一起35kV電壓互感器爆裂事故分析

田理想　常龍新　杜景軍　張斌　彭鵬　劉秀峰　李杰

摘要：文章通過(guò)一起35kV電壓互感器異常炸裂事故的案例，分析了電力系統(tǒng)諧振現(xiàn)象及其特點(diǎn)以及諧振對(duì)于供電系統(tǒng)的危害，并根據(jù)實(shí)際案例總結(jié)了有效的防范措施。

關(guān)鍵詞：擊穿鐵磁；諧振短路；接地力；系統(tǒng)過(guò)電壓

中圖分類號(hào)：TM451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）23-0142-02

1 案例分析

1.1 故障發(fā)生前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

故障發(fā)生前，35kV變電站為高壓側(cè)35kV單母分段運(yùn)行、低壓側(cè)10kV單母分段運(yùn)行，各為兩段。35kV I母接：311 I段進(jìn)線、4-9 I段PT、301 I段出線；35kV II母接：321 II段進(jìn)線、5-9I I段PT、302I I段出線，電壓及負(fù)荷均正常。

1.2 事故經(jīng)過(guò)

2012年12月14日0點(diǎn)14分，監(jiān)控語(yǔ)音報(bào)警此變電站“35kV母線I段接地”，同時(shí)監(jiān)控屏顯示35kV母線I段電壓值為：

0點(diǎn)25分，35kV I段母線B相變?yōu)槿拥?，母線電壓

值為：

與此同時(shí)，311 I段進(jìn)線“開(kāi)關(guān)分閘”、“311開(kāi)關(guān)電流2段”動(dòng)作、“311站用保護(hù)測(cè)控裝置告警”、“311開(kāi)關(guān)過(guò)負(fù)荷告警”，同時(shí)4-9 I段PT保護(hù)測(cè)控裝置發(fā)出“PT斷線”信號(hào)。事故處理過(guò)程中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)4-9 I段PTB相電壓互感器炸裂，A、C兩相電壓互感器完好。

1.3 事故分析

本案列中，35kVPT接線為Y0/Y0/△接線，原理如

下圖1所示：

圖1

該變電站所負(fù)責(zé)的用電設(shè)備主要為10kV級(jí)大型卷?yè)P(yáng)機(jī)設(shè)備，由于多臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)設(shè)備頻繁不定時(shí)啟動(dòng)，造成負(fù)荷不穩(wěn)定，無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)投切裝置所控制的電容容量也不斷來(lái)回切換，系統(tǒng)因直接突然投入和斷開(kāi)并聯(lián)電容而引起諧振。由于系統(tǒng)出現(xiàn)諧振，4-9 I段PT C相電壓互感器出現(xiàn)瞬間閃絡(luò)，導(dǎo)致35kV母線I段C相瞬間出現(xiàn)接地，又使35kV母線I段B相產(chǎn)生事故短路過(guò)電壓，以至于擊穿B相絕緣，導(dǎo)致B相電壓互感器炸裂。具體原因如下：

該電壓互感器材料質(zhì)量差，在送電前交接試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)項(xiàng)目雖然合格，但在長(zhǎng)期運(yùn)行狀況時(shí)，其絕緣材料逐漸老化，當(dāng)有沖擊電壓發(fā)生時(shí)，出現(xiàn)絕緣擊穿現(xiàn)場(chǎng)。

當(dāng)電壓互感器鐵芯達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，極易發(fā)生諧振，產(chǎn)生2～3.5倍額定電壓的過(guò)電壓和幾十倍額定電流的過(guò)電流，從而引起電壓互感器的炸裂、燒毀。

電壓互感器高壓繞組中性點(diǎn)直接接地，當(dāng)電壓互感器飽和引起鐵磁諧振時(shí)無(wú)法消除。

電壓互感器低壓繞組開(kāi)口三角形繞組兩端直接接地，未并聯(lián)阻尼電阻或消振器，起不到消除諧振的作用。

2 鐵磁諧振

第一，在6～35kV系統(tǒng)中，系統(tǒng)回路中常常會(huì)由于類似“變壓器、電壓互感器、消弧線圈”等電感的磁路飽和激發(fā)連續(xù)性的高幅值的鐵磁諧振過(guò)電壓情況，此種現(xiàn)象的特點(diǎn)為：

（1）諧振回路中鐵心電感是非線性的，電感量的變化緊跟電流量、鐵心飽和處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）鐵磁諧振需要一定的觸發(fā)條件，迫使電壓值和電流幅值從正常轉(zhuǎn)移到諧振狀態(tài)。比如電源電壓短時(shí)升高、供電系統(tǒng)遭受強(qiáng)烈的大電流沖擊等。

（3）鐵磁諧振本身具有自保持能力。當(dāng)觸發(fā)條件消失后，鐵磁諧振過(guò)電壓可繼續(xù)存在。

（4）鐵磁諧振的過(guò)電壓按常理不會(huì)太過(guò)于超高，過(guò)電壓幅值主要決定于鐵心電感的飽和程度。

第二，鐵磁諧振可以為基波諧振，也可以是高次諧波諧振和分次諧波諧振，它的共同特征為系統(tǒng)電壓升高，出現(xiàn)絕緣閃絡(luò)或避雷器爆炸，或產(chǎn)生高值零序電壓，出現(xiàn)假接地和不正確的接地現(xiàn)象，也或者在電壓互感器中出現(xiàn)過(guò)電流，從而導(dǎo)致熔斷器熔斷或互感器燒壞，母線電壓互感器的開(kāi)口三角繞組出現(xiàn)較高電壓，致使母線絕緣監(jiān)視信號(hào)動(dòng)作。

