35kV及以下電壓互感器運行中的常見故障分析及研究

張斌衛，曹喜生

（1.天水長開互感器制造有限公司，甘肅天水741018；2.大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅天水741020）

1 引言

在電力系統中，電壓互感器作為一種儀用變壓器，是一、二次系統的重要聯絡元件，它能正確地反映電氣設備的正常運行和故障情況，目前在我國35kV及以下的電力分配網絡中，由于廣泛采用中性點非有效接地方法，過電壓現象出現的概率比較大，而過電壓所造成的電力設備的絕緣故障，其中電壓互感器保險絲及熔斷管燒毀和互感器爆炸事故是常見的35kV及以下電網中的電力設備事故。因此，對于此類問題的研究對電力設備的安全運行具有十分重要的意義。本文對電壓互感器在運行中的常見故障、成因、機理進行分析研究并提出可行性解決方案。

2 電壓互感器概述

2.1 電壓互感器的分類：

（1）按安裝地點可分為戶內式和戶外式。35kV及以下多制成戶內式；35kV以上則制成戶外式。

（2）按相數可分為單相和三相式，35kV及以上不能制成三相式。

（3）按繞組數目可分為雙繞組和三繞組電壓互感器，三繞組電壓互感器除一次側和基本二次側外，還有一組輔助二次側，供接地保護用。

（4）按絕緣方式可分為干式、澆注式、油浸式和充氣式，干式浸絕緣膠電壓互感器結構簡單、無著火和爆炸危險，但絕緣強度較低，只適用于6kV以下的戶內式裝置；澆注式電壓互感器結構緊湊、維護方便，適用于3kV-35kV戶內式配電裝置；油浸式電壓互感器絕緣性能較好，可用于10kV以上的戶外式配電裝置；充氣式電壓互感器用于SF6全封閉電器中。

（5）此外，還有電容式電壓互感器。電容式電壓互感器實際上是一個單相電容分壓管，由若干個相同的電容器串聯組成，接在高壓相線與地面之間，它廣泛用于110kV，330kV的中性點直接接地的電網中。

2.2 電壓互感器的工作原理：

電磁式電壓互感器其工作原理與變壓器相同，都是通過電磁感應原理工作的，電壓互感器和變壓器一樣均有初級線圈（一次線圈）和次級線圈（二次線圈）及鐵心組成，一次和二次線圈之間使用各種絕緣材料進行絕緣。電壓互感器的基本工作原理圖如下圖1所示：

圖1 電壓互感器基本工作原理圖

其等值電路與變壓器的等值電路也相同，基本結構也是由鐵心和一、二繞組組成。特點是容量很小且比較恒定，正常運行時電壓互感器本身的阻抗很小，因此時接近于空載狀態。由于一旦二次繞組發生短路，電流將急劇增長而燒毀線圈。為此，電壓互感器的一次繞組接有熔斷器，二次繞組可靠接地，以免一、二次繞組絕緣損毀時，二次側出現對地高電位而造成人身和設備事故。對于測量用電壓互感器一般都做成單相雙線圈結構，其一次繞組電壓為被測電壓（如電力系統的線電壓），可以單相使用，也可以用兩臺接成V-V形（不接地型電壓互感器）或三臺接成“Y”形（接地型電壓互感器）作三相使用。具體接線圖如下圖2、圖3、圖4所示：

圖2 一臺互感器用于單相線路的接線圖

圖3 兩臺互感器用于三相線路的接線圖

圖4 三臺互感器接成Y/Y/Δ-12-11型的三相線路的接線圖

實驗室用的電壓互感器往往是一次繞組為多抽頭的，以適應測量不同電壓的需要。供保護接地用電壓互感器還帶有一個第三線圈，稱三線圈電壓互感器。三相的第三線圈接成開口三角形，開口三角形的兩引出端與接地保護繼電器的電壓線圈聯接。正常運行時，電力系統的三相電壓對稱，第三線圈上的三相感應電動勢之和為零。一旦發生單相接地時，中性點出現位移，開口三角的端子間就會出現零序電壓使繼電器動作，從而對電力系統起保護作用。線圈出現零序電壓則相應的鐵心中就會出現零序磁通。為此，這種三相電壓互感器采用旁軛式鐵心（10kV及以下時）或采用三臺單相電壓互感器。對于這種互感器，第三線圈的準確度要求不高，但要求有一定的過勵磁特性（即當一次繞組電壓增加時，鐵心中的磁通密度也增加相應倍數而不會損壞）。此類互感器容量較小但比較恒定，正常運行時接近空載狀態，但是因為電壓互感器本身的阻抗很小，所以一旦發生短路電流就會急劇增加，從而導致互感器內部發熱嚴重最終燒毀線圈。所以在選擇安裝地點時副邊繞組連同鐵心必須可靠接地，絕對不允許短路情況的發生。

