電磁式電壓互感器常見故障及應(yīng)對措施綜述

劉勝男，張永敏，楊艷，楊章俊，包積花

（國網(wǎng)青海省電力公司營銷服務(wù)中心,青海 西寧 810000）

電壓互感器作為電力系統(tǒng)中不可缺少并且廣泛使用的重要電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)中起著連接電氣一、二次回路，實現(xiàn)電氣一、二次系統(tǒng)的電氣隔離以及將一次回路中的高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓供給繼電保護(hù)、測量裝置的重要作用[1]。電壓互感器自身的運(yùn)行情況將對電力系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響，無論是外部原因還是其本身原因，亦或是二次回路引起的互感器故障都將嚴(yán)重危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

在目前投入運(yùn)行的諸多電壓互感器中，電磁式電壓互感器的使用最為普遍。在實際運(yùn)行中，電磁式電壓互感器出現(xiàn)的多種故障時刻威脅著電力系統(tǒng)的安全。首先，由于電磁式電壓互感器自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在實際運(yùn)行中易發(fā)鐵磁諧振故障，產(chǎn)生較高的諧振過電壓，甚至引發(fā)互感器爆炸和燒毀用電設(shè)備等事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)安全[3-4]。為此，國內(nèi)外學(xué)者對于如何抑制或消除互感器鐵磁諧振故障做了大量研究。一些消諧措施已經(jīng)在實際運(yùn)行中被廣泛采用，主要包括：采用勵磁特性較好的互感器[5]、減少并聯(lián)互感器數(shù)目[6]、用電容式電壓互感器代替電磁式電壓互感器[7]、在三相互感器中性點(diǎn)接入單相互感器[8]、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地[9]、一次側(cè)中性點(diǎn)接非線性電阻[10]、開口三角形處接阻尼電阻[11]等。以上方法均是從破壞諧振條件或消耗諧振能量的角度出發(fā)來抑制鐵磁諧振，但在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出的消諧效果并不理想，甚至還會帶來附加問題。隨著電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的消諧措施已經(jīng)無法適應(yīng)越來越復(fù)雜的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，急需新的措施來應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境下的鐵磁諧振故障。

得益于電力電子技術(shù)的發(fā)展，有學(xué)者提出了通過控制電力電子器件向中性點(diǎn)注入零序電流來抑制中性點(diǎn)電壓偏移[12]或通過電力電子器件控制系統(tǒng)對地阻性電流[13]來抑制鐵磁諧振的柔性抑制方法。基于電力電子器件的柔性抑制方法，通過對互感器鐵磁諧振特征量的精確判別，能夠根據(jù)鐵磁諧振的故障情況自適應(yīng)地改變注入電流的大小，以達(dá)到最佳消諧效果[14]，在日益復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中其優(yōu)勢越來越明顯。

除鐵磁諧振故障外，在實際運(yùn)行中由于電網(wǎng)設(shè)計缺陷、絕緣老化、人員操作不規(guī)范等原因，電壓互感器還經(jīng)常出現(xiàn)二次回路多點(diǎn)接地、斷線以及接線錯誤的故障情況[15-17]。以上故障均可能導(dǎo)致與電壓互感器相連的繼電保護(hù)設(shè)備誤動、拒動，給電力系統(tǒng)安全帶來巨大隱患。此外，多點(diǎn)接地故障作為隱性故障在正常運(yùn)行時不易察覺，將進(jìn)一步威脅電力系統(tǒng)安全[18]。目前采用的針對多點(diǎn)接地與接線錯誤故障的排查方法多是依靠巡檢人員對每一個互感器逐一排查以確定是否有故障發(fā)生[19-20]，這不僅費(fèi)時、費(fèi)力，而且對故障情況判別的準(zhǔn)確度不高。對于斷線故障，采用的則是較為保守的退出大部分保護(hù)裝置的措施[21]，這雖然可以防止保護(hù)裝置因斷線而誤動，但是降低了電力系統(tǒng)在互感器斷線期間應(yīng)對其他問題的能力。

