40.5kV的電壓互感器應測量其勵磁特性，且規(guī)定其差異不應超過30%，電壓互感器的勵磁特性試驗中應至少包括0.2、0.5、0.8、1.0和1.2倍額定電壓下的電流值。

在電磁式電壓互感器出現(xiàn)故障時，測量其空載電流已經不具有現(xiàn)實意義了（如前面的案例中的情況），往往在施加較低電壓時，回路電流已經出現(xiàn)較快較大的數(shù)值，造成控制回路跳閘[9]。針對勵磁特性試驗中的0.2、0.5等較低倍數(shù)額定電壓下的電流值進行對比就可以快速診斷出電壓互感器是否故障。

5 結束語

現(xiàn)場實踐表明，測量比較電磁式電壓互感器的勵磁特性是一種簡單易行且有效地電磁式電壓互感器本體隱性故障診斷方法。勵磁特性測試在互感器二次側進行，試驗電壓較低，試驗儀器體積不大，便于攜帶，而且有成熟的用于測量電流互感器伏安特性的綜合型自動測試儀器，現(xiàn)場實施起來更方便，更安全。與交流耐壓試驗相比，勵磁特性測試無疑是一種現(xiàn)場更容易更合適采用的試驗方法。在不具備條件進行交流耐壓試驗時，定期測量電磁式電壓互感器的勵磁特性對于發(fā)行其內部隱性故障具有較強的現(xiàn)實意義。

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