變電站常用電壓互感器的分析和探討

國網北京市電力公司檢修分公司 姚向東

電壓互感器主要用于電能計量，對電力網的電壓進行測量，同時也用于保護自動裝置。電壓較高時，直接測量對人身安全威脅較大。電壓不高，但母線短路容量較大，發生短路后對人身安全威脅也較大，這時應使用電壓互感器。為了使二次設備標準化，電壓互感器的二次輸出電壓為100V。

1 電壓互感器的分類、工作原理及結構

1.1 電磁單元、電容分壓器等部分組成了電容式電壓互感器

電磁式電壓互感器的原理與基本結構和變壓器完全相似。35kV 及以下電磁式電壓互感器就是一臺小型變壓器。所以其結構必須具有以下特點：鐵芯截面較大，工作磁通密度低。與正常變壓器比，同容量電壓互感器的鐵芯截面遠大于變壓器，設計磁通密度遠小于變壓器；與變壓器相比電壓互感器等效電抗和電阻小；變比不是高低壓線圈的圈數比。66kV 及以上的電磁式電壓互感器設計為串級式，主要是可以使絕緣分級。串級式電壓互感器的主要缺點是結構復雜，精度低，價格高。

隨著電力系統電壓等級的增高，電磁式電壓互感器的體積越來越大，成本也越來越高，采用電容式電壓互感器因其結構簡單、重量輕、體積小、成本低，廣泛應用于110～500kV 中性點直接接地系統中；它的缺點是輸出容量較小，誤差較大，暫態特性不如電磁式電壓互感器好。電容式電壓互感器采用電容分壓原理，電容分壓的分壓比為K=U1/U2=(C1+C2)/C1，U2=C1×U1/(C1+C2)。中壓電容器和高壓電容器組成了電容分壓器，瓷套下部側壁引出中壓端子，其應用于試驗，此端子通經瓷套最后引到電磁裝置中。

電磁單元由中間變壓器、補償電抗器、阻尼器（由于電容式電壓互感器的非線性阻抗和固有的電容有時會在電容式電壓互感器內引起鐵磁諧振，因而用阻尼裝置抑制諧振，阻尼裝置由電阻和電抗器組成，跨接在二次繞組上，正常情況下阻尼裝置有很高的阻抗，當鐵磁諧振引起過電壓，在中壓變壓器受到影響前，電抗器已經飽和了只剩電阻負載，使振蕩能量很快被降低。低壓端子和油箱組成，油箱內充滿絕緣油。

圖1所展示的便是CVT 的電器原理。高壓電容器C1和中壓電容器C2組成了電容分壓器，油箱中列有電磁單元，避雷器、阻尼器、補償電抗器和中間變壓器為其組成部分。端子箱中列有二次繞組端子、電容分壓器抵壓端、接地端及保護間隙等。輸電線路的高壓電通過電容分壓器抽頭（通常為10～20kV）輸入電磁單元，經過中壓變壓器降為低壓供計量和繼電保護之用。位于電磁單元中的電抗器負責補充電容分壓器的容性阻抗，讓二次電壓隨著負載的變化而相比減小。阻尼器負責阻尼鐵磁諧振。

圖1 CVT 電氣原理

隨著光電式、數字測量技術的發展和應用，各種光電式、純光學電子互感器逐步走向成熟并得到應用，成為推動變電站過程層數字化的主要動力，為數字化變電站奠定了基礎。為實現一次電壓信號的轉換，要主要采用光學原理、電阻分壓器、電容分壓器或串聯感應分壓器等途徑方法。

電阻電容分壓式電壓互感器簡介：純電阻分壓器最大只能測量132kV 的交流電。電容分壓器的精度高、線性好，且有很好的頻率范圍，因此被長期用于測試領域和GIS 中的電壓測量。基于電容分壓原理的電子式電壓互感器主要應用于GIS(組合電器)和PASS(組合式智能化開關)等設備，它是將柱狀電容環套在導電線路上以實現電壓測量（圖2）。為改善電壓測量的暫態特性和電壓測量的精度，需在位于電容分壓器的輸出端處并聯一個小電阻，其可降低溫度變化及積聚電荷等因素對于低壓電容C2運行狀態的影響。