本文針對目前電力系統(tǒng)中電磁式電壓互感器出現(xiàn)的鐵磁諧振、二次側(cè)多點(diǎn)接地、回路斷線和接線錯誤的故障機(jī)制及危害進(jìn)行了詳細(xì)分析，總結(jié)了目前應(yīng)對鐵磁諧振故障的主要措施，深刻剖析了各類消諧措施基本原理以及這些措施存在的優(yōu)缺點(diǎn)，最后簡要分析部分文獻(xiàn)中提出的針對互感器多點(diǎn)接地、回路斷線和接線錯誤等隱性故障的防范和應(yīng)對措施，以期為互感器故障防范和應(yīng)對措施的改進(jìn)和發(fā)展提供參考。

1 電磁式電壓互感器常見故障機(jī)制與危害分析

1.1 鐵磁諧振

鐵磁諧振是由電壓互感器、變壓器等鐵磁電感因飽和而引起的過電壓現(xiàn)象，常出現(xiàn)于電磁式電壓互感器中[22]。以中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)為例，在該系統(tǒng)中常在發(fā)電機(jī)或變電站母線上接Y 形接線且中性點(diǎn)直接接地的電磁式電壓互感器[23]，其電路原理圖如圖1 所示，其中E1、E2、E3為三相電源電勢，C1、C2、C3為各相線路對地電容，L1、L2、L3為互感器等效勵磁電感。

圖1 三相PT 接線原理圖Fig.1 Schematic diagram of the three-phase PT wiring

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，三相電源電勢相等，各相電壓互感器勵磁特性相同且各相對地電容相等[24]，此時中性點(diǎn)電位為

式中Yi(i=1、2、3)為A、B和C相對地導(dǎo)納，表示為

由于C1=C2=C3且L1=L2=L3，因此各相對地導(dǎo)納也相等，式(1)可表示為

因為E1+E2+E3=0，所以中性點(diǎn)電位UN為0，此時不會發(fā)生鐵磁諧振。但是一旦電力系統(tǒng)出現(xiàn)擾動，如單相接地故障、空載合閘母線等引起中性點(diǎn)電壓發(fā)生位移，就可能使互感器飽和，引起鐵磁諧振故障[25]。以電力系統(tǒng)中最常見的單相接地故障為例，在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，若A相發(fā)生金屬性接地故障，其電壓向量圖如圖2 所示，此時A相電壓為0，中性點(diǎn)電壓變?yōu)?UA，B、C相電壓升高為原來的倍。因此，B、C相電壓互感器勵磁電流也將隨電壓升高而突然增大，使鐵芯飽和。由于電壓互感器的非線性勵磁特性，其電感值將隨之迅速減小[26]。此時三相之間的電感平衡被打破，將進(jìn)一步加劇中性點(diǎn)位移。若電感降低時其數(shù)值剛好與電路電容相匹配，使得總導(dǎo)納為0，則會引發(fā)諧振，產(chǎn)生較大的諧振過電壓[27]。

圖2 A 相接地電壓向量圖Fig.2 Vector plot of the ground voltage of phase A

一般情況下，互感器鐵磁諧振均是由互感器鐵芯的非線性飽和而引起。根據(jù)頻率的不同，諧振分為基頻諧振、分頻諧振以及高頻諧振，不同頻率的諧振在發(fā)生時會表現(xiàn)出不同的特征，應(yīng)對措施也會根據(jù)頻率做出適當(dāng)調(diào)整[28-29]。

從上述鐵磁諧振的原理不難看出，電力系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振時，中性點(diǎn)電壓升高，還會產(chǎn)生諧振過電壓。較高的過電壓不僅會導(dǎo)致電壓互感器保險熔斷，甚至燒毀電壓互感器或者出現(xiàn)互感器爆炸事故，嚴(yán)重危及電力系統(tǒng)中的其他設(shè)備，造成重大安全事故。

