張斌衛(wèi)，曹喜生

（1.天水長(zhǎng)開互感器制造有限公司，甘肅天水741018；2.大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741020）

1 引言

在電力系統(tǒng)中，電壓互感器作為一種儀用變壓器，是一、二次系統(tǒng)的重要聯(lián)絡(luò)元件，它能正確地反映電氣設(shè)備的正常運(yùn)行和故障情況，目前在我國(guó)35kV及以下的電力分配網(wǎng)絡(luò)中，由于廣泛采用中性點(diǎn)非有效接地方法，過電壓現(xiàn)象出現(xiàn)的概率比較大，而過電壓所造成的電力設(shè)備的絕緣故障，其中電壓互感器保險(xiǎn)絲及熔斷管燒毀和互感器爆炸事故是常見的35kV及以下電網(wǎng)中的電力設(shè)備事故。因此，對(duì)于此類問題的研究對(duì)電力設(shè)備的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。本文對(duì)電壓互感器在運(yùn)行中的常見故障、成因、機(jī)理進(jìn)行分析研究并提出可行性解決方案。

2 電壓互感器概述

2.1 電壓互感器的分類：

（1）按安裝地點(diǎn)可分為戶內(nèi)式和戶外式。35kV及以下多制成戶內(nèi)式；35kV以上則制成戶外式。

（2）按相數(shù)可分為單相和三相式，35kV及以上不能制成三相式。

（3）按繞組數(shù)目可分為雙繞組和三繞組電壓互感器，三繞組電壓互感器除一次側(cè)和基本二次側(cè)外，還有一組輔助二次側(cè)，供接地保護(hù)用。

（4）按絕緣方式可分為干式、澆注式、油浸式和充氣式，干式浸絕緣膠電壓互感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)著火和爆炸危險(xiǎn)，但絕緣強(qiáng)度較低，只適用于6kV以下的戶內(nèi)式裝置；澆注式電壓互感器結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便，適用于3kV-35kV戶內(nèi)式配電裝置；油浸式電壓互感器絕緣性能較好，可用于10kV以上的戶外式配電裝置；充氣式電壓互感器用于SF6全封閉電器中。

（5）此外，還有電容式電壓互感器。電容式電壓互感器實(shí)際上是一個(gè)單相電容分壓管，由若干個(gè)相同的電容器串聯(lián)組成，接在高壓相線與地面之間，它廣泛用于110kV，330kV的中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)中。

2.2 電壓互感器的工作原理：

電磁式電壓互感器其工作原理與變壓器相同，都是通過電磁感應(yīng)原理工作的，電壓互感器和變壓器一樣均有初級(jí)線圈（一次線圈）和次級(jí)線圈（二次線圈）及鐵心組成，一次和二次線圈之間使用各種絕緣材料進(jìn)行絕緣。電壓互感器的基本工作原理圖如下圖1所示：

圖1 電壓互感器基本工作原理圖

其等值電路與變壓器的等值電路也相同，基本結(jié)構(gòu)也是由鐵心和一、二繞組組成。特點(diǎn)是容量很小且比較恒定，正常運(yùn)行時(shí)電壓互感器本身的阻抗很小，因此時(shí)接近于空載狀態(tài)。由于一旦二次繞組發(fā)生短路，電流將急劇增長(zhǎng)而燒毀線圈。為此，電壓互感器的一次繞組接有熔斷器，二次繞組可靠接地，以免一、二次繞組絕緣損毀時(shí)，二次側(cè)出現(xiàn)對(duì)地高電位而造成人身和設(shè)備事故。對(duì)于測(cè)量用電壓互感器一般都做成單相雙線圈結(jié)構(gòu)，其一次繞組電壓為被測(cè)電壓（如電力系統(tǒng)的線電壓），可以單相使用，也可以用兩臺(tái)接成V-V形（不接地型電壓互感器）或三臺(tái)接成“Y”形（接地型電壓互感器）作三相使用。具體接線圖如下圖2、圖3、圖4所示：