一般情況下，35kV及以下電壓互感器鐵芯磁通密度選擇：正常運行時取7000—8000高斯，系統單相接地，未接地相電壓達到1.9倍額定電壓時，鐵芯磁通密度在14000—16000高斯，還達不到鐵芯飽和程度，因此電壓互感器在系統接地時不致過載運行。在運行中曾出現過燒電壓互感器的事故，經試驗分析，有些廠出產的電壓互感器，在加上額定線電壓時（即相當于系統接地時的情況），鐵芯已嚴重飽和，有載損耗增大很多，這是燒毀電壓互感器的主要原因。

3 常見的電壓互感器故障及處理方法

3.1 電壓互感器二次熔絲熔斷

當互感器二次熔絲熔斷時，會出現下列現象：有預告音響；“電壓回路斷線”光字牌會亮；電壓表、有功和無功功率表的指示值會降低或到零；故障相的絕緣監視表計的電壓會降低或到零；“備用電源消失”光字牌會亮；在變壓器、發電機嚴重過流時，互感器熔絲熔斷，低壓過流保護可能誤動。

處理方法：首先根據現象判斷是什么設備的互感器發生故障，退出可能誤動的保護裝置。如低電壓保護、備用電源自投裝置、發電機強行勵磁裝置、低壓過流保護等。然后判斷是互感器二次熔絲的哪一相熔斷，在互感器二次熔絲上下端，用萬用表分別測量兩相之間二次電壓是否都為100V。如果上端是100V，下端沒有100V，則是二次熔絲熔斷，通過對兩相之間上下端交叉測量判斷是哪一相熔絲熔斷，進行更換。如果測量熔絲上端電壓沒有100V，有可能是互感器隔離開關輔助接點接觸不良或一次熔絲熔斷，通過對互感器隔離開關輔助接點兩相之間，上下端交叉測量判斷是互感器隔離開關輔助接點接觸不良還是互感器一次熔絲熔斷。如果是互感器隔離開關輔助接點接觸不良，進行調整處理。如果是互感器一次熔絲熔斷，則拉開互感器隔離開關進行更換。

3.2 電壓互感器一次熔斷器熔斷

故障現象與二次熔絲熔斷一樣，但有可能發“接地”光字牌。因為互感器一相一次熔斷器熔斷時，在開口三角處電壓有33V，而開口三角處電壓整定值為30 V，所以會發“接地”光字處理方法，與二次熔絲熔斷一樣。要注意互感器一次熔斷器座在裝上高壓熔斷器后，彈片是否有松動現象。

3.3 電壓互感器擊穿熔斷器熔斷

凡采用B相接地的互感器二次側中性點都有一個擊穿互感器的擊穿熔斷器，熔斷器的主要作用是：在B相二次熔絲熔斷的時候，即使高壓竄入低壓，仍能使擊穿熔絲熔斷而使互感器二次有保護接地，保護人身和設備的安全，其擊穿熔斷器電壓約500V。故障現象與互感器二次熔絲熔斷一樣，此時更換B相二次熔絲，一換上好的熔絲就會熔斷。不要盲目將熔絲容量加大，要查清原因，是否互感器擊穿熔絲已熔斷。只有將擊穿熔絲更換了，B相二次熔絲才能夠換上?；ジ衅饕弧⒍稳蹟嗥魅蹟嗉皳舸┤蹟嗥魅蹟嘣诂F象上基本一致，查找時一般是先查二次熔斷器及輔助接點，再查一次熔斷器，最后查擊穿熔斷器、互感器內部是否故障。如果發電機在開機時，發電機互感器一次熔斷器經常熔斷又找不出原因，則有可能是由互感器鐵磁諧振引起。

3.4 電壓互感器冒煙損壞

電壓互感器冒煙損壞本體會冒煙，并有較濃的臭味；絕緣監視表計的電壓有可能會降低，電壓表，有功、無功功率表的指示也有可能降低，發電機互感器冒煙，可能有“定子接地”光字牌亮，母線互感器冒煙，可能有“電壓回路斷線”，“備用電源消失”等光字牌亮。

處理方法：如果在互感器冒煙前一次熔斷器從未熔斷，而二次熔斷器多次熔斷，且冒煙不嚴重無一次絕緣損傷象征，在冒煙時一次熔斷器也未熔斷，則應判斷為互感器二次繞組間短路引起冒煙，在二次繞組冒煙而沒有影響到一次絕緣損壞之前，立即退出有關保護、自動裝置，取下二次熔斷器，拉開一次隔離開關，停用互感器。 對充油式互感器，如果在冒煙時，又伴隨著較濃臭味，互感器內部有不正常的噪聲；繞組與外殼或引線與外殼之間有火花放電；冒煙前一次熔斷器熔斷2～3次等現象之一時，應判斷為一次側絕緣損傷而冒煙。如是發電機互感器冒煙，則應立即用解列發電機的方法，如是母線互感器則用停母線的方法停用互感器。此時，決不能用拉開隔離開關的方法停用互感器。

