新能源電站鐵磁式電壓互感器故障分析

李國清，趙 飛

（1.中能智新科技產業發展有限公司，北京 100029；2.北京金電聯供用電咨詢有限公司，北京 100101）

0 引 言

根據最近幾年太陽能電站及風能電站的實際運行結果，10～35 kV開關站發生故障最多的元件就是鐵磁式電壓互感器。電壓互感器與過電壓保護器故障不但影響了電站正常向電網輸送電力，還常導致開關柜中其他電氣設備損壞，從而造成巨大損失。本文通過分析電壓互感器的燒毀原因，提出了避免電壓互感器產生鐵磁諧振的有效措施。

1 電壓互感器故障原因分析

通過檢修過去幾起太陽能電站或風能電站中的故障，發現最容易出現故障的元件為10～35 kV交流開關站中的鐵磁式電壓互感器，且故障的癥狀很相似，都是保護熔斷器燒毀，嚴重時鐵磁式電壓互感器外殼出現爆裂或炭化龜裂。要分析其共有的故障原因，先要分析風能電站與太陽能電站共有的特點，不論是風力發電還是太陽能發電，主回路必須有逆變器，將直流或不規則的交流轉變成工頻電源。而逆變器必須帶有整流環節，這樣會產生大量諧波，雖經過各種諧波裝置濾波，但各次諧波，尤其是高頻諧波也比普通電網多。

大量各次諧波的存在極容易誘發系統的諧振發生，而諧振顯然是鐵磁諧振。因為系統回路有一對電容，而鐵磁電壓互感器又是電抗較大的電感元件，因此對某次諧波來說（不同的諧波，也就是不同的頻率，呈現的電抗或容抗是不同的），當系統的容抗與鐵磁電壓互感器、電力變壓器等設備的感抗相等時，自然會形成并聯諧振[1]。

1.1 鐵磁諧振發生的原因

在中壓不接地系統中，各相對地電容及各相對地電感組成并聯回路。電源側中性點對地無固定電位，中性點對地電壓處于不穩定狀態，當系統出現擾動時，如發生間隙性電弧的單相不穩定接地、斷線故障、單相接地故障恢復的瞬間、電源合閘的瞬間以及雷電沖擊等情況，系統運行情況會發生突變，其穩定性會遭到破壞。電壓互感器受到涌流侵入，三相飽和程度不一，造成電抗發生變化，當其與系統各組件電抗、容抗達到某種配合時，就有發生諧振的可能。如果電壓互感器某一相或兩相有涌流，則會造成鐵芯過飽和，從而電感減小，三相電抗不對稱，中性點位移，出現零序電壓，并會隨之出現零序電流及零序電抗。零序電流通過系統對地電容形成回路，當電壓互感器的零序阻抗與系統的等值容抗相等時，便會形成諧振。

1.2 鐵磁諧振的危害

鐵磁諧振是中壓不接地系統的常見問題，它的直接危害是導致電壓互感器的絕緣擊穿或熱損壞，接下來發生電壓互感器短路。如果電壓互感器的保護熔斷器不能及時切斷短路，會引起更大的故障。對于電壓互感器絕緣擊穿的原因，有兩種不同的觀點，一種觀點是諧振引起過電壓造成絕緣擊穿；另一種觀點是因諧振造成過電流，由過電流造成互感器發熱，因發熱而造成絕緣損壞。

2 避免電壓互感器產生鐵磁諧振的措施

2.1 電壓互感器一次側中性點串入消諧電阻

在中性點串入消諧器，就是在中性點串入電阻接地，其能夠消耗諧振電流的能量，對諧振起到阻尼作用。也相當于在電壓互感器零序回路中增加了電阻，分擔了零序電壓，使電壓互感器的鐵芯飽和程度降低，并降低了諧振的風險。另外，限制了零序電流，避免因較大的電流通過電壓互感器繞組而引起電壓互感器燒壞。所串入的消諧電阻可以是線性的，也可以是非線性的，非線性的特點是承受的電壓越高，其電阻越低。當由于故障造成電壓互感器一次側中性點對地電壓過高時，消諧阻抗值變低，電壓互感器二次側開口三角兩端電壓才足夠大，以便保護裝置動作。當系統一相接地，電壓互感器中性點接地電阻足夠小，電壓互感器二次側接地相電壓接近零，其他兩相電壓趨于線電壓，這才有利于判別接地相。

值得注意的是，消諧器有足夠的容量。當發生諧振時，大的零序電流通過時不會引起消諧器燒壞。消諧器的首要作用是消諧，使諧振不能持續。實踐證明，當消諧電阻大于電壓互感器每相繞組阻抗的0.06倍時，足以阻止諧振的持續。按此比例計算，當消諧電阻為電壓互感器每相繞組阻抗的0.06倍且正常運行時，電壓互感器副邊開口三角形電壓只降6%，這種影響完全可以接受。若采用非線性電阻，則開口三角兩端電壓減少不會超過10%。