圖2 一臺(tái)互感器用于單相線路的接線圖

圖3 兩臺(tái)互感器用于三相線路的接線圖

圖4 三臺(tái)互感器接成Y/Y/Δ-12-11型的三相線路的接線圖

實(shí)驗(yàn)室用的電壓互感器往往是一次繞組為多抽頭的，以適應(yīng)測(cè)量不同電壓的需要。供保護(hù)接地用電壓互感器還帶有一個(gè)第三線圈，稱三線圈電壓互感器。三相的第三線圈接成開口三角形，開口三角形的兩引出端與接地保護(hù)繼電器的電壓線圈聯(lián)接。正常運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)的三相電壓對(duì)稱，第三線圈上的三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和為零。一旦發(fā)生單相接地時(shí)，中性點(diǎn)出現(xiàn)位移，開口三角的端子間就會(huì)出現(xiàn)零序電壓使繼電器動(dòng)作，從而對(duì)電力系統(tǒng)起保護(hù)作用。線圈出現(xiàn)零序電壓則相應(yīng)的鐵心中就會(huì)出現(xiàn)零序磁通。為此，這種三相電壓互感器采用旁軛式鐵心（10kV及以下時(shí)）或采用三臺(tái)單相電壓互感器。對(duì)于這種互感器，第三線圈的準(zhǔn)確度要求不高，但要求有一定的過勵(lì)磁特性（即當(dāng)一次繞組電壓增加時(shí)，鐵心中的磁通密度也增加相應(yīng)倍數(shù)而不會(huì)損壞）。此類互感器容量較小但比較恒定，正常運(yùn)行時(shí)接近空載狀態(tài)，但是因?yàn)殡妷夯ジ衅鞅旧淼淖杩购苄?，所以一旦發(fā)生短路電流就會(huì)急劇增加，從而導(dǎo)致互感器內(nèi)部發(fā)熱嚴(yán)重最終燒毀線圈。所以在選擇安裝地點(diǎn)時(shí)副邊繞組連同鐵心必須可靠接地，絕對(duì)不允許短路情況的發(fā)生。

一般情況下，35kV及以下電壓互感器鐵芯磁通密度選擇：正常運(yùn)行時(shí)取7000—8000高斯，系統(tǒng)單相接地，未接地相電壓達(dá)到1.9倍額定電壓時(shí)，鐵芯磁通密度在14000—16000高斯，還達(dá)不到鐵芯飽和程度，因此電壓互感器在系統(tǒng)接地時(shí)不致過載運(yùn)行。在運(yùn)行中曾出現(xiàn)過燒電壓互感器的事故，經(jīng)試驗(yàn)分析，有些廠出產(chǎn)的電壓互感器，在加上額定線電壓時(shí)（即相當(dāng)于系統(tǒng)接地時(shí)的情況），鐵芯已嚴(yán)重飽和，有載損耗增大很多，這是燒毀電壓互感器的主要原因。

3 常見的電壓互感器故障及處理方法

3.1 電壓互感器二次熔絲熔斷

當(dāng)互感器二次熔絲熔斷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)下列現(xiàn)象：有預(yù)告音響；“電壓回路斷線”光字牌會(huì)亮；電壓表、有功和無(wú)功功率表的指示值會(huì)降低或到零；故障相的絕緣監(jiān)視表計(jì)的電壓會(huì)降低或到零；“備用電源消失”光字牌會(huì)亮；在變壓器、發(fā)電機(jī)嚴(yán)重過流時(shí)，互感器熔絲熔斷，低壓過流保護(hù)可能誤動(dòng)。

處理方法：首先根據(jù)現(xiàn)象判斷是什么設(shè)備的互感器發(fā)生故障，退出可能誤動(dòng)的保護(hù)裝置。如低電壓保護(hù)、備用電源自投裝置、發(fā)電機(jī)強(qiáng)行勵(lì)磁裝置、低壓過流保護(hù)等。然后判斷是互感器二次熔絲的哪一相熔斷，在互感器二次熔絲上下端，用萬(wàn)用表分別測(cè)量?jī)上嘀g二次電壓是否都為100V。如果上端是100V，下端沒有100V，則是二次熔絲熔斷，通過對(duì)兩相之間上下端交叉測(cè)量判斷是哪一相熔絲熔斷，進(jìn)行更換。如果測(cè)量熔絲上端電壓沒有100V，有可能是互感器隔離開關(guān)輔助接點(diǎn)接觸不良或一次熔絲熔斷，通過對(duì)互感器隔離開關(guān)輔助接點(diǎn)兩相之間，上下端交叉測(cè)量判斷是互感器隔離開關(guān)輔助接點(diǎn)接觸不良還是互感器一次熔絲熔斷。如果是互感器隔離開關(guān)輔助接點(diǎn)接觸不良，進(jìn)行調(diào)整處理。如果是互感器一次熔絲熔斷，則拉開互感器隔離開關(guān)進(jìn)行更換。

