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10kV电压互感器运行故障及预防措施

发表时间：2020/10/10 来源：《基层建设》2020年第17期作者：李建龙

[导读] 摘要：在电力系统中，10kV电压互感器作为重要的一次设备发挥着重要的作用。

        大连北方互感器集团有限公司辽宁大连
        摘要：在电力系统中，10kV电压互感器作为重要的一次设备发挥着重要的作用。但由于电力系统在实际的运行中，受自然环境、外力破坏以及电力设备制造水平、维护管理等因素的影响，10kV电压互感器因铁磁谐振导致破坏成为一种普遍现象，并进一步导致电力设备运行异常被迫停电，严重影响了人们的生活。本文简要分析了电力系统中10kV电压互感器的因铁磁谐振产生的运行故障原因及预防措施。
        关键词：电压互感器、铁磁谐振、运行故障、4PT接线、故障预防
        电压互感器作为一种公用的电力设备，将高电压变换成标准的低电压，实现二次侧设备以及二次系统与一次系统高压设备在电气方面的有效隔离，从而保证了二次设备和人身的安全。无论是电压互感器本身出现故障或是其二次回路出现问题，都将严重影响电力系统的正常运行。因此，确保电压互感器以及其二次回路的稳定运行具有重要意义。
        一、10kV电压互感器因铁磁谐振产生的运行故障
        在中性点不接地电力系统中，由于线路单相接地短路、线路断线、操作空母线等原因，在运行中往往容易激发电压互感器发生铁磁谐振。当出现铁磁谐振时，将产生高于额定值几倍甚至几十倍的过电压和过电流，会导致电压互感器高压绕组烧损；同时，在电网导线对地电容较大的系统中，其暂态过程往往容易产生超低频振荡过电流，会导致高压熔断器熔断。电压互感器的运行过程中之所以会发生铁磁谐振过电压的情况，主要问题在于铁芯在某些激发条件下饱和，使其感抗变小，并与线路对地电容的容抗相等所致，它持续时间长甚至能长时间自保持，是导致高压熔丝熔断和电压互感器烧损甚至爆炸的重要原因，对电力系统的安全运行威胁极大。
        二、4PT接线方式对抑制铁磁谐振的作用
        4PT接线区别于普通的接线方式，采用主电压互感器一次绕组中性点经零序电压互感器接地的方式。其中三个单相电压互感器，应是全绝缘但按相压设计的接地电压互感器，称为主PT；接地的电压互感器为一个独立的单相电压互感器，该互感器可以是全绝缘结构，也可以是半绝缘结构，称为零序PT或消谐PT。简单的从稳态分析，在此接线方式下，如发生单相接地故障，零序电压互感器中性点对地有相电压产生，主PT仍处于正序对称电压之下，互感器电感并不发生改变，在零序回路中仅有单相电压互感器这一种磁化电感，而主PT各相绕组保持跨接在电源的相间电压上，不再与接地电容相并联，因而不会发生中性点位移，从根本上破坏了铁磁谐振的条件，也就不会发生谐振，因此，4PT接线对抑制铁磁谐振的发生是很有效的措施。
        同时，4PT接线对抑制超低频振荡电流幅值效果也很显著。当10kV系统接地故障消失后，健全相积累的电荷必须经零序电压互感器（其中性点接地）对地放电，使电压恢复到正常的电压下，这个暂态过程所产生的电流比正常电流大很多倍，可导致高压熔断器熔断，甚至是烧损电压互感器。而四PT接线方式中，因为零序电压互感器的电阻和高电抗，会使得当中性点经零序电压互感器接地后，抑制超低频振荡电流幅值，从而减少危害。
        三、10kV电压互感器运行故障的原因分析
        为有效消除配电网中性点不接地运行方式可能引起的铁磁谐振和超低频振荡电流的发生，很多供电公司采取了4PT接线方式。但是，在实际运行中，电网中的PT烧毁、PT熔断器熔断等现象仍然时有发生，综合分析，存在以下几类原因：
        1、二次接线错误。规程规定，电压互感器的二次绕组应有一点、且仅有一点永久性的、可靠地保护接地。若有两点接地，在正常运行中不会有问题，一旦发生故障时会使互感器烧毁。
        2、电压互感器本身存在质量问题。电压互感器易击穿部位主要在一次线圈的段间和层间，较少在匝间，这是因为段间和层间承受的电压比较高，绝缘比较容易击穿。
        a、浇注质量不好。一些厂家在电压互感器浇注时因环氧树脂配比有偏差、树脂流动性不好、真空度不够、湿度大、固化时间不标准等原因导致成品内部有气泡，有气泡的浇注体绝缘强度大为降低，尤其是段间有气泡非常容易引起段间击穿短路而烧坏互感器。

