王倉繼 王建榮 羅雪紅

摘 要：為了改善電壓互感器的運行環(huán)境及電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高供電可靠性，盡量地減少電壓互感器一次熔絲熔斷的事件發(fā)生，文中基于區(qū)域中壓電網(wǎng)各變電站電壓互感器高壓側熔斷器熔斷故障情況，結合負荷性質(zhì)、電壓等級、消諧裝置配備情況，對互感器高壓側熔斷器熔斷故障典型機理進行研究和分析，給出了差異化的解決措施，得出從網(wǎng)絡結構、在線監(jiān)測、運行方式、設備選型等多層次考慮不同的改善與治理方法，可以減低電壓互感器高壓側熔絲熔斷事件的發(fā)生，提高系統(tǒng)供電可靠性。

關鍵詞：電壓互感器;高壓熔斷器;鐵磁諧振;消諧裝置;在線監(jiān)測;網(wǎng)絡結構

中圖分類號：TP29文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）09-0-05

0 引 言

中壓配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)一個重要環(huán)節(jié)。電壓互感器是配電系統(tǒng)實現(xiàn)保護、測量、計量與控制的采樣裝置。傳統(tǒng)電磁式電壓互感器原理與變壓器原理相同，由線圈和鐵芯組成。而電壓互感器內(nèi)的鐵芯的伏安特性是非線性的，存在飽和現(xiàn)象，導致電壓互感器電壓變化時，引起電流激增，超過熔絲額定電流值，從而導致其高壓側熔絲熔斷。電壓互感器高側熔斷器熔斷事件，引起電力系統(tǒng)虛假接地，致使變電站綜合自動化系統(tǒng)誤報接地故障;同時電壓互感器開口三角處電壓異常升高，引起保護裝置誤告警或誤動做，造成運維人員及監(jiān)控人員對設備運行狀態(tài)的誤判斷;結果會導致保護、測量采樣信號失效，控制計量設備無法正常計量等問題;更有甚者會因絕熱過程導致電壓互感器燒毀。

為此，有必要對電磁式電壓互感器高壓熔斷器熔斷的現(xiàn)象開展專題研究。由于電壓互感器高壓側熔斷器的熔斷涉及到系統(tǒng)諧波、電容電流、熔絲質(zhì)量、消諧裝置、負荷性質(zhì)、系統(tǒng)接地方式及故障接地等因素，國內(nèi)外對于電壓互感器高壓側熔斷器頻繁熔斷故障的研究及治理一直未有行之有效的辦法。

近幾年的通過調(diào)查研究表明，隨著配電網(wǎng)拓撲結構的變化，電壓互感器高壓側熔斷器經(jīng)常性熔斷的問題越來越突出。所以，為了改善電壓互感器的運行環(huán)境及電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高供電可靠性，盡量地減少電壓互感器一次熔絲熔斷的事件發(fā)生，本文通過對區(qū)域電網(wǎng)電壓互感器運行條件及其一次熔斷器熔斷情況的調(diào)查、統(tǒng)計和分析，整理并提出了整改措施及方案。

1 故障情況統(tǒng)計分析

1.1 統(tǒng)計

2018年1—8月，某區(qū)域電網(wǎng)所屬的22座10～35 kV變電站共發(fā)生電壓互感器高壓側熔斷器熔斷故障38次，其中：35 kV電壓互感器高壓側熔斷器熔斷31次、10 kV YH高壓側熔斷器熔斷7次，并且隨時間有陸續(xù)上升的趨勢。具體情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖1所示。

結合其中16座變電站的地理分布情況，根據(jù)《2018年度電網(wǎng)結構變化及運行方式安排》，對16座變電站的上級電源及各站所屬供電區(qū)及熔斷情況進行了統(tǒng)計，詳情如圖2所示。

經(jīng)過對這16座變電站的一二次消缺措施進行排查發(fā)現(xiàn)：大部分變電站一、二次消諧裝置配置到位。白水變電站YH高壓側未安裝消諧器;門公變電站YH高壓側未安裝消諧器、低壓側未安裝二次消諧裝置;黑池變未安裝二次消諧裝置。

