配電所高壓柜電壓互感器損壞原因分析及整改措施

李 瑞，劉建華，肖世輝

（中鐵電氣化局，天津 300380）

1 系統概況

京滬高速鐵路正線全長 1 318 km，其中電力系統全線共設置 24 座電力配電所、49 座低壓站房變電所、512 座箱式變電站，10 kV 電纜或架空線路長約為 9 500 km。

電力系統電源電壓一般為 10 kV，其構成主要包括電網線路、電力配電所、箱式變電站、車站站房變電所、車站信號變電所、牽引供電系統中的 10 kV 設備以及貫通電纜或架空線路。電力系統主接線圖見圖1。

圖1 10 kV 電力系統結構示意圖

外電源線路：一般利用電力電纜或架空線路或兩者相結合的方式從電網中取得電源，經電力配電所匯流、調壓和分配，供給鐵路系統 10 kV 用電負荷。

配電所：從電網外部電源線路取得電源，一部分由配電所直接供給車站站房變電所、道岔融雪箱式變電站和保養點箱式變電站及其他用電設施；另一部分經配電所內調壓器或旁路聯絡線路與并聯在母線上的電抗器組合，把符合技術規范的電源供給區間箱式變電站、車站信號變電所和牽引供電系統中的 10 kV 設備等用電負荷。

車站站房變電所：從配電所或電網中取得電源，經 10 kV 變壓器變換電壓，為車站提供 220 V 或 380 V 電源，保證通信、信號、客服、空調等用電，并根據負荷的重要程度分為 3 個等級，根據不同的等級來增加電源的備用回路或提高優先級，以保證供電的有序和合理。

車站信號變電所及箱式變電站：二者從本質作用和布局來看是相同的，都是從配電所和貫通電纜或架空線路取電，經 10 kV 變壓器變換電壓，將 220 V 或 380 V 電源供給區間箱式通信機械室、車站站內通信機械室、警務站所及重要處所值守崗亭以及其他低壓用電設施。

牽引供電系統中的 10 kV 設備：從配電所中取得 10 kV電源，經牽引供電所亭內的 10 kV 變壓器變換電壓，將電源供給牽引供電所亭的交流屏，與既有牽引供電系統中的 27.5 kV 變壓器的低壓電源相配合，形成互備關系，以提高牽引供電系統的安全性和穩定性。

貫通電力電纜或架空線路：是整個電力配電系統中所有設備組成的連接線路，電纜通常由 2 個回路構成，分別稱之為 1 級負荷貫通電纜和綜合負荷貫通電纜，敷設于沿鐵路兩側的預制電纜槽內或直埋溝內。

2 故障情況

2.1 案例 1

2015年12月19日，京滬高鐵東光配電所架空線路1 路進線零序過壓告警，貫通母線電抗器斷路器失壓跳閘（判單相電壓值），貫通母線貫通饋線斷路器失壓跳閘（判三相電壓值）。搶修人員到位后發現進線電壓互感器 B 相有明顯放電燒傷痕跡。東光配電所電源進線方式為架空線路，且架空線路處上跨有多處電網線路，電網系統為中性點不接地模式，天氣情況為雷雨大風。圖2 為進線保護裝置的故障錄波曲線，表1為保護裝置采集的進線和饋線兩側的電壓值。

表1 保護裝置采集的故障電壓值 V

2.2 案例 2

2016年2月28日，京滬高鐵靜海配電所架空線路 2路進線保護裝置零序過壓告警，且長時間未恢復。相關人員到達現場后發現，架空線路 2 路進線電壓互感器的 B相有明顯燒傷痕跡（圖3）。靜海配電所外電源進線方式為架空線路，電網系統采用中性點不接地系統模式，天氣情況為大風天氣。