3.5 單相接地故障

現象：故障相電壓降低或為零，其他兩相相電壓升高或上升到線電壓。接地相的判別方法為：

（1）如果一相電壓指示到零，另兩相為線電壓，則為零的相即為接地相。

（2）如果一相電壓指示較低，另兩相較高，則較低的相即為接地相。

（3）如果一相電壓接近線電壓，另兩相電壓相等且這兩相電壓較低時，判別原則是“電壓高，下相糟”，即按A、B、C相序，哪一相電壓高，則其下相可能接地。適用于系統接地但未斷線的故障，記下故障象征就可以避免檢修人員盲目查線。

3.6 鐵磁諧振

鐵磁諧振就是由于鐵心飽和而引起的一種躍變過程，系統中發生的鐵磁諧振分為并聯鐵磁諧振和串聯鐵磁諧振。激發諧振的情況有：電源對只帶互感器的空母線突然合閘，單相接地；合閘時，開關三相不同期。所以諧振的產生是在進行操作或系統發生故障時出現。中性點不接地系統中，互感器的非線性電感往往與該系統的對地電容構成鐵磁諧振，使系統中性點位移產生零序電壓，從而使接互感器的一相對地產生過電壓，這時發出接地信號，很容易將這種虛幻接地誤判別為單相接地。在合空母線或切除部分線路或單相接地故障消失時，也有可能激發鐵磁諧振。此時，中性點電壓（零序電壓）可能是基波（50Hz）、也可能是分頻（25Hz）或高頻（100～150Hz）。經常發生的是基波諧振和分頻諧振。根據運行經驗，當電源向只帶互感器的空母線突然合閘時易產生基波諧振；當發生單相接地時，兩相電壓瞬時升高，三相鐵心受到不同的激勵而呈現不同程度的飽和，易產生分頻諧振。

圖5是一個單相電感電容串聯電路。在電路中，如果電感和電容的參數不匹配，不會產生串聯諧振電路，將不會出現在過電流。但電感的參數是非線性的，當流經電感器的電流過大，電感的鐵心逐漸飽和，其伏安特性如圖6所示。

圖5 單相電感電容串聯電路

圖6 鐵磁諧振伏安特性曲線

圖中UL（i）為電感伏安特性曲線。電感一般工作在伏安特性曲線啟動時的直線部分，當碰到電壓過電流的時候，運行點將沿曲線上升到非線性部分。當運行點上升到電感和電容的伏安特性曲線的伏安特性曲線的交點，將導致一個串聯諧振。圖3電路的串聯諧振電感和電容的組合是等效的電線，電路中的電流在理論上為無限大，這是簡單意義上的鐵磁共振。

在中壓電網中，電壓互感器直接安裝在母線上。因呈容性的電路會與互感器電感組成零序回路，系統等值圖如圖7所示。

電力系統運行和實驗表明，當電壓互感器電感和線路的電容匹配，在一定條件下（如空載母線封閉、瞬時短路故障消失，這些條件可能會導致互感器鐵心飽和），會產生不同頻率的鐵磁共振。由于電壓互感器是三相電器，所以它引起鐵磁共振是一個三相鐵磁諧振。

圖7 三相等效電路

電力系統運行和物理仿真結果表明，當供電給負載總線切換時合閘最容易出現，倍頻諧波共振；有時當變電站出線是很短的時候，也可能發生諧波共振。電壓下降所造成的負荷電流很小，甚至沒有，所以電壓往往較高，其主要危害是高過多，往往造成的主要設備絕緣擊穿或爆炸，后果很嚴重。3倍頻共振主要用于三相電壓的增加。

基本共振的通常形式是2相電壓上升，1相電壓降低。由于基本共振頻率與工頻電壓是相同的，容易獲得能量的電源，所以基本共振能產生大電流，有時很強，比較容易造成互感器爆炸。分頻共振表現為2相電壓的增加，其主要危害也產生電流。分頻諧振所造成的過電流沒有基本共振電流大，但也往往超過熱穩定性的電壓互感器允許電流值，長期的分頻共振效應也可能燒毀互感器。