1.2 分析

1.2.1 統(tǒng)計分析

（1）目前區(qū)域YH高側熔斷器熔斷情況分布如下：

大荔區(qū)域：35 kV寺前變電站、35 kV趙渡變電站熔斷2次，其中35 kV YH熔斷1次，10 kV YH熔斷1次。澄縣區(qū)域：110 kV東雷變、35 kV洽川變、35 kV防虜寨變、35 kV馮原變、35 kV新趙變、35 kV林皋變共計熔斷8次，其中35 kV YH熔斷8次，10 kV YH熔斷0次。富平區(qū)域：35 kV淡村變、35 kV王寮變、35 kV留古變、35 kV薛鎮(zhèn)變、35 kV新興變、35 kV南韓變、35 kV美原變、35 kV呂村變共計熔斷18次，其中35 kV YH熔斷15次，10 kV YH熔斷3次。通過以上統(tǒng)計分析可見：仍有16座變電站在1—8月之間發(fā)生了28次高壓側熔斷器熔斷故障，其中大荔占比7.14%、澄縣占比28.57%、富平占比64.28%。由此可見富平區(qū)域的YH高壓側熔斷器熔斷次數(shù)遠遠大于其他兩個運維區(qū)域。具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析如下：

富平變供電區(qū)域：共發(fā)生YH高側熔斷器熔斷12次，占總比42.82%，其中35 kV YH高側熔斷器熔斷9次，10 kV YH高側熔斷器熔斷3次。高明變供電區(qū)域：共發(fā)生YH高側熔斷器熔斷4次，占總比14.29%，其中35 kV YH高側熔斷器熔斷3次，10 kV YH高側熔斷器熔斷1次。西莊變供電區(qū)域：共發(fā)生YH高側熔斷器熔斷4次，占總比14.29%，其中35 kV YH高側熔斷器熔斷4次，10 kV YH高側熔斷器熔斷0次。橋陵變供電區(qū)域：共發(fā)生YH高側熔斷器熔斷8次，占總比28.57%，其中35 kV YH高側熔斷器熔斷8次，10 kV YH高側熔斷器熔斷0次。

（2）個案分析

35 kV段家變電站35 kV YH高側熔斷4次，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)二次消諧裝置二次接線松動，導致裝置功能無法實現(xiàn)，對接線緊固后至今未再發(fā)生YH高側熔斷器熔斷現(xiàn)象。110 kV南莊變電站自2017年9月15日至今共發(fā)生3起電壓互感器絕緣擊穿、爆裂事件，由于采用半絕緣互感器，承受諧振能力有限，造成接連發(fā)生YH絕緣擊穿事件，目前臨時采用全絕緣互感器更換。110 kV石川河變電站于2018年3月26日發(fā)生地埋電纜挖斷故障，導致斷線處弧光接地、短路，引起10 kV YH間隔過電壓保護器絕緣擊穿、爆裂，進而發(fā)生10 kV YH高側熔斷器熔毀、YH絕緣損壞擊穿事件，更換后至今再未再發(fā)生保險熔斷及YH故障。

1.2.2 機理分析

根據(jù)發(fā)生YH高壓側熔斷器頻繁熔斷故障的變電站在供電區(qū)域的分布情況可以看出，YH高壓側熔斷器熔斷故障主要集中發(fā)生在富平變供電區(qū)域和橋陵變供電區(qū)域。兩供電區(qū)共發(fā)生高側熔斷器熔斷事件20次，占比71.39%，其中35 kV YH高側熔斷器熔斷17次，10 kV YH高側熔斷器熔斷3次。根據(jù)YH內(nèi)部結構、運行參數(shù)及特性，結合以上統(tǒng)計分析，現(xiàn)將引起YH高側熔斷器頻繁熔斷的主要原因匯總如下：

（1）諧振過電壓引起熔斷

在小電流接地系統(tǒng)中，當一相接地時，因未形成回路，故接地電流較負載電流要小;在這種系統(tǒng)中，為了監(jiān)測電網(wǎng)系統(tǒng)在運行時的對地絕緣狀態(tài)，同時為向綜合自動化系統(tǒng)中的繼保裝置、計量儀表、信號系統(tǒng)、母線電壓監(jiān)視裝置、自動裝置和遠動裝置提供電壓，就需要在變電站各電壓等級的母線上安裝三相電壓互感器。

而在系統(tǒng)運行中，往往會出現(xiàn)系統(tǒng)電壓較低和系統(tǒng)電壓過高的異常運行狀態(tài);在系統(tǒng)正常運行時，YH鐵芯不會飽和，也就不會發(fā)生中性點漂移，即中性點與地的電位是等電位。也就是說，當系統(tǒng)因故出現(xiàn)波動時，YH鐵芯電感受到“刺激”，發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，破壞了電路的對稱性，使中性點發(fā)生漂移，進而形成了鐵磁諧振過電壓。也就是說當系統(tǒng)電壓低時：YH鐵芯未飽和，此時電容電流大于電感電流，如果在此時出現(xiàn)中性點電壓漂移，那么由于感抗大于容抗，所以不具備引起諧振的環(huán)境;而一旦系統(tǒng)電壓忽然升高，由于YH鐵芯飽和，會導致電感電流大于電容電流，此時感抗在不斷降低，當感抗降低到與容抗等值時，便會產(chǎn)生諧振;這個時候，電感、電容兩端都會呈現(xiàn)高電壓，電路中勵磁電流快速增大，此時的勵磁電流有可能會達到額定電流的數(shù)十倍，直接導致YH高壓側熔斷器熔斷，甚至引起YH燒毀。