圖2 故障錄波曲線

3 故障分析

3.1 案例 1

由圖2故障錄波曲線圖形可以看出，架空線路1路進線和饋線電壓 A、B、C 三相在一段時間內電壓角度同相位，所以，造成調壓器低壓側三相電壓極小，低于相關保護裝置失壓整定值，從而造成相關饋線斷路器和電抗器斷路器跳閘。

另外，由圖2還可以得知故障的起始狀態發生時，進線和饋線側 2 組不同的電壓互感器同時顯示的電壓值都不正常且數值趨勢大致相同，則可以證明故障的發生不是首先由某個電壓互感器的損壞所造成，而是進線線路上發生了其他故障（經檢查發現進線線路上跨電力線路斷線，搭接在了本線三相線路上），從而導致了后續更為嚴重的故障發生。

圖3 電壓互感器燒傷圖

3.2 案例 2

案例 2 靜海配電所與案例 1 東光配電所的故障類似，不同之處在于故障是由于架空線路 2 路電壓異常造成的嚴重后果。保護裝置顯示是架空線路 2 路 A相直接接地，造成保護裝置零序過壓告警，其他進線各相相電壓大幅抬升，過電壓造成 B 相的進線電壓互感器絕緣擊穿損壞，從而在 B 相電壓互感器處形成金屬性永久接地。

3.3 調查及分析

根據以上情況得出幾個共同點：①電源進線架構形式都為架空線路形式，進線電源系統結構為中性點不接地系統，此方式易受外界環境干擾和影響；②故障都是從進線零序過壓告警開始的；③造成電壓互感器損壞；④故障發生的時間都為冬季，且天氣情況都較為惡劣。

架空線路在惡劣天氣的影響下，易受環境的干擾和影響。電網為了適應這種架設形式的特點，一般采用中性點不接地系統，以保證當架空線路某相發生單相接地時，也能保證非故障相正常供電 2～3 h，以盡量減小故障影響范圍。但由于進線故障所造成的電壓諧振，會使進線電壓值大幅升高，有可能造成半絕緣形式的電壓互感器擊穿，從而形成永久金屬性接地。

架空電力線路的電壓諧振問題實際上也是電磁式電壓互感器的鐵磁諧振問題，鐵磁諧振的條件為：①系統為中性點不接地系統；②非線性電感元件和電容元件組成 LC 振蕩回路；③LC 振蕩回路中的損耗要比較小；④要有相應的故障產生為誘因，即系統有某種電壓量和電流量的突變，如系統內開關動作或系統內線路瞬間接地、瞬間短路和持續單相接地等。

鑒于以上 LC 諧振條件與京滬高鐵發生的故障特點具有高度的重合性，可以證明架空線路的電壓諧振實際上也就是電壓互感器的鐵磁諧振。架空線路的等效電路圖見圖4。

圖4 電力系統架空線路等效電路示意圖

3.4 結論

電磁式電壓互感器的鐵磁諧振產生后常常引起其自身燒毀、爆炸等異常故障現象，主要原因是電力系統中有大量的電感、電容和電阻之類的阻抗元件，如電壓互感器、變壓器、調壓器、組合電抗器等電感元件以及電容器、線路對地電容等電容等效元件，這些元件會組成 LC 振蕩回路。在正常的運行條件下時，系統內不會產生嚴重的 LC 振蕩現象，但當系統發生故障或由于某種原因使系統參數發生了變化，就很可能發生 LC 振蕩。例如在中性點不接地系統情況下，當發生單相接地故障時，其電力變壓器或調壓器和相間電容、電壓互感器或和線路對地電容，都有可能形成 LC 振蕩回路，即形成電壓諧振。

此電壓諧振常會引起持續時間很長的系統過電壓。電壓互感器在正常工作電壓下，通常情況鐵芯磁通密度不高，不會形成磁飽和，但是在過電壓條件下鐵芯會嚴重飽和，等效電感值會迅速降低，當達到 LC 振蕩條件時，就會與串聯電容產生諧振，即鐵磁諧振。