圖2 電容分壓器

電容分壓器的輸出信號u0(t)與被測電壓ui（t）有如下關系：u0(t)=RC1×dui/dt，（R<<1/ωC2），式中C1為高壓電容，C2為低壓電容。據此利用電子電路對電壓傳感器的輸出信號進行積分變化，便可求得被測電壓。與常規互感器比較具有以下特點：高低壓完全隔離，安全性高，具有優良的絕緣性能和優越的性價比。利用光纜而不是電纜作為信號傳輸工具，經由絕緣結構的大幅簡化，電壓等級愈高，優勢也隨之愈明顯；沒有鐵芯，解決了磁飽和及鐵磁諧振等問題，進而使得互感器運行暫態穩定性高、響應好，也因此保障了系統運行的可靠性；電子互感器帶來的是數字信號，二次設備可供相電壓信號，這樣不僅節省了資源還減小了體積；不會因為充油進而存在易燃易爆炸等潛在的危險，現多用SF6作為電子式互感器的絕緣介質，不會引發火災以及爆炸或一系列如此的危險。

1.2 電壓互感器分類

按照相數分為三相和單相這兩類。因電壓互感器身體體積不大，容量小，三相高壓管間的內外絕緣要求很難滿足，所以絕大多數產品是單相的，只有3～15kV 的產品有時候會采用三相結構；按絕緣介質分有干式、澆注式和油浸式三類。通常專供測量用的低電壓互感器是干式，高壓或超高壓密封式氣體絕緣(如六氟化硫)互感器也是干式。35kV 及其以下的電壓互感器采用澆注式，而油浸式適用于35kV 以上的產品；按照繞組數分為多繞組和兩繞組這兩類。專門用于測量的電壓互感器除一次繞組以外，只剩一個二次繞組結測量儀表供電。專供于電力系統當中的電壓互感器，須有兩個二次繞組或者一個二次繞組輸出信號，互感器須做成三或者四繞組互感器。

1.3 電壓互感器的容量及準確度

準確度在0.2、0.5、1、3級時的容量（VA）分別為50、100、300、500，最大熱負荷1200。可看出電壓互感器隨著負荷增加準確度逐漸降低，為滿足準確度的要求，電壓互感器的最大負荷必須限制在規定的容量內。以0.5級為例，表示該電壓互感器在規定電壓下的變比誤差為0.5%。變比誤差du%是二次電壓的測量值U2乘以額定電壓比K 所得的值與一次電流實際值U1之差，對一次電壓值的百分比（du%=[(KU2-U1)/U1]×100%），其中K=UN1/UN2。

2 電壓互感器的保護

35kV 的電壓互感器用高壓熔斷器保護本體。在一般情況下，各電壓等級均有專用的電壓互感器熔斷器。它的大致結構為密閉的陶瓷管兩端組有金屬帽，陶瓷管中放有一根很細的電阻絲，電阻絲的兩頭分別焊接在金屬帽上。此電阻絲的額定電流為0.5A，一分鐘熔斷電流為0.6～1.8A 之間，電阻絲的電阻值以將故障電流限制在100A 左右為準。在陶瓷管內充滿干燥的石英砂。當出現事故時熔斷器將故障電流限制在100A 以內，由石英砂將電弧冷卻熄滅在密封的陶瓷管內。無論母線的短路容量為多大均可以安裝這種熔斷器。此外，當電壓互感器有輕微故障被發現時，運行人員可直接用隔離開關（或開關柜小車）將故障電壓互感器與電源斷開。電壓互感器專用熔斷器熔斷后，不允許更換裝有一般熔絲的熔斷器代替專用熔斷器運行。

110kV 及以上電壓互感器。電壓互感器一般經隔離開關和高壓熔斷器接入高壓電網。在110kV 及以上的系統中，由于相應的電壓互感器采用單相串級絕緣，絕緣裕度大，且這種系統多為中性點直接接地系統，每相設備不能長期承受線電壓，也不允許接地，所以110kV 及以上系統中的電壓互感器一次側不裝熔斷器，而經過隔離開關直接與電網相連，同時由于110kV 及以上電壓互感器在設計和生產上比較可靠，故障率極低；此外其專用熔斷器的長度較長，重量較大，價格昂貴，安裝和更換不方便，因此不安裝熔斷器，一次側直接用刀閘斷開即可。

