電壓互感器一次繞組匝間短路處理方法研究

吳久才

（國家電投集團協(xié)鑫濱海發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224500）

0 引 言

電壓互感器是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其在電力系統(tǒng)中的作用往往是調(diào)節(jié)電壓的狀態(tài)。現(xiàn)在電力系統(tǒng)負荷大和電壓不穩(wěn)定的情況經(jīng)常發(fā)生，可以利用電壓互感器來解決，其是維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的核心[1]。

電壓互感器的工作原理是電壓轉(zhuǎn)化，在使用時會將電壓進行由高到低的轉(zhuǎn)化，將電壓轉(zhuǎn)化為符合整個系統(tǒng)需求的數(shù)值，以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[2]。但是其自身也會面臨故障問題，一旦電壓互感器發(fā)生了問題，導致不能有效地轉(zhuǎn)化電壓，傳輸?shù)碾妷撼^了電力系統(tǒng)的承受能力，那么將會帶來巨大的損失，因此需要注意電壓互感器的故障問題。最常見的電壓互感器故障就是電壓互感器一次繞組匝間短路。

為有效解決電壓互感器的匝間短路問題，研究了解決電壓互感器匝間短路的方法[3]。傳統(tǒng)方法不能有效處理電壓互感器的短路問題，不僅達不到解決的標準，而且處理的時間長，因此設(shè)計了新的處理方法[4]。

1 電壓互感器一次繞組匝間短路處理方法設(shè)計

1.1 選取電壓互感器短路絕緣介質(zhì)

根據(jù)電壓互感器的性能和型號，選取SF6氣體絕緣型電壓互感器。SF6氣體屬于無色、無毒且無電抗性的惰性氣體，關(guān)鍵是它不易燃，具有很好的穩(wěn)定性，即使在非常惡劣的工作環(huán)境中也具有良好效果[5]。電壓互感器短路絕緣介質(zhì)SF6的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 絕緣介質(zhì)SF6的結(jié)構(gòu)

SF6作為絕緣介質(zhì)有其自身的優(yōu)勢，新型絕緣材料的探索、發(fā)展以及應(yīng)用成為一項長期而艱巨的任務(wù)。所使用的電壓互感器是通過外殼接地來連用，另外其內(nèi)部空間極為有限，除了滿足參數(shù)要求外，還必須注意設(shè)計中的電場分布[6]。

1.2 建立電壓互感器一次繞組匝間短路故障模型

為了更好地模擬電壓互感器的匝間短路過程，有必要了解當今電網(wǎng)中常用電壓互感器的各個組件以及對功率有重大影響的組件數(shù)據(jù)參數(shù)。為了使結(jié)果更準確，有必要考慮實驗結(jié)果來模擬實際的工作環(huán)境。電壓互感器本身的數(shù)值模型決定了使用三相飽和互感器在仿真過程中實現(xiàn)各種參數(shù)的變化。三相飽和互感器是在設(shè)計仿真軟件時專門為現(xiàn)代互感器的運行條件而設(shè)計的模塊，該模塊可以完全準確地模擬互感器的運行規(guī)律[7]。

牽引電源系統(tǒng)中使用的互感器是電磁電壓互感器。除了初級和次級繞組的額定電壓外，主要技術(shù)參數(shù)還包括額定負載、容量、極性指示、精度等級以及等效直流電阻[8]。建立的電壓互感器一次繞組匝間短路故障模型如圖2所示。

圖2 電壓互感器一次繞組匝間短路故障模型

由于額定負載根據(jù)互感器次級電路的變化而變化，因此PT次級電路的結(jié)構(gòu)不同，其參考值也不同。互感器的容量意味著零負載功率因數(shù)，在不同精度級別上選擇的PT額定輸出容量指定為30 VA，極限輸出容量指定為600 VA，極性標記是過程中必須存在的，主要是為了確保電壓互感器在測量和驗證接線方法時的準確性而做出的參考項，因此需要在繞組端子上標記極性點[9]。

1.3 計算電壓互感器一次繞組匝間短路沖擊電流

通常，電壓互感器由傳感干涉儀和接收干涉儀組成，用單模保偏光纖（起傳光作用）將兩個干涉儀連在一起。如果在中性點未接地的情況下發(fā)生單個接地故障，則可能產(chǎn)生磁通飽和故障，發(fā)生非飽和暫態(tài)反應(yīng)[10]。這種殘余現(xiàn)象通常存在于鐵芯內(nèi)部，并且此時相應(yīng)的勵磁電流將變得更加嚴重。當殘差等于工作磁通時，可以得出穩(wěn)定狀態(tài)下磁通量的具體數(shù)值。在基本條件下，互感器一次繞組之間的短路沖擊電流等于諧波電流，公式為：

