10 kV電壓互感器裂紋故障分析及防范措施

馮漢擴(kuò)，吳 瑋，唐 亮

（河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北 豐寧 068350)

0 引 言

電壓互感器由高低壓線圈、絕緣體等構(gòu)成，主要為保護(hù)計(jì)量設(shè)備提供電壓信號(hào)[1]。當(dāng)系統(tǒng)電壓電流頻率發(fā)生變化使得互感器感性線圈與線路對(duì)地電容滿足諧振條件時(shí)，互感器發(fā)生諧振，一次側(cè)線圈電流增大，容易造成一次側(cè)熔斷器燒斷甚至燒毀互感器。10 kV系統(tǒng)多采用中性點(diǎn)不接地方式。當(dāng)線路發(fā)生短時(shí)單相接地時(shí)，非故障相由于電壓變化，電容電流只能通過(guò)互感器中性點(diǎn)流入大地，同樣會(huì)造成互感器的燒毀。本文對(duì)電站配電室主進(jìn)線柜PT兩次裂紋故障原因如諧振、互感器質(zhì)量、二次接線錯(cuò)誤以及二次消諧裝置配合或故障進(jìn)行一一分析，以期為后期改進(jìn)措施提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)概況

營(yíng)區(qū)10 kV配電室由下游一35 kV施工變電站進(jìn)行供電，同時(shí)該變電站通過(guò)5條10 kV線路分別為上庫(kù)、廠房、下庫(kù)及一些加工廠進(jìn)行施工供電。5條線路全部為架空線路，線路桿塔大部分架設(shè)在山區(qū)。營(yíng)地配電室分為兩期，10 kV供電線接入一期1#主進(jìn)線柜，二期通過(guò)3#主進(jìn)線柜接入一期10 kV母線出線柜，見(jiàn)圖1。發(fā)生裂紋故障的電壓互感器安裝在二期營(yíng)地配電室的3#主進(jìn)線柜內(nèi)，其互感器型號(hào)為JDZX9-10NG。兩期配電室通過(guò)降壓變壓器主要為營(yíng)區(qū)辦公、照明及電鍋爐供電。

圖1 兩期配電室母線接線圖

2 故障經(jīng)過(guò)

2019年4月21日，巡視人員發(fā)現(xiàn)二期營(yíng)地配電室主10 kV主進(jìn)線柜顯示C相電壓為0，A、B兩相電壓正常，母線PT柜顯示三相電壓正常，判斷故障原因?yàn)殡妷夯ジ衅鰿相熔斷器熔斷。停電更換C相一次側(cè)熔斷器，送電后三相電壓顯示正常。隨后C相熔斷器再次熔斷，將主進(jìn)線柜電壓互感器拉出后檢查，三相電壓互感器外表出現(xiàn)了貫穿性裂紋，裂紋寬度約0.5 mm。根據(jù)故障報(bào)警記錄初步判斷，由于諧振過(guò)流熱膨脹使得互感器脹裂。更換新互感器后，于2019年5月12日該部位互感器再次出現(xiàn)貫穿性裂紋。

3 原因分析

3.1 諧振原因

根據(jù)調(diào)查顯示，中壓盤柜內(nèi)的電壓互感器（PT）多數(shù)采用電磁式互感器。該型式電壓互感器的非線性特性是，當(dāng)電壓互感器自身的感抗和系統(tǒng)對(duì)地電容達(dá)到諧振點(diǎn)附近時(shí)，如系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻繁操作或受雷擊等外界沖擊，互感器電感與系統(tǒng)電容會(huì)在很大范圍內(nèi)發(fā)生鐵磁諧振。諧振時(shí)電路中電壓U和電流I會(huì)發(fā)生躍變[2]。若母線和導(dǎo)線對(duì)地電容很小，能形成3倍或更高的諧振過(guò)電壓；若系統(tǒng)對(duì)地電容較高，則會(huì)出現(xiàn)工頻諧振；當(dāng)母線和導(dǎo)線對(duì)地電容非常大（電纜線路較多）時(shí)，可產(chǎn)生分頻諧振。在故障發(fā)生前，兩期配電室二次消諧裝置報(bào)警記錄見(jiàn)表1。諧振過(guò)電壓幅值較高，由于互感器線圈感抗降低，導(dǎo)致互感器內(nèi)部很快達(dá)到飽和狀態(tài)，勵(lì)磁線圈電流可升至額定值的數(shù)10倍，并導(dǎo)致相對(duì)地電壓以低頻擺動(dòng)或增大。電壓互感器長(zhǎng)期在高電壓、大電流狀態(tài)下多次發(fā)生過(guò)電流時(shí)，本體在高溫下加速絕緣老化甚至引起爆裂擊穿。