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        b、层间绝缘纸质量不好、一次线接头焊接不好或屏蔽层与线圈焊接不好，接头有尖角毛刺等，可能会压破绝缘纸造成层间短路而烧坏互感器；
        c、还有部分厂家为降低成本采购的小厂家漆包线质量不好，漆膜薄不均匀或漆包线太脆易断增加接头，容易出现匝间短路而烧坏互感器。
        3、4PT接线的主PT剩余绕组热容量不够。主PT二次开口角短接回路，因电容放电电流使开口角绕组热容量不够而烧坏。将主PT的二次剩余电压绕组接成闭合三角形，在稳态下三相电压对称，开口角回路无电压，一般可以将其短接，这样，闭合三角形可以消除零序磁通（包括三次谐波）导致正常运行时的三相电压不平衡和继电器回路电压超标的现象。
        4、4PT接线的零序电压互感器热容量不够。当系统出现超低频振荡过电流，零序电压互感器承受的电流很大，一般是主PT绕组的三倍，使零序电压互感器因热容量不够而烧坏。
        四、10kV电压互感器运行故障的预防措施
        针对以上电压互感器烧损的原因分析，可以在施工验收、设备厂家制造工艺、产品接线方案设计、产品性能参数选取等方面进行改进，降低电压互感器运行故障发生的概率，做好预防，主要采取以下措施：
        1、严把工程验收关。施工方严格按照规程施工，各级验收人员应严格按照电压互感器竣工验收标准，逐项检查验收二次回路、一次接线，确保电压互感器一、二次接线正确。
        2、选择运行故障率低的大品牌厂家产品，要求生产厂家做好预防措施：
        a、提高电压互感器环氧浇注质量。严格按照浇注工艺进行操作，浇注前器身真空干燥、模具浇注前预热时间温度控制、材料配料前烘干、配料比例、配料顺序、配料时间、配料温度、配料真空度等都要严格控制，保证环氧树脂浇注时的流动性和真空度，杜绝环氧浇注体内的气泡产生。
        b、适当加大一次线圈的段间距离，以提高线圈段间绝缘强度。
        c、做好线圈绕制工作，线圈排列整齐，松紧适当，接头平滑并做好绝缘。
        d、注意漆包线和层间绝缘纸的质量，严把原材料入厂质量检测关。
        3.设计时，对4PT接线方式进行改进与优化，即将主PT的二次开口角回路与零序PT的一个补偿绕组串联后接电压继电器。改进后，零序测量回路是三相PT（主PT）的开口三角与零序PT的一个测量绕组按正极性串联的，它包含了三相PT的少部分零序电压，测量要比原来精确，同时由于零序回路不是短接的，避免了因电容放电电流使开口角绕组热容量不够而烧坏的隐患。
        4.对4PT接线中的零序电压互感器区别于主PT的参数单独设计，提高零相电压互感器热极限输出容量，增大了直流电阻与交流励磁阻抗。通过改变零序电压互感器的参数设计，增大了直流电阻与交流励磁阻抗，其热容量得到增大，这样可以有效的抑制超低频振荡过电流导致的零序电压互感器烧坏，因此改进与优化后的方案除保留了原“4PT”接线方式的消除铁磁谐振和抑制超低频振荡功能外，还可以有效防止目前运行中经常出现的第3类、第4类障碍、事故的发生。
        五、结束语
        综上所述，10kV电压互感器在维持电力系统的稳定运行中具有重要的意义，因此，应高度重视10kV电压互感器运行存在的故障，并且应合理查找出相应的解决策略，做好预防措施，以便于合理解决电压互感器中存在的故障问题，确保电力系统的稳定运行，为我们的工作与生活用电保驾护航。
        参考文献：
        [1]肖耀荣，高祖绵.互感器原理与设计基础[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2003.
        [2]胡长春.10kV电压互感器运行故障原因分析及改进措施[J].中国新技术新产品，2018（24）：91-93.
        作者简介：
        李建龙（1980.02.14—），性别：男；籍贯：辽宁阜新；民族：汉；学历：大学本科；职称：中级工程师研究方向：互感器设计及应用；单位：大连北方互感器集团有限公司。