3.2 電壓互感器一次熔斷器熔斷

故障現(xiàn)象與二次熔絲熔斷一樣，但有可能發(fā)“接地”光字牌。因?yàn)榛ジ衅饕幌嘁淮稳蹟嗥魅蹟鄷r(shí)，在開口三角處電壓有33V，而開口三角處電壓整定值為30 V，所以會(huì)發(fā)“接地”光字處理方法，與二次熔絲熔斷一樣。要注意互感器一次熔斷器座在裝上高壓熔斷器后，彈片是否有松動(dòng)現(xiàn)象。

3.3 電壓互感器擊穿熔斷器熔斷

凡采用B相接地的互感器二次側(cè)中性點(diǎn)都有一個(gè)擊穿互感器的擊穿熔斷器，熔斷器的主要作用是：在B相二次熔絲熔斷的時(shí)候，即使高壓竄入低壓，仍能使擊穿熔絲熔斷而使互感器二次有保護(hù)接地，保護(hù)人身和設(shè)備的安全，其擊穿熔斷器電壓約500V。故障現(xiàn)象與互感器二次熔絲熔斷一樣，此時(shí)更換B相二次熔絲，一換上好的熔絲就會(huì)熔斷。不要盲目將熔絲容量加大，要查清原因，是否互感器擊穿熔絲已熔斷。只有將擊穿熔絲更換了，B相二次熔絲才能夠換上?；ジ衅饕?、二次熔斷器熔斷及擊穿熔斷器熔斷在現(xiàn)象上基本一致，查找時(shí)一般是先查二次熔斷器及輔助接點(diǎn)，再查一次熔斷器，最后查擊穿熔斷器、互感器內(nèi)部是否故障。如果發(fā)電機(jī)在開機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)互感器一次熔斷器經(jīng)常熔斷又找不出原因，則有可能是由互感器鐵磁諧振引起。

3.4 電壓互感器冒煙損壞

電壓互感器冒煙損壞本體會(huì)冒煙，并有較濃的臭味；絕緣監(jiān)視表計(jì)的電壓有可能會(huì)降低，電壓表，有功、無(wú)功功率表的指示也有可能降低，發(fā)電機(jī)互感器冒煙，可能有“定子接地”光字牌亮，母線互感器冒煙，可能有“電壓回路斷線”，“備用電源消失”等光字牌亮。

處理方法：如果在互感器冒煙前一次熔斷器從未熔斷，而二次熔斷器多次熔斷，且冒煙不嚴(yán)重?zé)o一次絕緣損傷象征，在冒煙時(shí)一次熔斷器也未熔斷，則應(yīng)判斷為互感器二次繞組間短路引起冒煙，在二次繞組冒煙而沒有影響到一次絕緣損壞之前，立即退出有關(guān)保護(hù)、自動(dòng)裝置，取下二次熔斷器，拉開一次隔離開關(guān)，停用互感器。 對(duì)充油式互感器，如果在冒煙時(shí)，又伴隨著較濃臭味，互感器內(nèi)部有不正常的噪聲；繞組與外殼或引線與外殼之間有火花放電；冒煙前一次熔斷器熔斷2～3次等現(xiàn)象之一時(shí)，應(yīng)判斷為一次側(cè)絕緣損傷而冒煙。如是發(fā)電機(jī)互感器冒煙，則應(yīng)立即用解列發(fā)電機(jī)的方法，如是母線互感器則用停母線的方法停用互感器。此時(shí)，決不能用拉開隔離開關(guān)的方法停用互感器。

