一起35kV電壓互感器爆裂事故分析

田理想　常龍新　杜景軍　張斌　彭鵬　劉秀峰　李杰

摘要：文章通過一起35kV電壓互感器異常炸裂事故的案例，分析了電力系統諧振現象及其特點以及諧振對于供電系統的危害，并根據實際案例總結了有效的防范措施。

關鍵詞：擊穿鐵磁；諧振短路；接地力；系統過電壓

中圖分類號：TM451 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）23-0142-02

1 案例分析

1.1 故障發生前系統運行狀態

故障發生前，35kV變電站為高壓側35kV單母分段運行、低壓側10kV單母分段運行，各為兩段。35kV I母接：311 I段進線、4-9 I段PT、301 I段出線；35kV II母接：321 II段進線、5-9I I段PT、302I I段出線，電壓及負荷均正常。

1.2 事故經過

2012年12月14日0點14分，監控語音報警此變電站“35kV母線I段接地”，同時監控屏顯示35kV母線I段電壓值為：

0點25分，35kV I段母線B相變為全接地，母線電壓

值為：

與此同時，311 I段進線“開關分閘”、“311開關電流2段”動作、“311站用保護測控裝置告警”、“311開關過負荷告警”，同時4-9 I段PT保護測控裝置發出“PT斷線”信號。事故處理過程中，技術人員發現4-9 I段PTB相電壓互感器炸裂，A、C兩相電壓互感器完好。

1.3 事故分析

本案列中，35kVPT接線為Y0/Y0/△接線，原理如

下圖1所示：

圖1

該變電站所負責的用電設備主要為10kV級大型卷揚機設備，由于多臺卷揚機設備頻繁不定時啟動，造成負荷不穩定，無功補償自動投切裝置所控制的電容容量也不斷來回切換，系統因直接突然投入和斷開并聯電容而引起諧振。由于系統出現諧振，4-9 I段PT C相電壓互感器出現瞬間閃絡，導致35kV母線I段C相瞬間出現接地，又使35kV母線I段B相產生事故短路過電壓，以至于擊穿B相絕緣，導致B相電壓互感器炸裂。具體原因如下：

該電壓互感器材料質量差，在送電前交接試驗時試驗項目雖然合格，但在長期運行狀況時，其絕緣材料逐漸老化，當有沖擊電壓發生時，出現絕緣擊穿現場。

當電壓互感器鐵芯達到飽和狀態時，極易發生諧振，產生2～3.5倍額定電壓的過電壓和幾十倍額定電流的過電流，從而引起電壓互感器的炸裂、燒毀。

電壓互感器高壓繞組中性點直接接地，當電壓互感器飽和引起鐵磁諧振時無法消除。

電壓互感器低壓繞組開口三角形繞組兩端直接接地，未并聯阻尼電阻或消振器，起不到消除諧振的作用。

2 鐵磁諧振

第一，在6～35kV系統中，系統回路中常常會由于類似“變壓器、電壓互感器、消弧線圈”等電感的磁路飽和激發連續性的高幅值的鐵磁諧振過電壓情況，此種現象的特點為：

（1）諧振回路中鐵心電感是非線性的，電感量的變化緊跟電流量、鐵心飽和處于穩定狀態。

（2）鐵磁諧振需要一定的觸發條件，迫使電壓值和電流幅值從正常轉移到諧振狀態。比如電源電壓短時升高、供電系統遭受強烈的大電流沖擊等。

（3）鐵磁諧振本身具有自保持能力。當觸發條件消失后，鐵磁諧振過電壓可繼續存在。

（4）鐵磁諧振的過電壓按常理不會太過于超高，過電壓幅值主要決定于鐵心電感的飽和程度。

第二，鐵磁諧振可以為基波諧振，也可以是高次諧波諧振和分次諧波諧振，它的共同特征為系統電壓升高，出現絕緣閃絡或避雷器爆炸，或產生高值零序電壓，出現假接地和不正確的接地現象，也或者在電壓互感器中出現過電流，從而導致熔斷器熔斷或互感器燒壞，母線電壓互感器的開口三角繞組出現較高電壓，致使母線絕緣監視信號動作。