圖3中的伏安特性曲線在是一定頻率下，分別描述系統(tǒng)純?nèi)菪曰蚋行缘牡湫吞卣?，其中感性負載伏安特性曲線可分為線性段及非線性段。若系統(tǒng)負載參數(shù)合理，均工作在線性區(qū)域，屬于設計的理性運行狀態(tài)，如圖3中曲線2所示。曲線1表明，系統(tǒng)參數(shù)使得電壓互感器工作在飽和區(qū)，可能引起諧振;曲線4表明系統(tǒng)容性電流較小，曲線3，5表明系統(tǒng)容性電流較大，系統(tǒng)均不會發(fā)生諧振。系統(tǒng)參數(shù)與電網(wǎng)運行方式相關，即對一個穩(wěn)定的拓撲網(wǎng)絡，設計合理諧振發(fā)生的概率會較小，但對于發(fā)展中的電網(wǎng)或運行方式調(diào)整情況下，就會導致諧振發(fā)生的可能。另外，系統(tǒng)參數(shù)與系統(tǒng)中性點接地方式相關，與中性點接地小弧線圈參數(shù)與補償度有關。

（2）弧光接地引起熔斷

中性點不接地系統(tǒng)中，當有一相出現(xiàn)接地時，會伴有電弧。而因為電容、電感的存在，就極有可能在線路的某一段發(fā)生波動振蕩。當出現(xiàn)電流振蕩零點或工頻零點時電弧有幾率暫時熄滅，接地也會暫時恢復正常，而此時，由于接地相電壓逐漸恢復升高電弧有可能再次燃起，這就是間歇性弧光接地。

針對間歇性弧光接地，分析如下：如果在電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生接地并產(chǎn)生了間歇性得弧光接地，那么此時便會引起低頻飽和，導致YH高壓側熔斷器熔斷。除系統(tǒng)諧振導致電壓互感器高壓側熔斷器的熔斷外，根據(jù)相關資料可知，當系統(tǒng)對地電容較大時系統(tǒng)在發(fā)生間歇性電弧接地或接地消失時，在整個恢復過程中，非故障相所存儲的對地電容電荷將會重新分配，這時便會通過YH中性點的接地點在YH的一次繞組中形成回路，產(chǎn)生低頻振蕩電壓，導致運行中的YH鐵芯達到飽和狀態(tài)產(chǎn)生飽和電流，飽和電流會在單相接地消失后的1/4至1/2工頻周期內(nèi)出現(xiàn)，這時的電流值將遠遠大于分頻諧振電流，而分頻諧振電流一般大于額定勵磁電流近百倍，頻率為2～5 Hz。此時的飽和電流呈現(xiàn)高幅值和作用時間短的特性，通常在單相接地消失后的半個周期內(nèi)就可以熔斷熔絲，可見故障恢復后的電容放電沖擊電流是主要原因。

典型中壓電力系統(tǒng)的等值電路如圖4所示，從電荷守恒的視角分析如下：系統(tǒng)正常運行時，三相總電荷之和為0，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，其余兩相電壓升高至線電壓，從電場理論分析可知，相當于健全相增加了電荷量，通過系統(tǒng)形成電容電流維持新的單相接地狀態(tài)的平衡。當單相接地故障恢復后，接地點斷開，系統(tǒng)內(nèi)的電荷重新在系統(tǒng)內(nèi)平衡，多余電荷在系統(tǒng)內(nèi)靠電壓互感器回路泄放，直至為零。如瞬間單相接地故障頻繁發(fā)生，電流就會疊加，從而導致熔絲熔斷。

（3）負荷側電壓低引起熔斷

配電系統(tǒng)由于供電半徑過大，而導致負荷側電壓偏低，為保證未端變電站電壓處于合格范圍內(nèi)，調(diào)控部門會通過遠方調(diào)壓的方式使上級變電站得電壓處在上限運行，造成上級變電站電壓偏高。在這種工況下，電壓的突然升高會導致出現(xiàn)很大的勵磁涌流，造成該相YH磁路飽和，此時，勵磁電感減小，中性點出現(xiàn)位移電壓。而由于YH鐵芯的磁飽和，造成電流、電壓波形的波動變異，從而產(chǎn)生了諧波，導致YH高壓側熔斷器熔斷。

