電壓互感器保護技術研究及設計

耿東勇

（晉城煤業集團供電分公司，山西 晉城 048006）

我國3～35kV 中壓供配電系統主要采用中性點非有效接地方式，其供電可靠性要遠高于中性點有效接地的供配電系統。從多年的運行經驗和近年來中壓供配電系統的發展情況看，中性點非有效接地方式也給中壓供配電系統帶來了一些問題：中性點非有效接地系統中發生單相接地故障時，通常表現為弧光接地的形式，此時非故障相線路對地電壓最高可升至3.5 倍相電壓，系統的過電壓往往會在系統絕緣薄弱處引起絕緣對地閃絡[1-3]。

電磁式電壓互感器（Potential Transformer,PT）具有非線性的電磁特性。在系統遭受雷擊過電壓、操作過電壓、接地故障恢復以及PT 自身不同期合閘等外界因素干擾下，PT 鐵心發生飽和，電感量急劇下降，容易和系統參數激發復雜的鐵磁諧振，產生高頻、工頻、低頻諧振過電壓。同時PT 鐵心飽和產生較大勵磁涌流以及接地故障恢復時流過PT的低頻振蕩電流均可能導致PT 熔絲熔斷，嚴重時甚至導致PT 燒毀[4-10]。

1 問題提出

晉城煤業集團老區35kV 系統中存在由于過電壓引起PT 燒毀、高壓熔絲熔斷等問題，多年來一直沒有得到有效解決。尤其是掛網運行于該35kV系統中的王臺35kV 變電站，從投運以來PT 已連續十幾年在系統接地后發生多次燒毀現象,同時高壓熔斷器也頻繁熔斷，嚴重威脅著設備及電網的安全運行。王臺35kV 變電站歷年PT 燒毀及熔斷器熔斷情況，見表1。

表1 歷年PT 燒毀及熔斷器熔斷情況統計表

最近一次事故發生在2013年09月07日23 點06 分，王臺35kV 變電站運行值班人員在監盤時發現后臺機報警“23∶06∶40 35kV Ⅱ段母線電壓UAB越上限，23∶07∶15 35kVⅡ段母線電壓UAB上上限—上限，23∶07∶30 35kVⅡ段母線電壓UAB越下限， 23∶07∶31 中王Ⅱ回354 相對時間0ms 母線TV 斷線告警，23∶07∶41 2#主變高后備相對時間0ms TV 斷線告警”。查看電壓棒圖發現：35kVⅡ段 A 相電壓為15.2kV，B、C 兩相電壓正常（21.6kV 左右），初步判定為A 相保險故障，隨即到35kV 室檢查發現室內有煙霧和異味，經開啟風扇通風后，檢查35kVⅡ段PT，A 相保險及A 相PT 本體炸裂，內部絕緣物質有噴出。現場PT 損壞情況，如圖1所示。

圖1 PT 現場損壞情況

2 原因分析和保護方法研究

仿真和動態模擬的試驗結果表明，PT 常見故障主要是由于單相接地故障消除后，故障相電壓要從地電壓升至相電壓，正常相要從線電壓降至相電壓。伴隨著這個各相電壓變化的過程，儲存在電網各相對地電容中的電荷需要重新分配。由于中心點非有效接地系統中只有PT 中性點接地，這些電荷必然通過PT 繞組和中性點才能構成回路。在這個由系統各相對地電容和PT 繞組勵磁電抗構成的振蕩回路中，PT 勵磁電抗的電感非常大，所以該回路的振蕩頻率很低。加之PT 鐵心的飽和特性，通過PT 的沖擊涌流可以達到很高的值，如圖2所示。

圖2 PT 的沖擊涌流試驗波形

圖2中通過PT 的電流，其峰值可達4.2A，振蕩頻率5Hz。PT 保護熔斷器的額定電流一般是0.5A。所以很有可能燒斷PT 的熔斷器或造成PT 自身的傷害。為限制該沖擊涌流保護PT，可以考慮在PT 中性點串接一非線性電阻，并在電網正常運行時用一接觸器將其短接，以防止影響PT 的測量精度。該接觸器只是在電網發生單相接地故障以后才斷開，電網恢復正常運行后迅速短接。如圖3所示，在PT中性點加裝保護裝置后可以有效抑制沖擊涌流的試驗波形。

圖3 PT 中性點加裝保護裝置后可以有效抑制 沖擊涌流的試驗波形

3 保護設計

1）PT 高速組合式保護裝置。采用非線性電阻并連接觸器的一次側保護裝置和為防止PT 開口三角輸出虛假過電壓信號二次側保護裝置相結合的方法,能快速有效防止各種PT 故障的發生。并且能夠防止微機綜保接受到虛假過電壓信號。PT 高速組合式保護裝置如圖4所示。

圖4 PT 高速組合式保護裝置示意圖

2）一次側保護裝置（PTB）。在PT 的中性點使用碳化硅非線性電阻和真空開關并聯串接到地排。系統正常運行時真空繼電器K 閉合旁路碳化硅電阻（SiC）相當于PT 的中性點接地，完全抑制系統的測量開口的電壓偏移，不影響系統的測量和保護。電壓互感器發生鐵磁諧振時，中性點產生位移，使三相電壓不對稱，在開口三角兩端產生零序電壓，互感器高壓繞組流過零序電流。控制系統發出命令使K 斷開將SiC 投入，有效抑制系統的諧振，接地故障恢復后K 延時閉合有效抑制系統的涌流和低頻諧振。

3）二次側保護裝置。高速全頻二次消諧器將微機技術用于電網消諧，利用計算機快速、準確的數據處理能力實現傅里葉分析，其選頻準確。通過對PT 三相電壓及開口三角電壓的采集，對電網諧振時的各種頻率成份能快速分析、處理。

