10KV電壓互感器燒毀故障分析

摘 要：本文介紹了電壓互感器的用途及原理，電壓互感器是用來將電力設備上的高電壓降低到100伏后，再供給測量儀表或者繼電器的并聯線圈，這樣就可以利用低壓儀表間接監測或者測量高電壓，從而可使測量儀表及電路構造簡單、價廉，確保設備和工作人員的安全。重點分析了兩種電壓互感器的接線圖，主要針對進口500KW短波發射機10KV系統母線電壓互感器多次出現燒毀事故，詳細介紹了串聯諧振的原理，從現場采集的故障現象及與電站10KV電壓互感器做比較，分析了電壓互感器燒壞的原因，并提出了相應的整改措施。

關鍵詞：電壓互感器燒毀 串聯諧振條件 零序互感器 母線接地

中圖分類號：TM451 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（a）-0000-00

一、電壓互感器用途及原理

電壓互感器和變壓器很相像，都是用來變換線路上的電壓。但是變壓器變換電壓的目的是為了輸送電能，因此容量很大，一般都是以千伏安或兆伏安為計算單位；而電壓互感器變換電壓的目的，主要是用來給測量儀表和繼電保護裝置供電，用來測量線路的電壓、功率和電能，或者用來在線路發生故障時保護線路中的貴重設備、電機和變壓器，因此電壓互感器的容量很小，一般都只有幾伏安、幾十伏安，最大也不超過一千伏安。

電壓互感器的基本結構和變壓器很相似，它也有兩個繞組，一個叫一次繞組，一個叫二次繞組。兩個繞組都裝在或繞在鐵芯上。兩個繞組之間以及繞組與鐵芯之間都有絕緣，使兩個繞組之間以及繞組與鐵芯之間都有電的隔離。電壓互感器在運行時，一次繞組N1并聯接在線路上，二次繞組N2并聯接儀表或繼電器。因此在測量高壓線路上的電壓時，盡管一次電壓很高，但二次卻是低壓的，可以確保操作人員和儀表的安全。

二、發射機10KV電壓互感器接線圖及原理

2009年，我臺500KW發射機10KV電壓互感器發生了十幾起互感器燒毀事故，而與發射機10KV電壓互感器在同一條母線上的電站10KV互感器卻沒有發生一起燒毀事故，我們分析兩種互感器結構與接線的方式有什么不同，造成在同一條母線的兩種互感器會有如此大的差異，下面我們先分析我臺500KW發射機10KV電壓互感器，其接線圖及原理如下：

發射機10KV電壓互感器原理圖（圖1）

500KW發射機使用三臺單相三繞組電壓互感器構成高壓測量及監視回來。其二次繞組（即1S1、1S2繞組）用于測量相間電壓和相對地電壓，輔助二次繞組L1輔、L2輔、L3輔（即2S1、2S2繞組）接成開口三角形，供接入交流電網絕緣監視儀表和繼電器用。

三個輔助繞組首尾相接成三角形接法，如圖（2）：

輔助線圈三角形接法（圖2）

R1和R2并聯組成阻尼電阻，它的作用是為了消除鐵磁諧振。電壓U是三角開口電壓。我們知道在正常運行情況下，U=UL1+UL2+UL3=0。即環路電流Ⅰ=0。但當三相不平衡時，如一相接地（如10KV側A相接地，UA=0，UL1=0）或電路遭到雷擊時，就很可能出現UL1+UL2+UL3≠0，即三角開口電壓U≠0。輔助線圈出現環路電流，線圈由電感和砸間電容組成，容易造成環路諧振，嚴重時諧振電流就能燒毀互感器線圈。而阻尼電阻的作用就是限制環路電流，消耗環流電流的能量，從而消除環路諧振。

二次繞組（即1S1、1S2繞組）出線接有2A的空氣開關，如果出現勵磁電流，電流大于2A，空氣開關跳閘，保護二次線圈和測量回路儀器不至于損壞。

有上述，我們可以知道，電壓互感器的二次線圈及輔助二次線圈，不容易燒毀，而電壓互感器一次線圈匝數多、線徑細燒毀。所以10KV電壓互感燒毀只有因為一次線圈流過了很大的電流從而造成了互感器的燒毀。我們砸開損壞的互感器，發現確實是一次線圈被擊穿損壞。而一次線圈如此大的電流從哪里來呢？下面在分析下，當10KV母線有一相（假設B相）接地，電壓互感器會有什么情況。接地向量圖如圖（3）：線路的中點（即N點）與UB 的頂點重合，通俗地可以理解為，因為B相接地，大地就成了線路的B相，B相與大地重合。所以B相電壓相對于大地等于零，即UBN=0 而UAN= UCN= UAB，末接地的兩相UAN、UCN相電壓將升高到原來的√3倍，將嚴重影響線路和電氣設備的安全運行（此時因為電壓互感器的勵磁阻抗很大，故流過的電流很小）。但是，如果一旦接地故障點消除，非接地相電壓互感器線圈在故障期間已充的電荷只能通過電壓互感器高壓線圈經其自身的接地點流入大地（圖4）。在這一瞬間電壓突變過程中，電壓互感器高壓線圈的非接地兩相的勵磁電流就要突然增大，甚至飽和，每個互感器線圈都能等效成一個電感和一個電容串聯組成，電感和電容很容易構成相間串聯諧振。