2 改善與治理措施

經(jīng)過以上的調(diào)查、統(tǒng)計和分析、總結可知，YH高壓側熔斷器頻繁熔斷的故障只能通過提高電壓互感器及熔絲質(zhì)量、提高互感器鐵芯磁飽和度、增加和完善消諧措施以及減少容易引起系統(tǒng)波動的電氣操作，因此應盡量的抑制和減少熔斷次數(shù)，但是YH熔斷器熔斷的情況卻難以杜絕;而如何才能抑制和減少YH高壓側熔斷器的熔斷次數(shù)，作者認為可以從以下幾個方面去進行完善改進。

2.1 優(yōu)化配電網(wǎng)架設計供電半徑趨于合理，合理調(diào)度優(yōu)化運行方式

采用網(wǎng)格化模式，合理布局電源，優(yōu)化電網(wǎng)結構，從物理參數(shù)上避免諧振。改變運行方式時，需要校驗諧振的邊界條件。

2.2 改進配置，采取技術與裝備手段消除隱患

中壓系統(tǒng)配置自動調(diào)諧的消弧線圈、避免弧光接地過電壓持續(xù)產(chǎn)生;針對未采取消諧措施的電壓互感器，應安裝一次消諧器及二次消諧裝置，以此來改善YH的勵磁特性，從而提高鐵芯磁飽和度。

2.3 采用電子式互感器或改善電磁式互感器鐵芯伏安特性

電子式互感器與系統(tǒng)隔離，不存在鐵芯飽和現(xiàn)象，在一二次融合的規(guī)則指導下，在中壓系統(tǒng)可以推廣使用;優(yōu)化電壓互感器選型，選擇全絕緣型、磁飽和強度高及伏安特性線性度較好的鐵芯;高壓側熔斷器熔絲應選擇裝設充填硅砂的熄滅電弧性能優(yōu)異的瓷管熔斷器。

2.4 實施差異化治理措施

（1）諧波在線監(jiān)測。由于電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的一些大廠、大礦生產(chǎn)運行時，尤其是電弧爐運行時會產(chǎn)生諧波，造成YH鐵心飽和。建議對供電區(qū)域內(nèi)的工礦企業(yè)進行諧波檢測，檢測企業(yè)用戶在設備生產(chǎn)運行過程中產(chǎn)生的諧波量否在合格范圍內(nèi)，如果諧波量超過了允許值，那么可以采用改變用戶側變壓器接線方式的方法，達到抑制和消除諧波的目的。使因用戶設備運行生產(chǎn)產(chǎn)生的諧波在用戶側得到消耗，如變壓器接線方式為Y/Y接線的，可改為Y/△接線，以使大量的諧波不至于傳送至整個電網(wǎng)系統(tǒng)，影響系統(tǒng)網(wǎng)絡的穩(wěn)定運行。

（2）及時調(diào)整系統(tǒng)存量的消弧線圈容量配置?；谖寄系貐^(qū)的電網(wǎng)結構，結合不斷增加的長距離線路，開展系統(tǒng)對地電容電流測試。根據(jù)電容電流值情況，考慮增加變電站消弧線圈容量，通過投、退消弧線圈改變補償量，對產(chǎn)生諧振的條件進行改善，從而減少諧振的產(chǎn)生。

（3）提高中性點阻抗。在電壓互感器高壓側繞組中性點接入一只單相電壓互感器，經(jīng)過這只單相YH進行接地，也就是說在系統(tǒng)的中性點接入高阻抗，使YH的等值阻抗有效增加。這樣，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，零序電壓將大部分施加在這只單相YH上，使YH不易發(fā)生磁飽和，避免鐵磁諧振的發(fā)生。

3 結 語

本文在現(xiàn)場調(diào)研和查閱大量相關文獻的基礎上，分析了近期某區(qū)域電網(wǎng)電壓互感器高壓側熔斷器熔斷事件，針對電磁式電壓互感器一次側高壓熔斷器熔斷問題進行了統(tǒng)計與理論分析，根據(jù)研究結果提出了差異化解決辦法。指出了從網(wǎng)絡結構、在線監(jiān)測、運行方式、設備選型等多層次考慮不同的改善與治理方法，可以減低電壓互感器高壓側熔絲熔斷事件的發(fā)生，提高系統(tǒng)供電可靠性。

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