電磁式電壓互感器一次保險熔斷原因分析

1 引言

在中性點不接地系統(tǒng)中，廣泛使用電磁式電壓互感器，用以計量和保護。運行經(jīng)驗表明，電磁式電壓互感器一次保險熔斷頻繁，有的在更換保險后，又多次出現(xiàn)熔斷，嚴重影響了電網(wǎng)的安全可靠運行。因此，有必要分析電磁式電壓互感器一次保險熔斷的原因，并提出針對性的防范措施，避免事故的再次發(fā)生，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

2 電磁式電壓互感器一次保險熔斷統(tǒng)計

為分析電磁式電壓互感器一次保險熔斷原因，我單位詳細統(tǒng)計了2011年3月1日以來電磁式電壓互感器一次保險熔斷情況。

在所統(tǒng)計的19例電磁式電壓互感器保險熔斷事件中，有17例是在系統(tǒng)正常運行的情況下熔斷，只有2例是系統(tǒng)在天氣惡劣，并且有接地的情況下熔斷。在這19例保險熔斷事件中，有2例是ABC三相都熔斷，有6例在更換保險后投運的過程中，再次熔斷保險。僅有1例是由于電磁式電壓互感器損壞導(dǎo)致保險熔斷。

3 原因分析

電磁式電壓互感器一次加裝保險，是為防止電流過大而將互感器燒毀，起到保護互感器的作用。因此，若保險頻繁熔斷，在排除保險本身的問題后，就要從過電流產(chǎn)生的原因來進行分析。認為，不管是什么原因造成的鐵芯飽和，是產(chǎn)生過電流的直接原因。首先，電磁式電壓互感器鐵芯飽和引發(fā)的鐵磁諧振是造成一次保險頻繁熔斷甚至互感器爆炸燒毀最常見的原因，鐵磁諧振需要外界因素的激發(fā)，一般在系統(tǒng)有接地、操作或其它原因引起的過電壓的情況下發(fā)生。其次，電壓互感器選用不當(dāng)，其鐵芯飽和點較低，在系統(tǒng)電壓略微提高后，即進入飽和區(qū)，勵磁電流迅速增大，導(dǎo)致一次保險熔斷。另外，有的系統(tǒng)已脫離鐵磁諧振區(qū)域，但在正常運行時，保險仍頻繁熔斷，針對這種現(xiàn)象，有專家提出了超低頻振蕩理論。

（1）鐵磁諧振原理。電磁式電壓互感器是帶有鐵芯的電感線圈，其伏安特性具有非線性，在外界條件的激勵下，當(dāng)鐵芯飽和后，電感值會變小，進而與系統(tǒng)的電容參數(shù)組成諧振電路，引起過電壓或過電流。為研究鐵磁諧振產(chǎn)生的原因，可以用圖1中LC串聯(lián)電路進行分析。

圖1 LC串聯(lián)電路

圖1中，L為帶鐵心的電感線圈；C為電容元件；E為正弦波工頻電源電勢；UL為電感線圈的電壓降；UC為電容的電壓降；I為LC串聯(lián)電路中的電流。若忽略上圖中各元件及電路的電阻值，其電感和電容元件的伏安特性如圖2所示.圖2中，UC為電容元件的伏安特性且為線性；UL為電感元件的伏安特性且為非線性；E為工頻電源的伏安特性且為恒定不變；曲線△U=|UL-UC|。

圖2 LC串聯(lián)電路中電感及電容元件的伏安特性

鐵磁諧振具有如下的性質(zhì)：

1）由于電感的伏安特性是逐漸趨于飽和的，因此在鐵芯未飽和前，只要滿足ωL=1/ωc，即C=1/ω2L，則圖2中曲線UC和UL必有交點3，因此鐵磁諧振在滿足C＞1/ω2L的范圍內(nèi)都可能發(fā)生，而不像線性諧振那樣需要嚴格的C值。

2）鐵磁諧振的發(fā)生，除了需要滿足（1）中的基本條件，還需要有外界條件的激發(fā)，才能發(fā)生。所謂激發(fā)，就是使鐵芯飽和，因此，無論什么原因使鐵芯飽和，都可能產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓。比如電壓的升高，合閘時的勵磁涌流，以及電網(wǎng)中的分次諧波等等，都會使鐵芯飽和。