1.2 二次側(cè)多點(diǎn)接地

為防止電力系統(tǒng)一、二次絕緣損壞或擊穿，危及電力設(shè)備及人身安全，電壓互感器二次回路通常有且只有一個接地點(diǎn)[30]，屬于保護(hù)性接地。但是一旦存在2 個或2 個以上接地點(diǎn)時，2 個接地點(diǎn)之間出現(xiàn)的電壓、電流可能會使互感器電壓異常[31]，導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動或拒動。

以互感器二次側(cè)兩點(diǎn)接地為例，電氣原理圖如圖3 所示。當(dāng)前電力系統(tǒng)中變壓器二次回路接地點(diǎn)通常接在保護(hù)裝置中性點(diǎn)，即圖3 的O點(diǎn)。假設(shè)此時因其他原因在二次回路出現(xiàn)另一接地點(diǎn)f，若兩接地點(diǎn)距離過遠(yuǎn)或地網(wǎng)中有電流流過，f、O兩點(diǎn)間便會出現(xiàn)電壓差UfO，其方向與電流i同相。此時，保護(hù)裝置測得電壓為：

圖3 互感器二次側(cè)兩點(diǎn)接地原理圖Fig.3 Schematic diagram of the two-point grounding on the secondary side of the transformer

從式(4)不難看出，此時保護(hù)裝置得到的電壓已不再是互感器二次側(cè)測得的電壓，而是增加了一個附加電壓UfO。因此，當(dāng)前電壓已經(jīng)無法客觀反映出系統(tǒng)的真實運(yùn)行狀況，當(dāng)然也就不能再做出正確反應(yīng)，即發(fā)生誤動或是拒動。

1.3 回路斷線

相比于電流互感器，電壓互感器更容易受過電壓、過電流的影響，導(dǎo)致二次回路出現(xiàn)斷線故障，使得繼電保護(hù)裝置測得的電壓降低或消失，致使阻抗繼電器失壓誤動[32]。根據(jù)斷線情況不同，電壓互感器二次側(cè)通常會出現(xiàn)一相斷線、兩相斷線。現(xiàn)以一相斷線為例分析其故障機(jī)制。

圖4 示出電壓互感器二次側(cè)負(fù)載接線圖，其中Zab、Zbc和Zac為互感器二次側(cè)相間負(fù)載，Za、Zb和Zc為互感器二次側(cè)相負(fù)載，、和為互感器二次側(cè)電壓。

圖4 電壓互感器二次側(cè)負(fù)載接線圖Fig.4 Wiring diagram of the secondary side load of the voltage transformer

此時若a相發(fā)生斷線故障，由疊加定理可得

式中k1、k2為分壓系數(shù)。通常情況下，互感器二次側(cè)負(fù)載阻抗角相同，k1、k2為實數(shù)，表示為：

根據(jù)式(5)可做出a相斷線后電壓向量圖，如圖5 所示。

圖5 電壓互感器二次a 相斷線電壓向量圖Fig.5 Vector plot of the secondary a phase break voltage of the voltage transformer

從圖5 可以看出，由于互感器二次側(cè)存在相間負(fù)載，二次側(cè)a相斷線后U˙a僅是幅值降低而非減為0，其相位變化了180°，于是，U˙ab、U˙ac的相位和幅值也將發(fā)生改變。這會導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的繼電器接收到非正常電壓而產(chǎn)生誤動，將電力系統(tǒng)一次回路正常運(yùn)行的線路或設(shè)備切除，發(fā)生不必要的停電事故。

1.4 接線錯誤

由于裝設(shè)互感器人員的疏忽或者電網(wǎng)運(yùn)行方式改變經(jīng)常會導(dǎo)致互感器接線出錯，并且這種錯誤的接線方式較難察覺，可能造成重大事故[33]。以目前電力系統(tǒng)中常用的互感器Y-Y 接線與V-V 接線為例進(jìn)行分析。

圖6 Y-Y A 相極性反接原理圖Fig.6 Schematic of the polar backconnection of phase A Y-Y

圖7 Y-Y A 相極性反接電壓向量圖Fig.7 Voltage vector plot of the polar inversion of phase A Y-Y