如果消諧電阻的阻值非常高，則開口三角形兩端電壓降較大，而副邊線電壓及相電壓變化不大，這對保護及測量都不利。當一次消諧電阻趨于無窮大時，即一次側中性點不接地。當系統一相接地，而電壓互感器二次側電壓無變化時，亦起不到絕緣監視的作用，這與電壓互感器一次中性點接地的初衷相悖。目前，生產一次消諧電阻的廠家較多，其中較好的是齒輪形加大散熱面的大容量非線性消諧電阻，其體積不大，可裝于手車柜內，與電壓互感器中性點弱絕緣相匹配。

實踐證明，一次消諧器是能夠阻止諧振的持續，從而保護電壓互感器不受損壞，但開始的瞬間諧振照樣發生，會造成電壓互感器保護熔斷器熔斷。

需要特別提醒的是，系統諧波過大與系統發生諧振無必然的聯系。如果系統三次諧波過大，因它是零序諧波，通過電壓互感器中性點所接的消諧器與系統對地的電容構成回路，盡管沒發生諧振，但通過消諧器的三次諧波電流已經使消諧器無法承受。例如，電壓互感器一次電流不足1.5 mA，而保護電壓互感器一次側的熔斷器熔絲額定電流為0.5 A，是電壓互感器額定電流的3倍，因此還會造成熔絲頻頻熔斷，這是三次諧波過大造成的，不一定是諧振導致的。此外，由于平時通過消諧器的諧波電流過大，可能會造成消諧器熱爆。

采用電壓互感器一次繞組串聯消諧電阻方法的效果不夠理想，因為在所遇到的電壓互感器保護熔斷器熔斷或電壓互感器燒毀的事故中，都有一次消諧裝置，但事故還是照樣發生。

2.2 微機二次消諧

在正常情況下，電壓互感器二次側開口三角形兩端的零序電壓很小，當諧振發生后，電壓互感器一次側中性點出現位移，開口三角形兩端電壓高，如果兩端接入電阻來消耗能量，則能夠對諧振起到阻尼作用。

微機二次消諧是采用微機二次消諧裝置，分別對電壓互感器副邊的3個相電壓及開口三角形兩端電壓進行取樣，判別是單相接地故障還是發生了諧振。如果是接地故障就報警，而如果是發生了諧振，則需根據諧振頻率的不同，使計算機發出指令，在開口三角形兩端接入不同的電阻。如果是分頻諧振，則接入高電阻，如果是高頻諧振，則接入低電阻或直接短接。

目前，計算機二次消諧的不足之處是判別接地故障與諧振時不夠準確，此種方法有待完善。微機諧振裝置如果判斷失誤，將單相金屬穩定接地，開口三角形兩端出現的近100 V的過高電壓誤認為諧振，肓目地短接開口兩端，會很快把電壓互感器燒壞。其原因是開口兩端短接后，開口三角形繞組電流可達70～80 A，而相對應的電壓互感器一次側電流可達400 mA，電壓互感器會立即燒毀。如果35 kV電壓互感器額定容量為30 VA，額定電流不超過0.5 mA，而相對應的一次側電流達到了180 mA，則電壓互感器將無法承受此電流。鑒于上述原因，有的設計單位及當地供電部門選擇使用一次消諧，而不用微機二次消諧。實踐證明，采用二次微機消諧不夠理想。

2.3 電壓互感器一次側中性點經單相電壓互感器接地

電壓互感器一次側中性點經單相電壓互感器接地，可稱為經零序電壓互感器接地，也可稱為經消諧電壓互感器接地[2]。零序電壓可從開口三角形引出，也可從零序電壓互感器副邊引出。有了零序電壓互感器，副邊可省去開口三角形繞組，其理由是零序電壓互感器分擔了一次繞組的一部分零序電壓，造成開口三角形開口零序電壓只占整個零序電壓的少部分，其用來做保護電壓的信號靈敏度不夠。當采用了零序電壓互感器后，副邊又有開口三角形繞組，此時可短接開口，這樣可對一次繞組產生去磁作用，一次繞組的零序電壓幾乎為零，零序電壓幾乎全部加到接地零序電壓互感器上，如此從零序電壓互感器引出的電壓信號更高。此外，由于接地用零序電壓互感器對一次繞組零序電壓的分壓，不會使電壓互感器一次繞組過飽和。

目前，生產廠家供應組合式具有消諧功能的電壓互感器，此種消諧方式效果不夠顯著，而且在手車柜中安裝不夠方便，其效果有待驗證，因此很少有人采用該方法。

2.4 增大電壓互感器鐵芯截面積

增大電壓互感器鐵芯截面，使之外施電壓大至1.9 Um/V3時，鐵芯磁通尚不飽和，采用勵磁飽和點高的電壓互感器，在鐵磁諧振時，可承受高密度磁通而不致其過熱燒壞。采用此種方法效果顯著，上述各35 kV開關站鐵磁電壓互感器熔絲熔斷及燒毀事故，最終釆用的辦法就是鐵磁電壓互感器采用非標設計，加大鐵芯截面，實際上加大電壓互感器容量。采用加大鐵芯的電壓互感器后，不再發生上述事故。由于釆用加大鐵芯截面后，體積相應增大，這樣安裝它要求開關柜要有更多空間。