式中，I代表電流量值，O代表系統(tǒng)電源，Z代表阻抗電壓，JX代表容抗值，R代表電阻，F(xiàn)X代表電抗值。

1.4 在電壓互感器匝間接入消弧線圈

由于電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，邊緣區(qū)域絕緣薄弱，容易發(fā)生接地故障，對電網(wǎng)運行安全構(gòu)成嚴重威脅，因此討論抑制互感器損壞的常用措施，包括連接消弧線圈的中性點以及一次側(cè)連接電阻和二次側(cè)連接電阻。在建立動態(tài)模型實驗的基礎(chǔ)上對方法進行分析和比較，指出了每種方法的優(yōu)缺點，并采取相應(yīng)的改進措施。

實驗?zāi)M接線圖的母線按照星形連接方式連接到電路，并且需要根據(jù)電弧抑制原理將可以調(diào)節(jié)校正量的消弧線圈連接到中性點，然后再將其連接到地面。

比較連接到初級線圈電阻的波形和消弧線圈的波形，電阻連接方式與消弧線圈不同。由于連接電阻器的方法是基于消除鐵磁諧振法，因此如果沒有鐵磁諧振，電阻器將無法工作。但是，由于電阻在某種程度上會影響電流的大小，且被廣泛使用，如果電阻太大，則主要連接是互感器與地面之間的直接連接，它不影響線路電壓，但是對電流有很大影響，容易出現(xiàn)過電流問題。因此，將合適的電阻器連接到初級線圈是系統(tǒng)保護的要求，在設(shè)備保護中起著重要的作用。電阻值不應(yīng)太大，為了確保系統(tǒng)正常運行，需要限制連接電阻器以抑制浪涌電流。

1.5 進行一次繞組匝間短路二次修正

將電阻器連接到次級校正輔助繞組并將電阻器連接到次級側(cè)，也是防止互感器損壞和影響傳輸和轉(zhuǎn)換質(zhì)量的常見措施。當發(fā)生單相接地故障時，電流變得比正常操作的電流大幾倍，如果次級線圈的勵磁特性不同，則不能很好地抑制涌入電流的產(chǎn)生。

消除引起互感器的初級繞組匝間短路的外部因素。由于電網(wǎng)的復雜性，許多地方的安全保護措施相對薄弱，并且在大多數(shù)情況下，損壞事件伴隨著單相接地故障。因此，有必要及時檢查和修理所有具有隱患的電線，以抑制涌入電流發(fā)生的問題，保護損壞的互感器，避免經(jīng)常發(fā)生損壞。加強繼電保護，增加保護條件，提高靈敏度。發(fā)生故障時快速斷開電路，以避免二次事故和反復接地對互感器造成嚴重損壞。

當產(chǎn)品的耐熱性增強時，互感器燃燒的主要原因是熱量差值，因此需要提高其自身材料的耐熱性，防止互感器的損壞。此外還需要改善互感器的耐熱性，涌入電流發(fā)熱時在一定程度上提高保護性能，使互感器可以更好地保持其正常工作。

改進互感器制造中使用的材料是提高電阻的最基本方法。材料的抗干擾能力越強越能適應(yīng)復雜的外部環(huán)境。勵磁性能的改善始于鐵芯、線圈匝數(shù)以及新材料的使用。增加鐵芯或增加鐵芯的線圈匝數(shù)可減少穿過鐵芯的磁通量并增加互感器的飽和度，但這也會增加材料的體積并增加制造成本。某種程度上，耐熱性和耐磁性差的原材料在不改變體積的情況下可以替換，并且需要使用當前技術(shù)開發(fā)的性能優(yōu)異的新材料來改善性能。

2 實 驗

為了檢測本文設(shè)計的電壓互感器一次繞組匝間短路處理方法能否有效處理電壓互感器短路問題以及與傳統(tǒng)的處理方法相比是否具有明顯優(yōu)勢，進行了如下實驗。

2.1 實驗準備

根據(jù)電壓互感器特性選擇合適的電壓互感器型號。此次試驗選取型號為JDZX 16-1的互感器，同時為了精確模擬電壓互感器的特性，選用MATLAB仿真軟件下的Simulink模塊來進行實驗。

2.2 實驗結(jié)果與討論

實驗隨機抽取了12條產(chǎn)生一次繞組匝間短路問題的線路，分別檢測其采用傳統(tǒng)短路處理方法和本文設(shè)計的電壓互感器一次繞組匝間短路處理方法的處理時間，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 實驗結(jié)果

由表1可知，本文設(shè)計的電壓互感器一次繞組匝間短路處理方法能有效地處理電壓互感器的短路問題，且經(jīng)過了實驗證明其處理時間低于傳統(tǒng)的短路處理方法，具有高效性。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計的電壓互感器一次繞組匝間短路處理方法是在傳統(tǒng)的方法基礎(chǔ)上進行改進，根據(jù)短路故障模型來進行后續(xù)的短路故障處理。經(jīng)過實驗證明，本文設(shè)計的電壓互感器一次繞組匝間短路處理方法能有效地處理短路故障，且具有高效性，為相關(guān)人員提供理論依據(jù)。但由于實驗和現(xiàn)實處理有一定的差距，因此還需要根據(jù)后續(xù)實際處理的狀態(tài)進行不斷優(yōu)化。