Ua相位旋轉(zhuǎn)180°，幅值未改變，Uab與Uca幅值則變?yōu)樵瓉淼谋丁?/p>

三相極性全反接時，二次側(cè)電壓相位全部旋轉(zhuǎn)180°，幅值不變，也正因其幅值未發(fā)生改變，常規(guī)監(jiān)測方法很難發(fā)現(xiàn)其錯誤。

2) V-V 接法。互感器二次側(cè)額定電壓取100 V。以一相反接為例，圖8 為A相反接時接線原理圖。

圖8 V-V A 相反接原理圖Fig.8 Schematic of the reverse connection of phase A V-V

根據(jù)圖9 所示的電壓向量圖，可得：

圖9 V-V A 相極性反接電壓向量圖Fig.9 Voltage vector plot of the polar inversion of phase A V-V

Uab與接線正確時相比，相位旋轉(zhuǎn)了180°，幅值不變，而Uac的幅值則變?yōu)樵瓉淼谋叮巡辉偈窍到y(tǒng)的正常電壓。

V-V 接法兩相極性全反接時，二次側(cè)電壓幅值不變，相位均變化180°。與Y-Y 接法三相極性全反接的情況相同，常規(guī)監(jiān)測方法同樣很難察覺此錯誤，使得電力系統(tǒng)存在重大隱患。

通過對電磁式電壓互感器針鐵磁諧振、二次側(cè)多點(diǎn)接地、回路斷線和接線錯誤故障機(jī)制的分析，不難發(fā)現(xiàn)，電磁式電壓互感器出現(xiàn)的4 種常見故障產(chǎn)生的機(jī)制不同，所造成的危害也有差異。表1 給出了上述4 種故障情況的特點(diǎn)及危害。

表1 電磁式電壓互感器常見故障及危害Tab.1 Common faults and hazards of electromagnetic voltage transformer

2 故障的應(yīng)對措施

2.1 消除鐵磁諧振的主要措施

電磁式電壓互感器發(fā)生的鐵磁諧振故障是互感器常見故障中危害最大也是最易發(fā)生的故障。如何抑制或消除互感器鐵磁諧振是電網(wǎng)設(shè)計、運(yùn)行中一個不得不考慮的問題。文獻(xiàn)[34-37]研究了目前一系列抑制鐵磁諧振的舉措。

1）從鐵磁諧振的產(chǎn)生機(jī)制出發(fā)，通過改變系統(tǒng)的參數(shù)從而破壞鐵磁諧振產(chǎn)生的條件。具體措施如下。

①選用勵磁特性較好的互感器。從鐵磁諧振產(chǎn)生的根源看，發(fā)生諧振主要是由于互感器勵磁特性差，鐵芯在受到電網(wǎng)擾動后容易發(fā)生飽和而產(chǎn)生鐵磁諧振，所以可以選用勵磁特性好的互感器避免這個問題。但是此方法僅僅降低了諧振發(fā)生的概率，并不能完全避免鐵磁諧振的產(chǎn)生。當(dāng)電網(wǎng)受到的擾動過大時，諧振仍然不可避免，并且此時擾動較大，其故障后果往往更加嚴(yán)重。此外，如果并聯(lián)的互感器臺數(shù)較多，其勵磁特性也會變差。因此，僅通過采用勵磁特性較好的互感器來消除鐵磁諧振是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

②減少并聯(lián)的互感器數(shù)目。當(dāng)系統(tǒng)中并聯(lián)的互感器數(shù)目較多時，互感器的勵磁特性將會變差，更容易因系統(tǒng)擾動而達(dá)到飽和以致發(fā)生諧振故障。文獻(xiàn)[36]通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)并聯(lián)互感器數(shù)目減少時，其他消諧措施能起到更好的效果。此方法在取得一定抑制諧振效果的同時，還減少了互感器的數(shù)目，也減少了日常維護(hù)的花費(fèi)，有著良好的經(jīng)濟(jì)性。但如果僅采取此方法其效果并不可觀，最好將此方法作為其他消諧措施的輔助手段。