電壓互感器的二次側必須安裝熔斷器或低壓空氣開關，用于在二次回路或元件損壞時保護電壓互感器。一般情況下，熔絲或空氣開關的熱脫扣器電流選在1.3～2倍電壓互感器額定電流之間（最大熱負荷電流）。裝有老式距離保護的母線由于保護裝置在失去電壓互感器電源時會產生誤動，所以必須保證電壓互感器二次回路的任何地點發生金屬性對地或相間短路必須立刻斷開距離保護裝置正電源。此時電壓互感器二次側只能安裝低壓空氣開關，并且其瞬時脫扣器的電流應在熱脫扣器電流的3～5倍之間，并有其他接點閉鎖距離保護裝置。按規定，在電壓互感器二次主熔斷器和保護裝置（含自動裝置）之間不得安裝任何性質的熔斷器或空氣開關。

電壓互感器投運前必須試驗合格。注意，半絕緣的電壓互感器不能做交流耐壓試驗，只能做感應耐壓試驗。運行后也應注意在母線做交流耐壓試驗時將半絕緣的電壓互感器脫離。半絕緣的電壓互感器在工作時X 端必須接地，二次線圈的接地為保護接地，但只能有一點，并保證不會因操作斷開接地點。

3 運行中的異常現象

3.1 空母線諧振

小電流接地系統的母線投產時除電壓互感器和LA 外沒有接地點。由于三相對地電容不平衡，所以對地電壓不一樣，當電壓互感器的感抗和母線對地容抗相等時產生諧振。諧振不嚴重時，三相對地電壓有不同程度的上升和下降，嚴重時相電壓可超過線電壓，同時電壓表有不同程度的抖動、線電壓不變。消除的方法是改變系統對地電容，一般在空母線諧振時發出所內變、電容器、一條線路等諧振便會消除。在開口三角接線處加裝消諧裝置或消諧電阻也能在一定程度上抑制諧振。母線投運時接入消弧線圈可以有效抑制諧振，發出配電線路后（必要時）再將消弧線圈退出。

3.2 小電流接地系統接地電壓互感器在系統單相接地或雷擊時保險斷

電壓互感器運行電流遠小于熔斷器熔絲額定電流，電壓互感器不出現內部故障不會熔斷。一些質量較差的電壓互感器在系統單相接地時鐵芯磁場接近飽和，電流增大可導致保險斷，尤其是接地的瞬間電流激增造成保險斷。感應雷電波是三相一致的零序波，電壓互感器的零序阻抗很小，當雷電波使鐵芯磁場接近飽和時會造成保險斷。一相保險熔斷時，根據二次負荷的大小和接線的不同，熔斷相的對地電壓和相間電壓下降，非熔斷相的對地電壓和相間電壓不變；兩相保險熔斷時，非熔斷相對地電壓不變，熔斷相對地電壓不變或下降、也可為零，但非熔斷相相間電壓降至相電壓，熔斷相為零或很低。采用質量較高的電壓互感器是解決此問題的非常好的方法，選用在2倍額定電壓不進入飽和區（可連續運行8小時以上）的產品，也可選用中性點加裝第四只互感器的方法，在中性點加裝電阻或非線性電阻是一種臨時方法。

表1 紅軍營站PT 一次保險熔斷情況統計表

表1可看出，35kV 中性點不接地系統中電壓互感器常因鐵磁諧振造成熔絲熔斷經常發生，這是由于：當母線出線較少或空載時，由于在運行時接地故障消除或合閘充電等原因的產生，使電壓互感器過飽和，從而很有可能產生諧振過電壓，發生接地指示誤動作，PT 高壓保險絲熔斷和相對地壓不穩等異常情況，更甚者會使PT 直接燒毀，進而引起其他的事故；用于接線的PT 在母線Y0上的一次繞組是此電網對地唯一的金屬性通道，通過PT 的一次繞組電網對地有一個充放電的過渡過程。試驗得出此時往往有達數安培且為其最高幅值的工頻半波流通過PT，這個電流極有可能直接熔斷PT 高壓熔絲。

解決方法：在電壓互感器一次側中性點與地之間安裝消諧電阻，消除或阻尼PT 非線性勵磁特性而引起的鐵磁諧振過電壓、限制系統單相接地消失時在PT 一次繞組回路中產生的會損壞PT 或使PT高壓保險絲熔斷的涌流，從而有效保護PT 以及PT一次側的高壓熔絲。在安裝消諧電阻后至今未發生高壓熔斷器熔斷事故，減少了設備的故障率以及運行人員的維護工作量。3.3 CVT 二次諧振