通過微機控制可控硅導通和關斷，使PT 二次繞組形成有效零序電流流通通道。這個零序電流是對高壓繞組中的零序電流所建立的磁通起去磁作用。二次零序電流接近PT 二次繞組短路電流，去磁效果非常好。但控制時間短，周期執行3 到5 次。如圖5所示；通道2 為開關信號，通道1 為零序電壓信號。

圖5 二次零序電流接近PT 二次繞組短路電流時 去磁試效果驗波形

4）母線大能容過電壓吸收器。當投切空母線時，母線處在無過電壓保護狀態中。往往易于引發多種大能量的過電壓，危及PT 的正常運行。因此需要在母線側加裝大能容過電壓吸收器。

5）電壓互感器。選用高質量，2 倍以上飽和點的全絕緣電壓互感器。

6）柜體結構。選用標準開關柜體，加裝隔離刀閘和保護熔斷器。

設計后PT 柜體內一次主接線如圖6所示。

圖6 PT 柜體一次接線圖

4 現場應用

2015年4月6日11∶52，掛網運行于老區35kV系統上的鳳凰山站35kV 站變Ⅱ高壓進線電纜C 相電纜頭絕緣擊穿引起接地，引起老區35kV 系統Ⅱ段母線C 相接地，同時長時間接地引發電纜著火造成弧光短路（B、C 相短路）。

王臺35kV 變電站PT 保護裝置于11∶52∶15.928采集到波形如圖7所示。從圖中可以看出，C 相電壓降低時，A 相、B 相電壓升高且發生畸變，零序電壓3U0明顯升高。單從波形可以說明C 相接地。

圖7 PT 保護裝置故障錄波波形

11∶52∶16.091 裝置采集到Ua=83.72V、Ub= 80.34V、Uc=31.05V、3U0=150.17V、F=12.10，報低頻諧振，低頻諧振出口情況見表2。

表2 低頻諧振出口情況

11∶52∶18.959 裝置采集到Ua=85.21V、Ub= 112.83V、Uc=22.15V，3U0=98.58V，報弧光接地，C 相弧光接地出口情況如表3所示。同時王臺35kV變35kV Ⅱ段PT 智能開關PT 正確動作，消諧電阻投入。

表3 C 相弧光接地出口情況

綜上所述，王臺35kV 變電站PT 柜改造后，在2015年4月6日接地事故中智能開關投切電阻正確，裝置波形及裝置出口情況和現場事故現象基本一致。接地事故當天，運行人員對PT 進行了仔細檢查，未發現明顯異常。2015年4月15日試驗人員對PT 進行試驗，試驗結果是PT 完好。由此可以看出，該電壓互感器保護技術有效解決了電壓互感器燒毀問題，保證系統的安全運行。

5 結論

35kV 中性點不接地電網中PT 鐵磁諧振時產生的過電壓常使設備內絕緣擊穿、外絕緣放電，且會因事故處理不及時，造成事故擴大；電網中弧光接地使PT 經常燒毀；母線上Y0 接線的PT 一次繞組將成為該電網對地惟一金屬性通道，單相接地或消失時，電網對地電容通過PT 一次繞組有一個放電的過渡過程，試驗測得此時常常有最高幅值達數安培的工頻半波涌流通過PT，此時電流有可能將PT高壓熔絲（0.5A）熔斷。目前上述問題的處理方案是采用PT 一次中性點增加一次消諧器，這個方案對抑制PT 涌流有較好的效果，但對于因系統參數的變化導致復雜的PT 諧振卻沒有什么效果。本文通過對電壓互感器保護的研究與設計，采用智能開關與一次消諧器配合使用，當系統正常運行時智能開關閉合，一次消諧器被短路的同時，電壓互感器中性點直接接地，當系統遭受弧光接地等異常情況時，智能開關打開，一次消諧器接入中性點，從根本上解決了系統單相接地故障消除后、三相電壓恢復平衡時、系統對地涌流通過PT 一次中性點造成PT 熔絲熔斷或PT 損壞的問題。能夠有效解決PT 燒毀問題，對加強電力系統運行維護管理，保障電網安全、穩定和可靠運行具有積極作用。

[1] 趙智大.高電壓技術[M].北京: 中國電力出版社,1999.

[2] GB 1207—2006.電磁式電壓互感器[S].

[3] 武萬才,吳志勇,邊疆,等.地區電網電磁式電壓互感器燒損和高壓熔絲熔斷原因分析[J].高壓電器,2011,47(3): 87-92.

[4] 呂磊,王俊.110kV 變電站電壓互感器燒損事故分析[J].內蒙古電力技術,2012,30(3): 120-122.

[5] 張豐,郭碧媛.10kV 三相電磁式電壓互感器并列運行時燒毀原因分析[J].電力系統保護與控制,2009,37(21): 108-111.

[6] 趙世昌,宋銳,王軒,等.電磁式電壓互感器燒損原因分析[J].青海電力,2012,31(2): 49-52.

[7] 宋銳,薛俊茹,吳克勝,等.一起35kV 電壓互感器燒毀事故原因分析[J].青海電力,2011,30(4): 47-49.

[8] 陳軍旗.35kV 電壓互感器燒毀的原因分析及解決方案[J].自動化應用,2014(1): 59-60.

[9] 屈有清,王平,張志勝,等.35kV 充氣柜電壓互感器燒損原因分析[J].青海電力,2013,32(1): 48-50.

[10] 閆立志,趙永俊,梁貴書.電壓互感器非線性模型反演運算的仿真研究[J].陜西電力,2011,39(7): 21-24.