③用電容式電壓互感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁式電壓互感器。電容式電壓互感器的主要組成部件包括電容分壓器、中壓變壓器、阻尼器等電磁元件，因其組成元件與結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，電容式電壓互感器對外呈容性，從而有效避免了與電網(wǎng)參數(shù)配合而產(chǎn)生的鐵磁諧振。但是，電容式電壓互感器內(nèi)部就同時存在電容與非線性電感，自身具備了產(chǎn)生諧振的條件，在一定誘因下可能形成自身內(nèi)部諧振產(chǎn)生大幅過電壓[38]。雖然電容式電壓互感器在110 kV 以上的電力系統(tǒng)中已取得廣泛應(yīng)用，但相比于電磁式互感器，其測量準(zhǔn)確性較差、二次側(cè)帶負(fù)荷能力較弱，想要在實際應(yīng)用中完全取代電磁式互感器，還有待自身結(jié)構(gòu)及其性能的進(jìn)一步提升。

④在中性點(diǎn)接入單相互感器。一方面，總體的勵磁電抗增加，勵磁特性得到改善，在很大程度上降低了諧振發(fā)生的可能性；另一方面，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，零序電壓主要加在單相互感器上，有效降低了其余互感器的電壓，防止鐵芯飽和而產(chǎn)生諧振。目前在三相互感器中性點(diǎn)接入單相互感器的方法已廣泛應(yīng)用于中低壓配電網(wǎng)中，具體的接線方式主要有2 種。

第1 種方法是將互感器二次三角繞組短接，如圖10 所示。此接線方式簡單，由單相互感器測量零序電壓，并且可以有效抑制三次諧波，提高了互感器的測量精度。但是由于二次側(cè)三角繞組短接，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后容易在三角繞組內(nèi)部形成較大環(huán)流。

圖10 三角繞組短路接線方式Fig.10 Short-circuit wiring mode of the triangle winding

第2 種方法是將單相互感器串接于二次側(cè)三角繞組上，如圖11 所示。該方法雖然有效避免了三角回路中的環(huán)流，但是其測量精度和消除諧振速度均有所下降。

圖11 三角繞組開路接線方式Fig.11 Open-circuit wiring mode of the triangle winding

實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，采用在三相互感器中性點(diǎn)接入單相互感器的方法大大降低了系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振的概率。但是由于第4 個互感器的接入，破壞了系統(tǒng)參數(shù)的對稱性，導(dǎo)致了電壓的失衡以及測量電壓波形的畸變[39]。針對此問題，文獻(xiàn)[39]提出了一種自動投切單相互感器的方法，將系統(tǒng)零序電壓作為系統(tǒng)單相接地故障的故障判據(jù)，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，自動投入單相互感器，以消除因該故障帶來的鐵磁諧振，待故障消除后，再將單相互感器從系統(tǒng)中切除，從而保證了互感器在系統(tǒng)正常運(yùn)行時的測量精度。

⑤系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。一般來說，消弧線圈的電感值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于互感器的勵磁電感。接入消弧線圈后，將破壞零序回路中的參數(shù)匹配關(guān)系，從而達(dá)到抑制鐵磁諧振的效果。為了能在不斷擴(kuò)大的電網(wǎng)規(guī)模中保證一定的脫諧度，消弧線圈的電感值應(yīng)當(dāng)減小，較小的電感值使回路時間常數(shù)也相應(yīng)減小，消諧進(jìn)程也得到縮短，從而提升了抑制諧振的效果。此方法接線簡單并且具有較好的全局性，只需要在系統(tǒng)中性點(diǎn)安裝一臺消弧線圈，便能取得良好的消諧效果，這也是此方法的一個突出優(yōu)點(diǎn)。