第三，中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)鐵磁諧振產(chǎn)生的原因。中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，電壓互感器的繞組與三相電源電勢(shì)分別相連，各點(diǎn)的電位是固定的，不會(huì)出現(xiàn)中性點(diǎn)位移過(guò)電壓；如果中性點(diǎn)通過(guò)消弧線圈接地，消弧線圈的電感值對(duì)于電壓互感器的勵(lì)磁電感比較可以忽略不計(jì)，即為電壓互感器的電感被短接，這樣也不會(huì)引起過(guò)電壓。可一旦由于人員操作失誤或者正常倒閘操作過(guò)程中也會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈韧谙到y(tǒng)局部中性點(diǎn)不接地狀態(tài)臨時(shí)運(yùn)行，此種情況時(shí)，鐵磁諧振的觸發(fā)條件一般為合刀閘和斷路器分閘，在進(jìn)行此種操作時(shí)，由于系統(tǒng)受到強(qiáng)烈的沖擊，致使電感兩端出現(xiàn)短暫電壓升高、大電流的震蕩或鐵心電感的涌流現(xiàn)象，這種情況有很大概率會(huì)和斷路器的均壓電容一起形成鐵磁諧振。

3 鐵磁諧振對(duì)供電系統(tǒng)的影響

通過(guò)上述解析，我們可以知道，一旦線路發(fā)生單相接地或斷路器操作等情況時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致電壓互感器電壓升高，三相鐵芯出現(xiàn)飽和，電壓互感器的各相感抗發(fā)生變化，各相電感值不相同，中性點(diǎn)位漂移出線零序電壓。由于電流不斷增大，電壓互感器鐵芯也會(huì)磁飽和，一旦滿足ωL=1/ωC時(shí)，具備諧振條件，就會(huì)諧振過(guò)電壓。

諧振過(guò)電壓的危害如下：

（1）當(dāng)發(fā)生諧振過(guò)電壓時(shí)，電壓互感器一次勵(lì)磁電流迅速增大，從而導(dǎo)致高壓熔絲熔斷。若是電流值還沒(méi)有達(dá)到使熔絲熔斷的數(shù)值，而是超過(guò)了電壓互感器額定電流值，使電壓互感器長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)電流狀態(tài)，電壓互感器最終將會(huì)被燒損。

（2）當(dāng)鐵磁諧振出現(xiàn)后，系統(tǒng)從感性變?yōu)槿菪裕娏骰ㄏ辔话l(fā)生180°變化，如此將使逆序分量勝于正序分量，導(dǎo)致小容量的異步電動(dòng)機(jī)發(fā)生反轉(zhuǎn)。

（3）鐵磁諧振會(huì)引起高零序電壓分量和假接地等。

4 針對(duì)案列事故應(yīng)采取的防護(hù)措施

（1）選用電壓互感器時(shí)，選擇大品牌，質(zhì)量有保證的產(chǎn)品，以防類似事故再次發(fā)生。

（2）合理改善電容無(wú)功補(bǔ)償投切方式，避免頻繁投入和斷開(kāi)。

（3）采用勵(lì)磁特性好的電壓互感器，使電壓互感器在發(fā)生單相接地故障情況下鐵芯不易飽和，避免感抗的減小，因而不能構(gòu)成諧振的匹配參數(shù)，可以減少諧振發(fā)生的概率。

（4）在電壓互感器一次繞組的中性點(diǎn)上接消弧線圈，可抑制或消除因電壓互感器飽和所引起的鐵磁諧振。

（5）在二次側(cè)開(kāi)口三角繞組加阻尼電阻，也就是將電阻角接至電壓互感器中性點(diǎn)上，阻值越小，抑制諧振的發(fā)生的幾率就越大。若電阻角接后阻值為零，也就相當(dāng)于開(kāi)口三角繞組短接，即電網(wǎng)中性點(diǎn)直接接地，這樣就不會(huì)滿足發(fā)生鐵磁諧振的條件。

（6）在二次側(cè)開(kāi)口三角繞組加裝微機(jī)消諧裝置，正常工作情況下，開(kāi)口三角端電壓小于30V，而微機(jī)消諧裝置內(nèi)的大功率消諧元件處于阻斷狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)開(kāi)口電壓大于30V時(shí)，微機(jī)消諧裝置開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，從而得出故障類型。若當(dāng)前是鐵磁諧振，系統(tǒng)將馬上啟動(dòng)消諧電路，讓鐵磁諧振在阻尼作用下快速消失。

5 結(jié)語(yǔ)

在供電系統(tǒng)中，成熟穩(wěn)定的電力設(shè)備能大大提高系統(tǒng)供電的可靠性和穩(wěn)定性，配用合理的消諧裝置能很大程度上消弱供電系統(tǒng)內(nèi)的諧振過(guò)電壓。通過(guò)案列中對(duì)諧振事故的分析，利用鐵磁諧振原理，根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)諧振過(guò)電壓總結(jié)解決措施和預(yù)防方法，以便在實(shí)際工作中參考和運(yùn)用，從而提高供電的安全性和可靠性。

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