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10kV電壓互感器燒毀事故分析及防范措施
摘要：承德供電興隆分公司發(fā)生過兩起10kV三相五柱電壓互感器燒毀事故，從事故分析出發(fā)，分析了該事故發(fā)生的原因，其主要原因鐵磁諧振過電壓。由此事故分析及理論分析和實驗，對避免類似事故的發(fā)生提出了防范的措施及注意事項。
關鍵詞：電壓互感器 事故分析 防范措施
1 現(xiàn)場情況
興隆供電分公司所屬兩座35kV綜合自動化變電站，中性點不接地方式運行，采用的是電磁式三相五柱式電壓互感器，型號為JSZW-10，兩站自運行起分別在一年內發(fā)生電壓互感器燒毀事故，根據(jù)事故調查分析，均是由鐵磁諧振過電壓引起。
為了使監(jiān)視中性點不接地的電力系統(tǒng)發(fā)生接地時得到報警信號，通常是把三線圈電壓互感器的一次側接成星形，中性點接地；二次側也是星形，中性點也接地；三次側是輔助線圈，接成開口三角形。接線圖如下：
這樣的系統(tǒng)中性點是不穩(wěn)定的。雖然它能夠給出真正的接地故障信號，但系統(tǒng)的對地容抗和互感器飽和時的勵磁電抗達到一定的比例時，就會發(fā)生鐵磁諧振，產生的過電壓也會發(fā)生故障信號，同時由于該型號電壓互感器的伏安特性較差，發(fā)生鐵磁諧振時，電壓互感器的三相電流將達到勵磁電流的數(shù)十倍甚至一百倍，此時極易造成電壓互感器線圈過熱燒毀事故。
2 原因分析
2.1 電壓互感器伏安特性的影響。H·A·Peterson曾對兩種典型伏安特性的鐵芯電感進行模擬試驗。[2]
鐵芯電感的伏安特性愈好，即鐵芯飽和得愈慢，諧振區(qū)愈向右移，也即諧振所需要的阻抗參數(shù)XC0/XL愈大；反之，愈向左移，即諧振所需XC0/XL愈小。還可以看出，諧振區(qū)域與阻抗比XC0/XL有直接關系，對于1/2分頻諧振區(qū)，阻抗XC0/XL約為0.01~0.08;基波諧振區(qū)，XC0/XL約為0.08~0.8;高頻諧振區(qū)， XC0/XL約為0.6~3.0.當改變電網(wǎng)零序電容時，XC0/XL 隨之改變，回路中可能出現(xiàn)由一種諧振狀態(tài)轉變?yōu)榱硪环N諧振狀態(tài)。如果零序電容過大或過小，就可以脫離諧振區(qū)域，諧振就不會發(fā)生�？紤]到電力系統(tǒng)中運行著的電壓互感器及系統(tǒng)的具體情況總與模擬情況有差異，因此，H·A·Peterson的模擬試驗結果，僅用來定性估計系統(tǒng)阻抗參數(shù)的匹配情況，而對于不同型號、不同出廠日期、不同廠家制造的電壓互感器，其諧振區(qū)域應根據(jù)實際試驗加以確定。
在現(xiàn)場，一般可以測量出電網(wǎng)的對地電容電流，進而計算出對地電容，由XC0/XL估算該電網(wǎng)是否處于諧振區(qū)。若在諧振區(qū)，再進一步判定可能是哪一種諧振。電網(wǎng)的電容電流也可用下列經驗公式計算 Ic=3Ux×103/Xco
式中Ic-電容電流，A；
Ux-電網(wǎng)運行相電壓，kV；
Xco-線路對地容抗，Ω。
可知，當X0/Xm＜0.01時，不發(fā)生諧振；隨著（X0/Xm）的增大，依次發(fā)生1/2分頻、基頻、三倍頻諧振，相應地，發(fā)生諧振所需的外加電壓也逐漸增大。由于運行中的一般都是額定相電壓（0.58Ur，Ur為額定線電壓），因此1/2分頻時較多發(fā)生基波諧振，高次諧波的諧振較少。分頻諧振的頻率并非嚴格等于1/2次，分頻諧振時，鐵心高度飽和，勵磁電流劇增數(shù)十甚至一百倍，導致電壓互感器燒毀或保護用熔斷器熔斷。
2.2 電壓互感器結構的影響。H·A·Peterson模擬試驗采用的三臺單相小容量變壓器，相當于三臺單相電壓互感器，而現(xiàn)場運行著的電壓互感器，既有三臺單相電壓互感器組，也有三相五柱電壓互感器，它們在諧振激發(fā)上是不同的。試驗研究表明，單相電壓互感器組的起振電壓較三相五柱電壓互感器的低，也就是說，單相電壓互感器組容易激發(fā)諧振。這主要是由于兩者碰路結構的差異，造成零序阻抗不同所致。