2）在諧振產(chǎn)生后，通過消除諧振產(chǎn)生的能量，以達(dá)到抑制甚至消除諧振的目的。具體措施如下。

①互感器一次側(cè)中性點(diǎn)接非線性電阻或消諧器。在互感器一次側(cè)中性點(diǎn)接入非線性電阻后，增加了零序回路阻尼，能夠起到消除諧振能量進(jìn)而抑制諧振的效果[40]，其接線圖如圖12 所示。

圖12 一次側(cè)中性點(diǎn)接非線性電阻Fig.12 Neutral points on the primary side connect the nonlinear resistance

從理論上來說，所接入的非線性電阻的阻值越大，起到的抑制效果越好。但在實際運(yùn)行中，過高的阻值不僅會引起電阻發(fā)熱，還會在很大程度上影響零序電壓的測量結(jié)果，若系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，可能還會影響保護(hù)裝置的正確動作。因此需要根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)的情況來配置接入非線性電阻的參數(shù)。雖然此方法消諧效果可觀，并且具有一定的全局性，但是如果系統(tǒng)側(cè)中性點(diǎn)直接接地的互感器數(shù)量較多，可能會使零序電壓升高。

②互感器開口三角處接阻尼電阻。此方法電氣原理圖，如圖13 所示。

圖13 開口三角處接阻尼電阻Fig.13 Connect the damping resistance at the open triangle

在系統(tǒng)正常運(yùn)行時，三角繞組開口處電壓為三相電壓之和，其值為零。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障引發(fā)諧振后，三角繞組開口處出現(xiàn)3 倍的零序電壓，用接入電阻的方法來消耗此時的諧振能量，以實現(xiàn)抑制諧振的效果。

從理論上講，所接入電阻阻值越小，其消耗能量的能力越強(qiáng)，抑制諧振的效果也就越明顯。但是若電阻值過小，在系統(tǒng)發(fā)生故障后，三角繞組中將會產(chǎn)生很大的環(huán)流，不僅會燒毀電阻本身、熔斷高壓熔絲，甚至還可能燒毀互感器[41]。在實際應(yīng)用中，常常出現(xiàn)因接入電阻阻值設(shè)置不當(dāng)而引發(fā)的電阻燒毀、互感器繞組過載等諸多問題[42]。針對此問題，文獻(xiàn)[42]提出用單相可控電阻元件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定阻值電阻，并根據(jù)系統(tǒng)中性點(diǎn)的電壓偏移量來調(diào)節(jié)電阻阻值。這樣既能夠在系統(tǒng)發(fā)生諧振時消耗諧振能量，抑制諧振，又能避免因電阻阻值過小而導(dǎo)致的互感器過載。雖然在阻尼電阻參數(shù)配置較好的情況下，在互感器開口三角接阻尼電阻的方法能取得可觀的諧振抑制效果，但是在中性點(diǎn)直接接地的變電站中，該方法卻不能有效消除鐵磁諧振[43]。

3）柔性抑制策略。

雖然目前在工程實際中已經(jīng)廣泛采用了上述幾種措施來抑制鐵磁諧振，但是由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性、多樣性，在應(yīng)用中仍然存在各種各樣的問題。對此，學(xué)者提出了通過實時檢測配電網(wǎng)零序電壓、三相電壓的幅值來判斷是否發(fā)生鐵磁諧振故障，并控制電力電子設(shè)備向中性點(diǎn)注入零序電流來鉗制中性點(diǎn)電位，吸收故障時的零序能量，以實現(xiàn)抑制鐵磁諧振的柔性消諧方法，具體實現(xiàn)流程如圖14 所示。

圖14 鐵磁諧振零序抑制流程圖Fig.14 Flow chart of the zero-order suppression of the ferromagnetic resonance

