陸位寧

摘要：電壓互感器是電力系統(tǒng)重要的一次設(shè)備，本文通過分析出口電壓互感器突發(fā)故障引發(fā)的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作案例，探討了出口電壓互感器故障的診斷方法。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；電壓互感器； 故障

引言

隨著電力事業(yè)的飛速發(fā)展，一些國家和地區(qū)開始呈現(xiàn)出小電網(wǎng)大機(jī)組的特征，再加之單機(jī)容量的不斷增大，使得定子接地保護(hù)越來越重要。同時(shí)，由于電壓互感器能夠?qū)⒏叩蛪焊綦x，能夠?yàn)閮x表裝置等提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的二次電壓。因此，有必要加大對發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作和出口電壓互感器故障的研究。

1.故障情況

2017年5月22日斐濟(jì)某水電站現(xiàn)場電氣保護(hù)觸發(fā)了發(fā)電機(jī)95%定子接地故障保護(hù)誤動(dòng)故障。該水電站發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置由我公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)并供貨?，F(xiàn)場保護(hù)動(dòng)作后，經(jīng)斐方相關(guān)人員檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)定子絕緣正常，保護(hù)二次回路定值和動(dòng)作邏輯均符合要求，但發(fā)電機(jī)出口一個(gè)電壓互感器外殼出現(xiàn)了迸裂。該發(fā)電機(jī)出口電壓互感器采用的是國產(chǎn)JDZX3—20型號(hào)的電磁式電壓互感器。由于該電氣保護(hù)誤動(dòng)故障，嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的安全和機(jī)組穩(wěn)定的運(yùn)行。對于如何避免該類故障的重復(fù)發(fā)生，提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性已成為亟待解決的問題。

2.電壓互感器參數(shù)及故障設(shè)備照片

因本故障發(fā)生而造成迸裂的電壓互感器，其二次側(cè)帶有開口三角繞組，詳細(xì)的規(guī)格參數(shù)如表1所示。

斐方人員將出現(xiàn)迸裂的電壓互感器從現(xiàn)場拆下來并拍照傳給我司（如圖1所示），并要求我司對此故障現(xiàn)象進(jìn)行分析并采取有效可行的應(yīng)對措施。故障原因分析從圖1設(shè)備照片可清晰地看出表面的裂痕，從該表面現(xiàn)象初步分析判斷引起此次發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)誤動(dòng)故障的原因可能有以下兩個(gè)方面：

鐵磁諧振引起的故障，在中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生突變時(shí)，電磁式電壓互感器有可能發(fā)生鐵磁諧振。高壓側(cè)的鐵磁諧振使得電壓互感器承受了超過標(biāo)準(zhǔn)的過電壓，鐵心迅速飽和，流過電壓互感器一次繞組的電流很大，從而導(dǎo)致繞組絕緣過熱，最終發(fā)生爆裂。

電壓互感器二次側(cè)發(fā)生短路，而二次側(cè)的保險(xiǎn)未及時(shí)動(dòng)作，導(dǎo)致高壓熔斷器的熔斷和電壓互感器的損壞。

從現(xiàn)場反饋的情況知，電壓互感器一次側(cè)熔絲并未熔斷，因此可排除故障發(fā)生的第二種原因。由此可推斷故障引發(fā)的原因應(yīng)為第一種，即鐵磁諧振觸發(fā)了電氣保護(hù)誤動(dòng)，并造成了電壓互感器的迸裂。而電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中最常見且造成事故最多的一種內(nèi)部過電壓，嚴(yán)重地影響供電安全，必須予以重視[1]。

3.電磁式電壓互感器鐵磁諧振產(chǎn)生的原因及危害

鐵磁諧振的發(fā)生一般應(yīng)具備三個(gè)條件。一是電磁式電壓互感器的非線性效應(yīng)，這是產(chǎn)生鐵磁諧振的主要原因。二是電壓互感器非線性電感要相當(dāng)大，感抗和容抗的參數(shù)匹配要在諧振范圍內(nèi)。三是要有一定的外部激發(fā)條件，即系統(tǒng)有某種電壓、電流的沖擊擾動(dòng)，如跳、合閘，瞬間短路等。

發(fā)電機(jī)出口電壓互感器二次回路連接有測量回路、保護(hù)回路、計(jì)量回路、儀表裝置回路的電壓繞組等負(fù)載，是高阻抗回路，二次電流很小，因此電壓互感器工作狀態(tài)相當(dāng)于空載運(yùn)行的變壓器，實(shí)際上就是一種只降電壓的被限定結(jié)構(gòu)和使用形式的特殊變壓器。正常運(yùn)行時(shí)，電壓互感器開口三角的電壓（3U0）理論上是0V，在實(shí)際中一般也不超過10V。當(dāng)系統(tǒng)受到一定的激發(fā)條件諸如發(fā)生瞬時(shí)接地故障等現(xiàn)象時(shí)，3U0將會(huì)迅速升高，當(dāng)3U0不斷升高到一定值時(shí)就會(huì)形成過電壓。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，由于電壓互感器三相繞組承受電壓不同，會(huì)在電壓互感器中產(chǎn)生很大的諧波電流，導(dǎo)致互感器內(nèi)部鐵心飽和，飽和后的電壓互感器勵(lì)磁電感變小，使二次側(cè)的波形發(fā)生畸變。當(dāng)畸變足夠大時(shí)，當(dāng)畸變使得電壓互感器的感抗等于容抗時(shí)就會(huì)形成鐵磁諧振。在形成的諧波含量中，三分頻（17Hz），二分頻（25Hz），三倍頻（150Hz）三種諧波的成分比重比較大，其他的分量相對很小，一般可忽略。