三芯五柱互感器和單相互感器組的磁路。單相互感器組零序磁通的磁路和正序磁通的磁路一樣，每相都有自己的閉合回路，因而零序阻抗等于正序阻抗。對三芯五柱電壓互感器，由于零序磁通經過兩個邊往返回，所以其磁路長，而且鐵芯截面小，因而其零序磁通磁阻較單相互感器組要大得多。由上所述，諧振是由于零序磁通造成的，三芯五柱互感器零序磁通遇到的磁阻大，諧振就不容易產生。
由于磁路的差異，計算和測量這兩類電壓互感器零序阻抗時所用的電壓是不同的。由于電網(wǎng)發(fā)生諧振時，作用在電壓互感器上的電壓是正序電壓與零序諧振電壓的疊加，對于三芯五柱互感器，零序電壓接近于相電壓，正序電壓對零序電壓阻抗影響不大，所以及取相電壓下的相應感抗值。
3 防范措施
綜合以上H·A·Peterson對鐵磁諧振的分析，防止鐵磁諧振的措施，就是把諧振區(qū)域的范圍盡可能縮小，或者設法躲開諧振區(qū)，可以從以下幾方面進行：
發(fā)生鐵磁諧振時，由繼電保護將開口三角暫時短接。這時，可能在不穩(wěn)定區(qū)域內某一部分得到穩(wěn)定，但在諧振過后，應立即將短接的開口三角打開，避免系統(tǒng)單相接地時沒有信號。
測出配電系統(tǒng)對地零序容抗Xco和電壓互感器的勵磁電抗Xm，如果兩者相等，則在配電系統(tǒng)接入一組星形中性點接地的小容量的電容器，或者在變電所受電前，在二次側的母線上，投入一條饋電線，使系統(tǒng)對地容抗與互感器電抗比值，遠離不穩(wěn)定區(qū)域。
降低電壓互感器的運行電壓，在10kV配電系統(tǒng)中，使互感器的運行電壓從10kV降到5.8kV，不穩(wěn)定區(qū)域將大大減小，分頻區(qū)域將縮小一半，基頻區(qū)域只有很小的一部分，且不存在三次諧波的不穩(wěn)定區(qū)域。這個措施的缺點是，電壓互感器沒有連接電壓表的出線了。
在電壓互感器線圈固有的電阻基礎上，增加外接直流電阻，以縮小鐵磁諧振的范圍，接入電阻時應了解電阻的容量。因為電壓互感器產生鐵磁諧振的條件和互感器特性曲線的飽和點有關，為了使電壓互感器因電壓升高而不進入飽和狀態(tài)，選擇電阻的容量最好等于電壓互感器的容量。接入電阻法的方法有：①在電壓互感器的一次側中性點經過渡電阻接地，這種措施除了能限制電壓互感器中的電流，特別是限制斷續(xù)弧光接地時流過電壓互感器的高幅值電流外，亦能減少每相電壓互感器上的電壓（相當于改善電壓互感器的伏安特性），電阻器的額定功率須較大，一般采用額定功率相當大的非線性電阻器與線性電阻器串聯(lián)。非線性電阻器在低電壓下電阻較大，還能阻止諧振發(fā)展，對于系統(tǒng)三相電容嚴重不對稱或電壓互感器一次非全相熔斷器燒斷等異常情況均可有效消諧。一般情況下，取電阻數(shù)值≤0.15Xm歐②在電壓互感器開口三角并接電阻R△，R△相當于接到電源變壓器的中性點上，故其電阻R△越小，越能抑制諧振的發(fā)生。若R△＝0，即將開口三角兩端短接，相當于電網(wǎng)中性點直接接地，諧振就不會發(fā)生，一般情況下按照R0.45Xm/K13*K13（K13為電壓互感器一次側與開口三角的電壓比）選取。[1]
我們通過理論分析和比較，將現(xiàn)在運行的電壓互感器全部在開口三角并接50～60歐姆500瓦可調電阻，運行至今，沒有再次發(fā)生任何燒毀電壓互感器燒毀事故，取得良好的效果。
參考文獻：
[1]周和平.中性點絕緣系統(tǒng)消除電壓互感器鐵磁諧振的措施，中國電力.1993.
[2]Peterson H·A Transients in Power Systems.1951
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