文獻(xiàn)[44]將電網(wǎng)零序電壓中的高頻、分頻含量以及系統(tǒng)對地泄漏電阻的大小作為故障判據(jù)，以判斷系統(tǒng)諧振頻率，并在此基礎(chǔ)上采用電壓、電流PI 雙閉環(huán)控制有源逆變裝置的方法實時跟蹤系統(tǒng)零序電壓，調(diào)節(jié)向系統(tǒng)注入零序電流的大小，吸收零序能量，以達(dá)到消除鐵磁諧振的目的。文獻(xiàn)[45]通過信號注入的故障識別方法判斷系統(tǒng)是否發(fā)生鐵磁諧振及諧振頻率，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了結(jié)合PWM 與電壓、電流PI 雙閉環(huán)控制全橋電壓源換流器的控制系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)所發(fā)生諧振情況實時改變注入系統(tǒng)零序電壓的大小，鉗制系統(tǒng)中性點(diǎn)電位為零，以消除鐵磁諧振。

雖然傳統(tǒng)的通過改變接線方式、改變互感器結(jié)構(gòu)或添加消諧電阻等鐵磁諧振故障應(yīng)對措施實施簡便、處理故障時直截了當(dāng)，但因其結(jié)構(gòu)固定無法根據(jù)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式的改變而及時做出調(diào)整，缺乏靈活性，難以滿足復(fù)雜電網(wǎng)的故障處理需求，也不符合電網(wǎng)的智能化發(fā)展要求。相比于傳統(tǒng)的諧振抑制方法，通過微機(jī)控制電力電子裝置的柔性抑制策略不僅具有更為良好的經(jīng)濟(jì)性，還可以根據(jù)故障的情況隨時調(diào)整注入電流的大小，在應(yīng)對越來越復(fù)雜的電網(wǎng)故障時更加靈活，同時順應(yīng)了電力系統(tǒng)智能化發(fā)展的趨勢。表2 示出了不同消諧措施的優(yōu)劣。

表2 不同消諧措施的比較Tab.2 Comparison of different harmonic measures

2.2 二次側(cè)多點(diǎn)接地防范措施

互感器二次側(cè)多點(diǎn)接地故障多是由線路絕緣老化或施工時疏忽導(dǎo)致。針對此故障，除了加強(qiáng)施工建設(shè)時的監(jiān)管和日常檢查維護(hù)工作外，更主要的是提升對互感器接地故障的查找方法，及時發(fā)現(xiàn)故障位置以便采取相應(yīng)措施。目前對互感器多點(diǎn)接地的查找方法主要有電阻法和電壓法2 種[46-47]。電阻法是通過在繼保室電纜與接地點(diǎn)之間串聯(lián)可變電阻，通過改變電阻值并觀察電流大小來判斷接地情況是否存在異常；電壓法則是通過測量設(shè)備保護(hù)屏或端子箱中零相電壓小母線(N600)的對地電壓值大小來判斷是否存在接地點(diǎn)。雖然上述2 種方法，接線簡單，操作簡便，但是需要對每一條N600支路或每一個設(shè)備保護(hù)屏進(jìn)行逐一排查，耗費(fèi)大量時間與人力。

針對傳統(tǒng)查找方法存在的問題，文獻(xiàn)[48]基于電阻法，在每個互感器中性線末端上安裝監(jiān)控電流互感器 (current transformer,CT)，并實現(xiàn)與主機(jī)的通信，通過微機(jī)控制接地電阻的大小，若某一CT 檢測到電流大小發(fā)生變化則判斷該支路出現(xiàn)接地故障，進(jìn)而報警。此方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電阻法費(fèi)時、費(fèi)力的缺點(diǎn)，提升了故障的查找效率。但是采用此方法需在每一個互感器中性線均安裝CT 以實時監(jiān)測電流大小，仍要耗費(fèi)大量資源。

在實際中采用的電阻法、電壓法等雖然檢測準(zhǔn)確率較高，但仍需要人工進(jìn)行逐一排查。雖有一些淺顯的研究，但所提方法無實際的進(jìn)展反而帶來一些額外的問題。目前，對多點(diǎn)接地故障的檢測還缺少優(yōu)秀的故障辨識手段。