3）發(fā)生鐵磁諧振時，由于鐵芯電感的飽和效應(yīng)，其過電壓幅值一般不會很高，而電流卻可能很大。因此發(fā)生鐵磁諧振時，一次保險將熔斷。

4）鐵磁諧振可以自保持。鐵磁諧振雖然需要電源電壓的提高來激發(fā)，當(dāng)?shù)ぐl(fā)過后，電源電壓降到正常值時，鐵磁諧振過電壓仍可能繼續(xù)存在。也就是說，鐵磁諧振發(fā)生后，可以長時間存在。

5）在非線性振蕩電路中的電流除了基波外，還有高次諧波，也有分次諧波。因此，既可能出現(xiàn)基波諧振，也可能出現(xiàn)高次諧波諧振，甚至有可能出現(xiàn)分次諧波諧振。到底出現(xiàn)哪種諧振，和電路的固有頻率有關(guān)，即由電感和電容值決定，而電感值又和鐵芯飽和程度有關(guān)。因此，發(fā)生鐵磁諧振時，具有各次諧波諧振的可能（實際上多為1/3、1/2、1和3次）。

在中性點不接地系統(tǒng)中，電磁式電壓互感器最常受到的激發(fā)有兩種。一是電源對只帶電壓互感器的空母線突然合閘。二是線路上有弧光接地情況。這兩種情況下都使鐵芯飽和，電感值下降，引發(fā)鐵磁諧振。實際運行經(jīng)驗表明，在天氣比較惡劣時，如大風(fēng)大雨天氣，一次保險熔斷甚至互感器燒毀的現(xiàn)象時有發(fā)生，基本上都是由于線路上出現(xiàn)似接非接的接地情況，導(dǎo)致出現(xiàn)弧光接地發(fā)生，從而引發(fā)了鐵磁諧振。

（2）電壓互感器選用不當(dāng)，也有可能造成一次保險頻繁熔斷。因此，在有條件的情況下，盡量選用鐵芯飽和磁通密度較高的互感器，使互感器不那么容易飽和。實際運行中，對我單位經(jīng)常發(fā)生互感器保險熔斷甚至互感器燒毀的間隔，在更換了鐵芯飽和磁通密度較高的互感器后，就不再發(fā)生事故了。

（3）從統(tǒng)計表中，我們還能看出，絕大多數(shù)的事例是在系統(tǒng)正常運行情況下發(fā)生的。我們以220kV東楊變電站35kV2號母線為例進行分析，該間隔ABC三相保險在兩天相繼熔斷。

35kV2號母線電壓互感器基本參數(shù)如下：

型號：JDZXF16-35

廠家：江蘇靖江互感器廠

絕緣介質(zhì)：油浸式

出廠日期：2008.3

其勵磁特性曲線試驗數(shù)據(jù)如下表所示：（單位：A，加壓繞組：dadn）

從表中可以看出，該互感器的勵磁特性曲線較好，其飽和電壓較高，因此保險熔斷與互感器本身的性質(zhì)無法。

再來看系統(tǒng)參數(shù)匹配情況。35kV2號母線僅帶一條出線，線路不長，因此在設(shè)計時，已經(jīng)避開了鐵磁諧振區(qū)域，加之發(fā)生保險熔斷時，天氣情況良好，系統(tǒng)正常運行，無操作，無接地情況，因此不太可能發(fā)生鐵磁諧振，保險的熔斷和鐵磁諧振也無關(guān)。

為此，查閱相關(guān)資料，有的專家提出，這種情況是由于超低頻振蕩引起的。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)超低頻振蕩時，超低頻信號可以使鐵芯迅速飽和，勵磁電流大幅度增長，使一次保險熔斷。因此，當(dāng)系統(tǒng)中XC/XL＜0.01時，即可避免鐵磁諧振，但有的系統(tǒng)明顯在脫離諧振區(qū)域（如基本不帶負荷，或者所帶出線較少），但一次保險仍頻繁熔斷，在排除互感器本身故障后，就要考慮系統(tǒng)中是否存在超低頻振蕩。

（4）在上述統(tǒng)計表中，有6例是屬于更換保險后，投運時再次熔斷的情況。這種情況是由于投運合閘時勵磁涌流造成的。互感器在合閘時，鐵芯中磁通的瞬變過程與合閘時刻電壓的初始相角有關(guān)。當(dāng)在合閘瞬間，電壓處于峰值時，鐵芯中磁通將從零開始增長，這種情況與穩(wěn)態(tài)運行一樣，線圈中電流將穩(wěn)步增長，不會出現(xiàn)突變。當(dāng)在合閘瞬間，電壓處于零值時，鐵芯中磁通將從零瞬間達到最達值，屬于突變過程，必然會出現(xiàn)振蕩，經(jīng)驗表明，勵磁涌流最大可達空載電流的100倍以上，這個電流足以將保險熔斷。因此，在投運互感器時，出現(xiàn)保險熔斷，是屬于正常情況，與合閘時電壓的初始值有關(guān)。