表1 消諧報(bào)警記錄

3.2 二次側(cè)接線錯(cuò)誤

在正確接線狀態(tài)下，監(jiān)測(cè)電壓互感器的不平衡電壓的端子da、dn分別接“地端”“檢測(cè)端”。正常運(yùn)行時(shí)，兩端之間存在0.2～3.0 V的不平衡電壓，如圖2所示。若二期配電室10 kV母線電壓互感器三角檢測(cè)端子da2、dn2在端子排處接反，即da2端子經(jīng)過(guò)端子排連接至一期配電室10 kV母線電壓互感器二次側(cè)dn1端子后接地，造成二期配電室電壓互感器的不平衡電壓檢測(cè)繞組端子da2、dn2均接地，相當(dāng)于da2、dn2之間短路后接地，如圖3所示。在系統(tǒng)無(wú)接地故障時(shí)，檢測(cè)端不平衡電壓一般保持在0.2～3.0 V，不會(huì)產(chǎn)生大電流。當(dāng)系統(tǒng)短路或接地故障時(shí)，由于開(kāi)口三角端子均已接地，二次阻抗很小，因此會(huì)在二次端產(chǎn)生非常大的短路電流。同時(shí)，一次側(cè)電流增至數(shù)倍，電壓互感器內(nèi)部鐵芯及繞組會(huì)產(chǎn)生很大熱量，使得電壓互感器膨脹爆裂。如果僅有一處PT二次接線錯(cuò)誤，其余互感器的二次接線無(wú)誤，每次故障時(shí)僅此一處會(huì)產(chǎn)生短路而爆裂。

3.3 產(chǎn)品質(zhì)量原因

經(jīng)調(diào)查，產(chǎn)品質(zhì)量也是引起電壓互感器損毀故障的一大原因[3]。電壓互感器本體在制造時(shí)，由于鐵芯疊片、繞組絕緣或澆鑄時(shí)工藝質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，使得互感器勵(lì)磁特性不佳或本體絕緣內(nèi)部放電，造成互感器諧振發(fā)熱過(guò)量、絕緣由于過(guò)熱而過(guò)快老化而產(chǎn)生惡性循環(huán)。當(dāng)中壓系統(tǒng)采用不接地系統(tǒng)方式時(shí)，一次側(cè)若電壓發(fā)生偏移，特別是在互感器電壓過(guò)高且負(fù)荷過(guò)大的情況下，會(huì)導(dǎo)致該相下的電壓互感器發(fā)熱過(guò)大，使得互感器一次側(cè)絕緣燒毀甚至匝間短路。

圖2 開(kāi)口三角端子正確接線圖

圖3 開(kāi)口三角端子錯(cuò)誤接線圖

3.4 微機(jī)消諧裝置原因

一二期微機(jī)消諧裝置的型號(hào)分別為KSX196、HSWTB，諧振動(dòng)作電壓見(jiàn)表2。由表2數(shù)據(jù)可知，二期裝置的動(dòng)作電壓整體要高于一期，尤其在基頻與三倍頻段，二期消諧裝置為了避開(kāi)接地故障的100 V電壓，將基頻、三倍頻動(dòng)作電壓設(shè)為110 V，在這兩個(gè)頻段二期要高于一期的動(dòng)作值近80 V。當(dāng)線路發(fā)生短時(shí)接地或弧光接地時(shí)，二期消諧裝置可能不會(huì)動(dòng)作，多次通過(guò)較大電流造成PT絕緣加速老化甚至脹裂，而且線路在山區(qū)，雷雨、大風(fēng)天氣較多，短時(shí)接地及弧光放電時(shí)有發(fā)生，而二次消諧裝置無(wú)法有效保護(hù)，電壓互感器在多次對(duì)地放電后易造成本體故障。

表2 兩期消諧裝置動(dòng)作電壓

3.5 故障原因分析總結(jié)