2.3 互感器回路斷線應(yīng)對措施

互感器二次回路斷線是電力系統(tǒng)運(yùn)行時的常見故障，其危害主要是會引起保護(hù)裝置誤動或拒動。在實際運(yùn)行中，檢測到斷線故障時，通常會將其他保護(hù)裝置閉鎖，以防止保護(hù)裝置誤動[49]。其基本原理是通過判斷三相電壓之和的大小，來識別是否發(fā)生斷線故障。若檢測到發(fā)生斷線故障則退出大部分保護(hù)裝置，只保留工頻變化量距離保護(hù)，并適當(dāng)提升其制動電壓，以防在大部分保護(hù)裝置退出時系統(tǒng)發(fā)生短路故障。

這些方法僅僅實現(xiàn)了斷線故障的判斷，而無法對斷線的位置進(jìn)行精確定位，也就無法對斷線故障進(jìn)行快速處理。此外，若在大部分保護(hù)裝置退出的情況下，系統(tǒng)發(fā)生其他故障，則無法做到快速切除，從而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。雖然2 種故障同時發(fā)生的概率較小，但這無疑是電網(wǎng)運(yùn)行中的一個巨大隱患。

2.4 互感器接線錯誤防范措施

電壓互感器的接線錯誤主要是工作人員在安裝互感器時的疏忽導(dǎo)致。首先，應(yīng)當(dāng)提高工作人員的專業(yè)素養(yǎng)，加強(qiáng)審核與驗收工作，最大程度地防范接線錯誤引起的事故。其次，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照相應(yīng)規(guī)程定期對互感器進(jìn)行巡檢。最后，當(dāng)前采用的僅僅憑借互感器電壓的相序來判斷其接線是否正確是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，若互感器極性全反接，此方法并不能判斷其錯誤[50]。雖然極性全反接的情況較少，但仍須尋找良好的、能準(zhǔn)確判斷互感器接線情況的措施。

3 結(jié)束語

對于電磁式電壓互感器的鐵磁諧振故障，當(dāng)前所采取的主要應(yīng)對措施雖然有一定的消諧效果，但是均在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出或多或少的問題。在面對日趨復(fù)雜的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時，現(xiàn)有方法所呈現(xiàn)出的效果并不樂觀。雖然學(xué)者研究了基于電力電子器件的柔性抑制方法，并在仿真環(huán)境下取得了良好的諧振抑制效果，它也能更好地適應(yīng)復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同時也表現(xiàn)出逐漸取代傳統(tǒng)消諧措施成為主要的諧振應(yīng)對手段的趨勢，但是，柔性抑制所依賴的鐵磁諧振故障的診斷方法還存在特征量獲取困難和對故障的判別具有一定延遲等問題，仍然有待進(jìn)一步研究。

此外，對于多點(diǎn)接地、回路斷線和接線錯誤的研究較少，大多只是在一些事故案例分析之中有所涉及，所提應(yīng)對措施也多是從加強(qiáng)管理制度、提高人員素質(zhì)的角度出發(fā)，幾乎沒有進(jìn)一步的強(qiáng)化措施。因此，未來的研究方向應(yīng)當(dāng)聚焦于如何挖掘此類故障的故障特征，并結(jié)合目前智能化的電力數(shù)據(jù)檢測手段，從復(fù)雜的電力系統(tǒng)參數(shù)中分離出相應(yīng)的故障變量，以達(dá)到對故障準(zhǔn)確識別的目標(biāo)，并進(jìn)一步實現(xiàn)故障的精確定位。

鑒于目前應(yīng)對電磁式電壓互感器故障的相應(yīng)措施仍存在無法實現(xiàn)故障的精確診斷的不足，后續(xù)的研究可致力于彌補(bǔ)此方面的缺陷，進(jìn)一步分析電壓互感器的故障特點(diǎn)，找出能夠準(zhǔn)確判別故障情況的特征量。此外，隨著電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄、存儲等技術(shù)的不斷完善，如何利用大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)從海量的電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)中挖掘故障相關(guān)特征，實現(xiàn)電壓互感器的故障辨識、預(yù)測，以提升互感器故障的防治效率也是一個值得深入研究的問題。