正常運行時，電磁式電壓互感器開口三角形二次線圈電壓值理論上是 U0= 0 V，實際運行中開口三角形電壓值一般為10～15 V。但當電力系統中發生單相接地時，開口三角形電壓值 U0將迅速升高，達到 30～120 V，形成過電壓。當系統運行時，會在電磁式電壓互感器中產生很大的諧波含量，導致電磁式電壓互感器內部鐵芯磁通嚴重飽和，造成二次側輸出波形嚴重畸變，當畸變量足夠大時，就會形成鐵磁諧振，進而有可能損壞電磁式電壓互感器，從而造成事故擴大化。

4 應對措施

電力系統內的電壓諧振大部分是由電磁式電壓互感器的鐵磁諧振所引起的，因此，如何消除或盡量避免電磁式電壓互感器的鐵磁諧振是解決此問題的關鍵所在。防止鐵磁諧振的產生，應從改變供電系統電氣等效參數著手，破壞 LC 振蕩回路中發生鐵磁諧振的所需參數匹配，這樣就可以最大限度地防止電磁式電壓互感器發生磁飽和，進而減少鐵磁諧振發生的概率。另外，必須從保護參數配置的方面進行設置，以最大限度地保證系統安全。

4.1 改變相關電氣參數

（1）配備專業的微機保護設備或增加相應的保護模塊。當電力系統中發生單相接地故障時，為最大限度地破壞電磁式電壓互感器的諧振條件，可通過微機保護裝置來實現如下功能：微機保護裝置采集系統電量信息，如電壓、電流、阻抗角等，當保護裝置判斷系統內發生了 LC 振蕩現象，自動將電磁式電壓互感器的開口三角形線圈直接短接或通過阻尼電阻短接；當保護裝置判斷系統諧振消除后，發出命令，斷開短接開關，使得電磁式電壓互感器恢復正常運行狀態。

（2）升級電磁式電壓互感器的電氣參數。升級電壓互感器的抗諧振參數，提高勵磁曲線的拐點參數；減少系統中電磁式電壓互感器的數量，尤其是限制在中性點不接地系統中的電磁式電壓互感器的使用數量。

（3）系統盡量每相對地加裝電容器。通過在線路中并聯電容、電阻和電感的組合單元，破壞或提高諧振發生的條件參數，從而使得諧振發生的概率降低。

4.2 消耗諧振能量

在電磁式電壓互感器開口三角形側并聯阻尼電阻。當系統在正常運行時，電磁式電壓互感器二次側開口三角處繞組兩端理論上不會有電壓產生，或僅有極小的電壓產生。當系統發生單相接地故障或其他非對稱類系統故障時，由于在電磁式電壓互感器開口三角形線圈側并接有阻尼電阻，并且此處阻尼電阻阻值極小，開口三角形繞組線圈兩側近似于短接，從而起到了改變電磁式電壓互感器抗諧振參數的作用，能防止電磁式電壓互感器發生磁飽和，同時能有效地消耗系統內的諧振能量，防止系統內產生諧振過電壓。

4.3 增設過電壓保護

重新設定保護裝置配置。可以在架空線路的進線保護裝置中設置過電壓保護，使其整定值為1.5倍的系統相電壓，跳閘判據單相。當發生諧振，電壓升高到電壓整定值，斷開進線斷路器。

5 結束語

在普速鐵路中，電力系統采用線路架空方式加中性點不接地系統是一貫的做法，本質上是為了提高整個系統抵抗安全風險的能力和提高供電的可靠性。但隨著中國高鐵的營運里程突破 2.2 萬 km，且電力電纜的使用不僅是從規劃方面考慮還是安全風險方面考慮，如果照搬既有成熟的模式，就會引發很多新的問題出現，因此，很好地統計和總結運營中出現的各種故障，對于中國高鐵建立相應的標準有著很重要的意義。

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