串聯諧振的定義：

輸入阻抗Z =R+j（ωL— 1/ωC） =R+Jx

當ωL>1/ωC感性。

當ωL<1/ωC容性。

當ωL=1/ωC X=0，電路中的電壓、電流同相，

電路的這種狀態稱為諧振，串聯諧振的條件：

ωL=1/ωC

當ω0 =1/√LC 時，ω0稱為諧振角頻率。

串聯諧振有幾個特點：

1，輸入電壓U 和 輸入電流I 同相。

2，輸入阻抗Z 為純電阻，即Z=R，電路中阻抗值▕Z▏最小。

3，輸入電流I達到最大值。

4，串聯諧振時，LC上的總電壓等于0. LC相當于短路。電源電壓全部加在電阻R上。

5，品質因數Q =UC / U ，表示電感（或電容）上的電壓與電源的比值，即電路在諧振時電壓被放大的倍數。

UL0 = UC0 = QU， UL0、UC0是電源電壓的Q倍。如ωL=1/ωC>>R，則Q很高，L和C上出現高電壓。

所以當導致電壓互感器鐵芯逐漸磁飽和，其電感迅速減小，當電感降到滿足ωL=1/ωC時，即具備諧振條件，從而產生串聯諧振電壓。這個電壓是電壓互感器輸入電壓（10KV）的數倍，電壓互感器會因為這個串聯諧振電壓而擊穿互感器的絕緣，導致絕緣介質受熱而汽化，體積急速膨脹，而干式電壓互感器內部空間有限，當壓強增加到一定程度時便發生絕緣物質溶化，甚至爆裂。

B相接地向量圖（圖3） 電壓互感器在故障消除后放電示意圖（圖4）

三，電站使用的電壓互感器原理與接線圖如下：

電站10KV電壓互感器原理圖（圖5）

電站的10KV電壓互感器的高壓側，在N線上增加了一組互感器，這個互感器只有一次側，且與相線上的互感器一次側線圈完全相同，這個互感器我們成為零序互感器，中點經零序電壓互感器再接地，這種互感器由于有4個電壓互感器組成，所以稱為“4VT”接法。

B相一次側接地圖（圖6）

其消諧原理是，當單相接地（假設B相接地）時，因為B相接地，大地就相當于了B相，大地就有UB相的電壓，即N’處電壓等于UB，所以零序電壓互感器的一次線圈（N N’） 上就出現一個零序電壓，這個零序電壓與B相一次側線圈電壓大小相等，方向相反，N處的電壓沒有發生變化，UN=0。此時我們再分析未接地的其它兩相（即AB兩相）的對地電壓UAN、 UCN，因為N處的電壓沒有發生變化，所以UAN= UCN，即UAN和UAC電壓沒有發生變化。因為UAN和UCN電壓沒有發生變化，所以當B相接地消除時，A、C兩相電壓沒有發生突變，故不會出現諧振頻率，因此不致于引起電壓互感器發生串聯諧振，電壓互感器也不會因為串聯諧振而燒毀。

四，結束語

有以上分析，我們知道，引起我臺500KW發射機10KV電壓互感器燒毀的主要原因是：10KV母線有瞬間接地故障。由于我臺行政10KV線路、封城水泵房10KV線路與發射機10KV供電在同一母線上并聯使用，同時我臺周圍環境也比較差，在雷雨、大風冰雪等惡劣天氣，10KV母線的一相瞬間接地情況經常發生，在中性點不接地系統中，當系統發生單相接地故障時，系統仍可在故障狀態下繼續運行一段時間，有供電連續性高的優點。知道了故障原因，我們重點檢查臺區10KV線路，10KV線路由原來的裸鋁線更換為絕緣鋁線，更換所有10KV線路上所有避雷器，檢查所有瓷瓶，重新制作了10KV線路避雷器的接地線，砍伐10KV線路下樹木等等，這些工作完成后，三年來，500KW發射機10KV電壓互感器沒有再發生一次燒毀事故，為發射機的安全播音、優質零秒提供了有力的保障。

參考文獻

[1] 吳文勝；曾悅；；10KV電壓互感器故障原因分析及對策[J]；湖北電力；2010年03期

[2] 王真；；電壓互感器鐵磁諧振的原因與對策[J]；海峽科學；2009年03期