第三，中性點直接接地系統鐵磁諧振產生的原因。中性點直接接地系統中，電壓互感器的繞組與三相電源電勢分別相連，各點的電位是固定的，不會出現中性點位移過電壓；如果中性點通過消弧線圈接地，消弧線圈的電感值對于電壓互感器的勵磁電感比較可以忽略不計，即為電壓互感器的電感被短接，這樣也不會引起過電壓。可一旦由于人員操作失誤或者正常倒閘操作過程中也會轉變為等同于系統局部中性點不接地狀態臨時運行，此種情況時，鐵磁諧振的觸發條件一般為合刀閘和斷路器分閘，在進行此種操作時，由于系統受到強烈的沖擊，致使電感兩端出現短暫電壓升高、大電流的震蕩或鐵心電感的涌流現象，這種情況有很大概率會和斷路器的均壓電容一起形成鐵磁諧振。

3 鐵磁諧振對供電系統的影響

通過上述解析，我們可以知道，一旦線路發生單相接地或斷路器操作等情況時，便會導致電壓互感器電壓升高，三相鐵芯出現飽和，電壓互感器的各相感抗發生變化，各相電感值不相同，中性點位漂移出線零序電壓。由于電流不斷增大，電壓互感器鐵芯也會磁飽和，一旦滿足ωL=1/ωC時，具備諧振條件，就會諧振過電壓。

諧振過電壓的危害如下：

（1）當發生諧振過電壓時，電壓互感器一次勵磁電流迅速增大，從而導致高壓熔絲熔斷。若是電流值還沒有達到使熔絲熔斷的數值，而是超過了電壓互感器額定電流值，使電壓互感器長時間處于過電流狀態，電壓互感器最終將會被燒損。

（2）當鐵磁諧振出現后，系統從感性變為容性，電流基波相位發生180°變化，如此將使逆序分量勝于正序分量，導致小容量的異步電動機發生反轉。

（3）鐵磁諧振會引起高零序電壓分量和假接地等。

4 針對案列事故應采取的防護措施

（1）選用電壓互感器時，選擇大品牌，質量有保證的產品，以防類似事故再次發生。

（2）合理改善電容無功補償投切方式，避免頻繁投入和斷開。

（3）采用勵磁特性好的電壓互感器，使電壓互感器在發生單相接地故障情況下鐵芯不易飽和，避免感抗的減小，因而不能構成諧振的匹配參數，可以減少諧振發生的概率。

（4）在電壓互感器一次繞組的中性點上接消弧線圈，可抑制或消除因電壓互感器飽和所引起的鐵磁諧振。

（5）在二次側開口三角繞組加阻尼電阻，也就是將電阻角接至電壓互感器中性點上，阻值越小，抑制諧振的發生的幾率就越大。若電阻角接后阻值為零，也就相當于開口三角繞組短接，即電網中性點直接接地，這樣就不會滿足發生鐵磁諧振的條件。

（6）在二次側開口三角繞組加裝微機消諧裝置，正常工作情況下，開口三角端電壓小于30V，而微機消諧裝置內的大功率消諧元件處于阻斷狀態，對系統運行不會產生影響。當開口電壓大于30V時，微機消諧裝置開始采集數據，通過對采集到的數據進行分析、計算，從而得出故障類型。若當前是鐵磁諧振，系統將馬上啟動消諧電路，讓鐵磁諧振在阻尼作用下快速消失。

5 結語

在供電系統中，成熟穩定的電力設備能大大提高系統供電的可靠性和穩定性，配用合理的消諧裝置能很大程度上消弱供電系統內的諧振過電壓。通過案列中對諧振事故的分析，利用鐵磁諧振原理，根據實際工作經驗對諧振過電壓總結解決措施和預防方法，以便在實際工作中參考和運用，從而提高供電的安全性和可靠性。

參考文獻

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