CVT 即電容式電壓互感器。安裝CVT 不會出現上述兩種異常，但會出現二次諧振。發生二次諧振時CVT 的電磁部分出現較大的嗡嗡聲，開口三角輸出較大（正常為1V 以下），所有輸出端均產生大量諧波分量。這種諧振只在較大擾動時產生，如發電時，系統嚴重故障電壓恢復時或二次短路被切除時。產生的原因有消諧電阻阻值不對、或速飽和電抗器電抗值變化。如CVT 偶爾出現諧振，可在二次側短時加入一阻性負載，阻值在幾十至數百歐姆之間（可用220V100W 白熾燈）即可消除。若多次發生諧振則應更換此產品。

4 電壓互感器的異常和故障處理

4.1 高壓保險熔斷

35kV 及以下電壓互感器高壓熔斷器熔斷一相時，外觀檢查無異常，應立即更換熔斷器試發，熔斷一相試發又斷或熔斷兩相以上時，應對故障互感器進行遙測，大于300兆歐可更換保險發出，再斷不許試發。更換保險時只須斷開電源，戴絕緣手套抓住保險器的磁質部分取下或更換即可。遙測方法：電壓互感器的絕緣電阻測量。電磁型PT 的一次繞組首端引出為高壓端，一般以A 端表示，末端為X 端。末端安裝在二次接線盒內，在運行時X 末端必須接地。

電壓互感器（電磁型）的絕緣電阻測量：分別測量PT 一次繞組和二次繞組的絕緣電阻。須將一次繞組首端A 與末端為X 連接（短接）后加壓，二次繞組短路接地。所測試的絕緣為一次繞組對二次繞組及地的絕緣；將一次繞組首端A 與末端為X 連接（短接）后加壓，接絕緣電阻測試儀的L 端，二次繞組短路接絕緣電阻測試儀的E 端，所測試的絕緣為一次繞組對二次繞組的絕緣；將一次繞組首端A 與末端為X 連接（短接）后接地，二次繞組短路接絕緣電阻測試儀的L 端，所測試的絕緣為二次繞組對一次繞組對地的絕緣。二次繞組也可分組測量。

4.2 低壓保險斷或空氣開關跳閘

發現低壓保險斷或空氣開關跳閘后應立即試發空氣開關或更換保險試發一次，不成功應分段查找。例：發220kV、110kVPT 斷線光字牌。電壓互感器二次熔斷器熔斷（或空氣開關掉閘）時，應對保護做相應處理后立即試發，試發不成功時應將故障互感器所在母線的電壓切換回路斷開(或斷開分路熔斷器)，試發電壓互感器二次小母線。如試發成功應再逐路試投各路電壓切換回路（或分路熔斷器），找出故障點，將故障點甩開恢復正常路電壓切換回路（或分路熔斷器），在未找出故障點前嚴禁倒母線；如試發不成功應將故障互感器一、二次電源斷開：單母線接線的應上報專業人員處理；雙母線接線的應斷開故障母線切換裝置直流電源后，再將故障母線各路倒另一母線恢復保護運行，上報專業人員處理。

4.3 電壓互感器的事故退出運行

35kV 及以下電壓互感器裝有限流電阻或合格熔斷器的，當發生異常需退出運行時可用隔離開關或插頭（含小車）斷開。電壓互感器損壞后在現場很難修復，在很大程度上將影響系統正常運行，應及時更換。電壓互感器應有事故備品，更換時應首選同型號、同容量、同準確度的備品，否則應選用容量和準確度相同或更高的備品，若選用容量和準確度相同低的備品時，只能臨時使用且其最大熱容量必須大于最大負荷。

例：我所在的高麗營站值班時有一次監控機發“220kV4#母線電壓越下線”信號，電壓顯示異常。站內立即組織查找故障原因：在220kV 設備區檢查發現B 相PT 內部發出嗡嗡的異聲，其他兩相PT 正常無異音，用萬用表在PT 二次端子排處測量，B 相電壓為零，其他兩相為57V 左右，初步判斷為B 相電壓互感器內部故障，造成B 相二次繞組無輸出電壓。站內立即將情況上報調度、運行處、公司值班室。做好停電檢修準備工作。當天調度令：將220kV4#母線由運行轉檢修，（224-9PT 轉檢修）,檢修隊拉來容量和準確度相同的另一廠家PT 立即予以更換，更換后站內恢復了正常運行方式。