4 防范措施

主要從抑制鐵磁諧振和低頻振蕩以及互感器選用來考慮。

（1）電壓互感器一次繞組中性點經(jīng)消諧電阻接地消諧。在單相接地故障消失后，消諧電阻限制TV一次繞組中的勵磁電流大小，避免TV鐵芯過飽和使其電抗下降，形成諧振電路。消諧電阻越大，消諧效果越好，其一般為幾千歐到幾萬歐不等。但是，消諧電阻太大時，也會產(chǎn)生負面影響。電壓互感器一次繞組中性點經(jīng)消諧電阻接地，只要選擇合適的消諧電阻，此方法既能消除鐵磁諧振過電壓，又能抑制分頻諧振過電流。因此，此法適用于容量較大且對地電容較大的電網(wǎng)。

（2）4TV法消諧。在電壓互感器一次繞組中性點經(jīng)一臺單相電壓互感器接地。相當(dāng)于系統(tǒng)中性點接入一個高阻抗，使電磁式電壓互感器等值阻抗增加。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)零序電壓大部分降落在單相電壓互感器上，使電磁式電壓互感器不宜飽和，避免了鐵磁諧振的發(fā)生。但4TV法增加了電壓互感器等效電感，使分頻諧振產(chǎn)生的過電流存在較長時間，對中性點接單相電壓互感器可能造成危害。

（3）電力系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地消諧。此方法有效地防止電壓互感器鐵磁諧振現(xiàn)象的發(fā)生。電力系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地消諧，無論消弧線圈工作在全補償，還是過補償狀態(tài)，都能消除基頻諧振、分頻諧振和高頻諧振產(chǎn)生的過電壓和過電流。

（4）在電壓互感器的開口三角繞組并聯(lián)阻尼電阻消諧。并聯(lián)阻尼電阻一般為壓敏電阻。系統(tǒng)正常運行時，開口三角繞組輸出電壓為零，電阻呈高阻值；發(fā)生諧振時，電壓互感器一次繞組有零序電流，在開口三角繞組零序電壓，此時電阻呈低阻值且消耗諧振能量。從理論上分析，阻尼電阻越小，消耗諧振能量效果越顯著，但開口三角繞組及阻尼電阻將流過較大的電流，使電壓互感器和阻尼電阻燒毀；另外，阻尼電阻消諧速度慢，不能短時間消除諧振過電壓，電壓互感器仍可能被燒毀。開口三角繞組并聯(lián)阻尼電阻消諧具有局限性，它很難區(qū)分基頻諧振和單相接地故障，無法抑制分頻諧振過電流。因此，此方法適用于容量較小且對地電容不大的電網(wǎng)。

（5）選用勵磁特性較好的電磁式電壓互感器，提高其飽和電壓，可以明顯降低鐵磁諧振發(fā)生的可能。或者選用電容式電壓互感器。近年來，有人提出呈容性的電磁式電壓互感器的使用，在設(shè)計時，在互感器高壓側(cè)加裝高壓電容器，使其呈現(xiàn)容性，在一定頻率和電壓范圍內(nèi)可以避免鐵磁諧振的發(fā)生。

（6）關(guān)于低頻振蕩的抑制，有專家提出主要從一次和二次兩方面進行。其中，一次系統(tǒng)對策有：①增強網(wǎng)架，減少重負荷輸電線；②采用補償電容，減少送受端的電氣距離；③采用直流輸電，從根本上避免功率振蕩；④在長距離輸電線上裝設(shè)SVC(StaticVar Compensator)裝置，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。二次系統(tǒng)的對策主要為：采用附加控制裝置，并適當(dāng)整定其參數(shù)以增加抑制低頻振蕩的阻尼力矩，從而達到抑制振蕩的目的，由于這一方法具有易實現(xiàn)、經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點，已成為抑制低頻振蕩的最主要方法。

5 總結(jié)

在中性點不接地系統(tǒng)中，電磁式電壓互感器一次保險頻繁熔斷的原因比較復(fù)雜，具體情況要具體分析。在實際運行中，對于經(jīng)常發(fā)生熔斷的間隔，在更換較大飽和磁通密度的互感器后，能有效防止事故的發(fā)生。另外，在系統(tǒng)中性點裝消弧線圈可以從根本上限制鐵芯過飽和及鐵磁諧振的發(fā)生。