2.5 減少系統容抗

為使其不輕易發生諧振，減少系統容抗的方法可用電纜代替架空線，或在配電室母線上接入Yy接法的電容器。不過線路敷設方式由多種因素決定，大多情況下不能為了防諧振而改變敷設方式。另外，母線上除接專用補償電容外，為消諧而專門接入電容的情況極少，這不但增加了成本，增大了安裝空間，同時也降低了系統運行的可靠性。

2.6 采用電壓互感器一次側中性點不接地方式

10 kV及以下系統電壓互感器一次繞組中性點可不接地，這是針對用戶端變電所或開關站而言。因為系統的接地故障監視由供電部門在降壓站對系統集中監視電壓互感器一次側中性點不接地，對地電流沒有通路，不會產生諧振。V-V接法的電壓互感器一次繞組自然不接地，自然也不會發生諧振，但此種接法應用不夠普遍，只在計量及特殊場合下采用[3]。

對于太陽能電站，它的35 kV系統或10 kV系統，它不是電力系統的一部分，而是一個獨立系統，要有自己的接地故障監視裝置，這樣母線電壓互感器一次側中性點要接地了，因此采用電壓互感器一次側中性點不接地來避免諧振是不現實的。

2.7 系統經消弧線圈接地

經消弧線圈接地，可防止系統發生單相接地后出現間歇性電弧，這樣可防止不穩定接地而發生的鐵磁諧振。

2.8 電壓互感器一次繞組中性點經有源濾波器接地

除消除諧波，也起限流及阻尼作用，但此法代價高且占用空間大，某公司生產的JLXQ-35型有源濾波器安裝于35 kV的電壓互感器一次側中性點與地之間，濾除諧振諧波，起限流與阻尼作用，達到限值涌流及防止鐵磁諧振的發生，道理很簡單，不論涌流還是鐵磁諧振電流，都包含各次諧波，有源濾器消除這些諧波后，自然不會有鐵磁諧振了，不過采用此種方式，會增加投資，并占用大的安裝空間，運行實踐經驗也較少，因此很少釆用。

2.9 在二次側開口三角形兩端接入電阻

一般需要在開口三角形兩端接入電阻R，其大小為R≤0.4(Xm/K2I3)。其中，K13為電壓互感器的一次繞組與開口三角形匝數之比，Xm為電壓互感器的勵磁電抗。有的這開口三角形兩端并聯一個40～100 W的燈泡，但燈泡容量不能過大，因為燈泡容量過大，意味著電阻太小了，一旦系統發生單相接地故障，也會燒壞開口三角形繞組。

2.10 采用全絕緣電壓互感器

電壓互感器有全絕緣及半絕緣之分，本絕緣電壓互感器一次繞組與二次繞組之間絕緣能力低，10 kV電壓互感器只有3 000 V，而35 kV電壓互感器只有5 000 V，而全絕緣電壓互感器，二次與二次繞組間的絕緣能力與相繞組相同。半絕緣電壓互感器對地接頭處于電壓互感器底座附近，3只單相電壓互感器一次繞組連接成星形接法非常方便，兩只單相電壓互感器所占開關柜的空間較小。全絕緣電壓互感器兩只接線柱都在電壓互感器上方，也即是在互感器同一側，接線比較困難。另外，這種電壓互感器在開關柜中所占空間較大，一般安裝在手車柜內，如果手車柜內又有各電壓互感器或避雷器，則安裝更加困難[4,5]。

3 結 論

通過上述分析可以看出，太陽能和風能電站35 kV開關站最大的故障點就是鐵磁式電壓互感器，其故障基本相似，即保護熔斷器熔斷及電壓互感器燒毀。產生上述故障的原因就是鐵磁并聯諧振。解決上述故障的方法多種多樣，比較簡單、有效且可行的方法就是采用加大電壓互感器鐵芯非標產品，另外采用全絕緣的電壓互感器。為此，在工程設計階段，電氣設計人員在材料表中要注明電壓互感器為加大鐵芯截面的全絕緣的非標產品。至于電壓互感器一次側中性點經過消諧電阻接地問題，以及二次側計算機消諧問題可以保留，但不能作為解決諧振的主要措施。如果有可能，采用電壓互感器一次側中性點不接地，這樣就不存在諧振，也不會造成電壓互感器故障了。在國家電網反事故措施中明確規定，對于10 kV及以下電壓等級的用戶開關站，鐵磁電壓互感器一次側中性點不應接地，這樣做就是防止鐵磁諧振的發生，至于電壓等級為35 kV的用戶開關站，電壓互感器中性點是否接地并沒有明確。因此，在電氣設計時，設計人員最好征求當地供電部門意見，電壓互感器一次側中性點能不接地就盡量不接地。