表1報(bào)警記錄顯示在故障前兩期配電室都有低頻、工頻諧振報(bào)警，且報(bào)警時(shí)間相差不大，可以排除裝置誤報(bào)可能，且兩次故障前都有雷雨天氣，因此基本可以確定線路故障或外部沖擊造成互感器諧振。在檢查二次接線無(wú)誤后，可以排除二次接線錯(cuò)誤原因。將二期配電室內(nèi)PT柜與主進(jìn)線柜二次消諧裝置對(duì)調(diào)，并將主進(jìn)線柜PT退出運(yùn)行，PT柜內(nèi)互感器在發(fā)生多次諧振報(bào)警情況下未出線裂紋，因此互感器可能存在質(zhì)量問(wèn)題，后期需進(jìn)一步拆解檢查。兩期配電室二次消諧裝置型號(hào)不同，而且關(guān)鍵參數(shù)相差較大，多次諧振后使得二期互感器成為系統(tǒng)放電的薄弱點(diǎn)，或者核心元件故障都會(huì)造成互感器裂紋或燒毀故障。通過(guò)上述分析可知，造成互感器裂紋故障是多種因素造成的。

4 采取措施的建議

4.1 線路排查

根據(jù)目前收集的相關(guān)信息，基本可以確定線路故障、雷擊等問(wèn)題是造成諧振的根本原因[4]。因此，應(yīng)加強(qiáng)線路巡視與施工用電的管理，清理靠近線路的樹(shù)障，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除線路故障隱患，減少互感器諧振的次數(shù)，從根本上降低互感器故障的概率。在未確定互感器故障是由于二次消諧裝置還是互感器質(zhì)量問(wèn)題的情況下，還需采取一定的防護(hù)措施防止互感器裂紋故障再次發(fā)生。

4.2 安裝一次消諧

一次消諧器在功能上相當(dāng)于非線性電阻，將消諧電阻串聯(lián)在地與系統(tǒng)互感器一次側(cè)中性點(diǎn)中的某一點(diǎn)。在未發(fā)生故障時(shí)，消諧電阻電壓不會(huì)超過(guò)500 V，消諧器為高電阻值狀態(tài)，諧振故障不易發(fā)生。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，消諧電阻承受電壓較高并為低阻值狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)弧光接地故障時(shí)，其自身仍能保持一定的阻值，因此可以防止互感器涌流發(fā)生。該裝置具有消除電壓互感器飽和諧振和限制涌流兩種功能。一二期配電室未安裝一次消諧裝置，而35 kV變電站的10 kV出線柜及PT柜配置了LQX一次消諧裝置，且變電站的PT及熔斷器自安裝以來(lái)從未發(fā)生過(guò)故障。因此，在互感器一次側(cè)中性點(diǎn)加裝消諧裝置是一種可行方案。鑒于一次消諧裝置的唯一性，即消諧電阻僅對(duì)所連互感器有消諧功能，所以一期二期配電室都需要安裝一次消諧裝置。

4.3 四PT法

應(yīng)用四PT消諧時(shí)，電壓互感器（PT）一次繞組中串聯(lián)一電壓互感器后接地。當(dāng)有單相或弧光接地時(shí)，這4個(gè)PT都能保持在規(guī)定的相電壓附近，從而通過(guò)這種接線方式減小PT一次側(cè)的電流。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，PT中性點(diǎn)對(duì)地為相電壓，而三相PT仍處于正序?qū)ΨQ電壓之下，PT線圈電感不不會(huì)發(fā)生大范圍改變，因此PT各相線圈可以在相電壓附近，不會(huì)產(chǎn)生并聯(lián)接地電容狀態(tài)，因此不會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象。同時(shí)，四PT接線方式中因?yàn)榱阈螂妷夯ジ衅鞯母唠娮韬透唠娍?，?huì)使得當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)零序電壓互感器接地后抑制超低頻振蕩電流幅值而減少危害[5]。雖然四PT方法不僅能解決互感器諧振問(wèn)題，還能抑制低頻振蕩電流，效果最好，但是由于柜子內(nèi)空間有限，加裝PT方案無(wú)法進(jìn)行。

5 結(jié) 論

確認(rèn)線路故障或參數(shù)的突然改變是造成互感器諧振的根本原因，需要通過(guò)加強(qiáng)線路巡視及施工用電的管理減少諧振次數(shù)，從根源上降低電壓互感器裂紋故障的概率；并聯(lián)電壓互感器的二次消諧裝置最好采用同一型號(hào)設(shè)備，防止因參數(shù)設(shè)置不當(dāng)造成消諧裝置未能正確動(dòng)作而造成互感器故障；在未確定是互感器質(zhì)量或二次消諧裝置原因且柜內(nèi)空間受限的情況下，安裝一次消諧電阻是防止互感器再次因諧振或低頻振蕩而造成損毀的最佳方案。