互感器在空載狀態運行時，在電力系統中，特別是在35kV及以下非接地系統中存在著大量的儲能元件，很容易發生鐵磁諧振的情況。由于鐵心的飽和和引起電感量的變化，當鐵心的感抗XL與線路對地容抗XC接近或相等時，就會引發并聯鐵磁諧振。造成鐵磁諧振的首要條件是電路中非線性電感元件，其中電路參數的突變，如單母線接地，負載的突然變化或短路以及供電變壓器的三次諧波等。一般發生這種情況時會導致互感器內部繞組過熱，從而引發互感器燒毀或爆炸。

從技術上考慮，為了消除鐵磁諧振，可以采取以下措施：選擇勵磁特性好的電壓互感器或改用電容式電壓互感器；在同一個10kV配電系統中，應盡量減少電壓互感器的臺數；在三相電壓互感器一次側中性點串接單相電壓互感器或在電壓互感器二次開口三角處接入阻尼電阻；在母線上接入一定大小的電容器，使容抗與感抗的比值增大，避免諧振；系統中性點裝設消弧線圈；采用自動調諧原理的接地補償裝置，通過過補、全補和欠補的運行方式，來較好地解決此類問題。自動調諧接地補償裝置能夠實現全補償運行或很小的脫諧度，主要是由于在消弧線圈的一次回路中串入了大功率的阻尼電阻，降低中性點諧振過電壓的幅值使之達到相電壓的5%-10%?？稍谙【€圈的一次回路中串入大功率的阻尼電阻，增大阻尼率的措施來達到。消弧線圈的脫諧率與電壓及電網的阻尼率有關，當電網形成后其不對稱電壓基本是個固定值，消弧線圈為保證在單相接地時有效地抑制弧光過電壓的產生，要求脫諧率達到5%以內，那么只有改變阻尼率，才能改變位移電壓，因此應當在消弧線圈回路串入電阻，保證阻尼率，控制中性點位移電壓。在低壓電網中由于中性點不對稱電壓很小，為提高測量精度采用特制的中性點專用互感器，提高檢測靈敏度；非線性電阻的采用對欠補償下的斷線過電壓和傳遞過電壓都有明顯的抑制作用。

4 電壓互感器故障案例及分析

案例一：2014年7月，某供電公司110 kV變電站發生10kV母線電壓互感器一次側三相熔絲因雷擊諧振熔斷的故障，10kV系統為中性點不接地系統。事后檢查，發現中性點所接消諧電阻正常，中性點絕緣正常，勵磁特性在正常范圍，二次回路絕緣正常，更換高壓熔絲后，電壓互感器又恢復正常運行。雷擊時工頻和高頻鐵磁諧振過電壓的幅值一般較高，可達額定值的3倍以上，起始暫態過程中的電壓幅值可能更高，危及電氣設備的絕緣結構。工頻諧振過電壓可導致三相對地電壓同時升高，或引起＂虛幻接地＂現象。分頻鐵磁諧振可導致相電壓低頻擺動，勵磁感抗成倍下降，過電壓并不高，一般在2倍額定值以下，但感抗下降會使勵磁回路嚴重飽和，勵磁電流急劇加大，電流大大超過額定值，導致鐵心劇烈振動，使電壓互感器一次側熔絲過熱燒毀。

可見，一次內部絕緣對于高電壓等級的電壓互感器十分重要。建議制造廠改變設計，加強最下節瓷套和油箱電磁單元電氣連接部分的絕緣強度，嚴格設計工藝，保持各連接線對地及器件之間的距離，必要時由裸導線更換為絕緣導線（或進行絕緣包扎），嚴格出廠試驗和外協器件的質量把關，確實有效地防止類似故障的發生。

由以上案例可以看出，我國35kV及以下系統是中性點不接地系統，在不投入消弧線圈的運行方式下，易發生由于單相接地造成的系統過電壓，尤其是弧光接地過電壓。這樣就會出現兩相電壓升高、一相電壓降低的現象。而互感器內部采用速飽和特性鐵心，在此電壓作用下出現飽和，產生1/3次諧波，導致自身諧振。頻繁的接地會使阻尼電阻長期消諧而最終發熱燒斷。失去阻尼后，再出現過電壓，避雷器就會動作，并很快擊穿而失效。此時一次電流迅速增大，而且幅值很高，產生大量熱量。累積效應使絕緣材料的溫度不斷增加，最終熱擊穿。

5 結束語

電壓互感器是發電廠、變電站等輸配電系統中不可缺少的電器元件，它是一次與二次電氣回路之間連接的重要設備，在電力系統中起著至關重要的作用。而隨著電力系統復雜程度的不斷增加，電壓互感器在運行時所發生的故障及異常也層出不窮。本文對35kV及以下電壓互感器在運行中常發生的故障及異常進行了總結和分析研究，希望能對日后電力系統的維護與建設起到一定的幫助作用。