何帥，趙雨濛，邰晨凡，王亞芳

(國網(wǎng)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(diǎn)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(jié)構(gòu)，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(jīng)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(jìn)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(jìn)行診斷試驗(yàn)，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(yàn)結(jié)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(cè)有放電燒灼痕跡，明顯屬于擊穿放電產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量、電壓互感器中性點(diǎn)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(nèi)應(yīng)力的釋放，界面處理技術(shù)等[3]，環(huán)氧澆注工藝控制不良或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷有可能導(dǎo)致此類故障的發(fā)生，但該互感器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，環(huán)氧澆注工藝控制良好，型式試驗(yàn)、例行試驗(yàn)、交接試驗(yàn)均合格，在系統(tǒng)內(nèi)有廣泛的應(yīng)用，排除了產(chǎn)品質(zhì)量問題。

(2)電壓互感器中性點(diǎn)接地不良或地網(wǎng)接地阻抗過高產(chǎn)生懸浮電位，長時間運(yùn)行中產(chǎn)生絕緣擊穿[4]?，F(xiàn)場檢查電壓互感器中性點(diǎn)螺栓連接可靠，接地良好。本站地網(wǎng)接地阻抗測量值為0.36 Ω，設(shè)計值為0.5 Ω，排除電壓互感器中性點(diǎn)接地不良或接地阻抗超標(biāo)，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(nèi)部過電壓。該地區(qū)當(dāng)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(diǎn)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(diǎn)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(yùn)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(chǎn)生影響，同時也不會明顯改變系統(tǒng)的各項參數(shù)。當(dāng)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(shè)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(diǎn)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(cè)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(shè)中性點(diǎn)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(diǎn)熱敏消諧器阻值r=60×103(Ω)，可求得在正常運(yùn)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(yùn)行時，采用熱敏消諧器的電壓互感器中性點(diǎn)電壓為889.905 V，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。當(dāng)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(diǎn)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(chǎn)生的熱量，最終導(dǎo)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(yàn)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(diǎn)電壓波形如圖5所示。當(dāng)單相接地發(fā)生在系統(tǒng)電壓波形最大值時，中性點(diǎn)電壓可以達(dá)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(diǎn)電壓波形

2 處理措施及對比驗(yàn)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(dāng)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(diǎn)電壓較低，不會給中性點(diǎn)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(diǎn)電壓迅速抬升，造成半絕緣電壓互感器中性點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)承受過高電壓。

2.2 對比驗(yàn)證

將仿真電路中熱敏型消諧器更換為壓敏消諧器，進(jìn)行對比驗(yàn)證，電壓互感器中性點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)絕緣耐受電壓水平，不會對半絕緣電壓互感器中性點(diǎn)絕緣造成損壞。

3 結(jié) 論

通過對故障電壓互感器外觀檢查、診斷試驗(yàn)、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?yàn)殍F磁諧振。計算單相接地時的中性點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)適合安裝熱敏型消諧器，半絕緣電壓互感器中性點(diǎn)適合安裝壓敏型消諧器。