鐵磁諧振產(chǎn)生的過電流或過電壓都有可能造成互感器的損壞，特別是發(fā)生低頻諧振時(shí)，電壓互感器相應(yīng)的勵(lì)磁阻抗大為降低，最終導(dǎo)致鐵心飽和，勵(lì)磁電流急劇增大，輕者使電磁式電壓互感器的高壓熔斷器熔斷、發(fā)生匝間短路或爆炸；重者則發(fā)生避雷器爆炸、相間短路、保護(hù)裝置誤動(dòng)作等嚴(yán)重威脅供電系統(tǒng)和電氣設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的事故。而且諧振具有穩(wěn)定性，若不采取措施消除就會(huì)持續(xù)存在[2]。

4.鐵磁諧振的消除措施及故障處理

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，電磁式電壓互感器與母線或線路對地電容形成的回路在一定激發(fā)條件下可能發(fā)生鐵磁諧振而產(chǎn)生過電壓和過電流，使電壓互感器損壞。想要消除鐵磁諧振，就必須破壞諧振條件，保證系統(tǒng)的容性阻抗不能等于感性阻抗。工程應(yīng)用中可采用的消除措施包括在電壓互感器開口三角或互感器中性點(diǎn)與地之間裝設(shè)專用的消諧器，亦可選用三相防諧振電壓互感器，抑或在電壓互感器開口三角端子上接入電阻或白熾燈泡等方法，進(jìn)行強(qiáng)制性地破壞諧振條件。

微機(jī)消諧裝置是放在電壓互感器的二次側(cè)開口三角繞組上（所以也叫二次消諧）用于消除鐵磁諧振的儀器。其本質(zhì)是一種高容量非線性電阻器，起到消耗能量、阻尼和抑制諧振的作用，同時(shí)電磁式電壓互感器一次繞組涌流也將得到有效抑制，高壓熔絲不再因?yàn)檫@種涌流而熔斷。它與一次消諧器的區(qū)別在于微機(jī)消諧是一個(gè)消諧儀器，具有分析、記錄、打印、上傳等功能，能夠消除工頻、三倍頻、二分頻、三分頻等頻率諧振，因而能夠避免由于鐵磁諧振而時(shí)常發(fā)生的電壓互感器燒毀甚至爆炸的惡性事故。

經(jīng)與電壓互感器廠家核實(shí)，最終對本電廠故障采取的應(yīng)對措施是采用在電壓互感器開口三角加裝WXZ微機(jī)消諧裝置。該裝置能夠?qū)崟r(shí)顯示系統(tǒng)時(shí)鐘及電壓互感器開口三角電壓四種頻率的電壓分量，可以區(qū)分過電壓、鐵磁諧振及單相接地故障。并且裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電壓互感器開口三角電壓，運(yùn)用DFT算法計(jì)算出零序電壓四種頻率的電壓分量。WXZ微機(jī)消諧裝置的突出特點(diǎn)是其增加了壓敏元件，壓敏元件的電抗隨諧波電壓而變化，從而破壞電壓互感器鐵磁諧振的產(chǎn)生條件。達(dá)到了實(shí)時(shí)在線消除運(yùn)行過程中瞬態(tài)諧振的目的，極大地降低了諧振產(chǎn)生的可能性。如壓敏元件未能完全消除電壓互感器產(chǎn)生的鐵磁諧振，則瞬間啟動(dòng)大功率消諧元件予以消除（消諧裝置原理圖如圖2所示，各圓圈內(nèi)數(shù)字代表裝置端子排）。

WXZ消諧裝置在消諧過程中，使用了最優(yōu)決策算法尋找合理的消除點(diǎn)。因?yàn)橹C波電壓中三分頻17Hz，二分頻25Hz，三倍頻150Hz諧波分量疊加在工頻50Hz的基波上，將使基波波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，在消諧元件出口消諧時(shí)，如不區(qū)分具體的消除點(diǎn)，就很容易造成電壓互感器運(yùn)行的不安全。所以裝置能夠根據(jù)最優(yōu)決策理論找出合理的消除點(diǎn)（如圖3所示），這樣既可以消除諧波，又能保證基波不受或少受影響[3]。

5.結(jié)束語

綜上所述，本文通過對該電廠發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作及發(fā)電機(jī)出口電壓互感器的損壞現(xiàn)象進(jìn)行診斷，分析了故障產(chǎn)生的原因，采用了在發(fā)電機(jī)出口電壓互感器開口三角繞組處加裝WXZ微機(jī)消諧裝置使問題得到了圓滿解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]勵(lì)磁特性試驗(yàn)在電壓互感器故障診斷中的應(yīng)用[J].李憲棟，石月春，李強(qiáng)，韓法玲.水電與抽水蓄能.2018（03）

[2]從一起電壓互感器燒毀事故談鐵磁諧振的防范[J].楊德浩. 農(nóng)村電工.2017（04）

[3]淺析電壓互感器選擇[J].王寧.煤.2018（03）