3.5 單相接地故障

現(xiàn)象：故障相電壓降低或?yàn)榱悖渌麅上嘞嚯妷荷呋蛏仙骄€電壓。接地相的判別方法為：

（1）如果一相電壓指示到零，另兩相為線電壓，則為零的相即為接地相。

（2）如果一相電壓指示較低，另兩相較高，則較低的相即為接地相。

（3）如果一相電壓接近線電壓，另兩相電壓相等且這兩相電壓較低時(shí)，判別原則是“電壓高，下相糟”，即按A、B、C相序，哪一相電壓高，則其下相可能接地。適用于系統(tǒng)接地但未斷線的故障，記下故障象征就可以避免檢修人員盲目查線。

3.6 鐵磁諧振

鐵磁諧振就是由于鐵心飽和而引起的一種躍變過程，系統(tǒng)中發(fā)生的鐵磁諧振分為并聯(lián)鐵磁諧振和串聯(lián)鐵磁諧振。激發(fā)諧振的情況有：電源對(duì)只帶互感器的空母線突然合閘，單相接地；合閘時(shí)，開關(guān)三相不同期。所以諧振的產(chǎn)生是在進(jìn)行操作或系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)出現(xiàn)。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，互感器的非線性電感往往與該系統(tǒng)的對(duì)地電容構(gòu)成鐵磁諧振，使系統(tǒng)中性點(diǎn)位移產(chǎn)生零序電壓，從而使接互感器的一相對(duì)地產(chǎn)生過電壓，這時(shí)發(fā)出接地信號(hào)，很容易將這種虛幻接地誤判別為單相接地。在合空母線或切除部分線路或單相接地故障消失時(shí)，也有可能激發(fā)鐵磁諧振。此時(shí)，中性點(diǎn)電壓（零序電壓）可能是基波（50Hz）、也可能是分頻（25Hz）或高頻（100～150Hz）。經(jīng)常發(fā)生的是基波諧振和分頻諧振。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)電源向只帶互感器的空母線突然合閘時(shí)易產(chǎn)生基波諧振；當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，兩相電壓瞬時(shí)升高，三相鐵心受到不同的激勵(lì)而呈現(xiàn)不同程度的飽和，易產(chǎn)生分頻諧振。

圖5是一個(gè)單相電感電容串聯(lián)電路。在電路中，如果電感和電容的參數(shù)不匹配，不會(huì)產(chǎn)生串聯(lián)諧振電路，將不會(huì)出現(xiàn)在過電流。但電感的參數(shù)是非線性的，當(dāng)流經(jīng)電感器的電流過大，電感的鐵心逐漸飽和，其伏安特性如圖6所示。

圖5 單相電感電容串聯(lián)電路

圖6 鐵磁諧振伏安特性曲線

圖中UL（i）為電感伏安特性曲線。電感一般工作在伏安特性曲線啟動(dòng)時(shí)的直線部分，當(dāng)碰到電壓過電流的時(shí)候，運(yùn)行點(diǎn)將沿曲線上升到非線性部分。當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)上升到電感和電容的伏安特性曲線的伏安特性曲線的交點(diǎn)，將導(dǎo)致一個(gè)串聯(lián)諧振。圖3電路的串聯(lián)諧振電感和電容的組合是等效的電線，電路中的電流在理論上為無(wú)限大，這是簡(jiǎn)單意義上的鐵磁共振。

在中壓電網(wǎng)中，電壓互感器直接安裝在母線上。因呈容性的電路會(huì)與互感器電感組成零序回路，系統(tǒng)等值圖如圖7所示。

電力系統(tǒng)運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電壓互感器電感和線路的電容匹配，在一定條件下（如空載母線封閉、瞬時(shí)短路故障消失，這些條件可能會(huì)導(dǎo)致互感器鐵心飽和），會(huì)產(chǎn)生不同頻率的鐵磁共振。由于電壓互感器是三相電器，所以它引起鐵磁共振是一個(gè)三相鐵磁諧振。

圖7 三相等效電路

電力系統(tǒng)運(yùn)行和物理仿真結(jié)果表明，當(dāng)供電給負(fù)載總線切換時(shí)合閘最容易出現(xiàn)，倍頻諧波共振；有時(shí)當(dāng)變電站出線是很短的時(shí)候，也可能發(fā)生諧波共振。電壓下降所造成的負(fù)荷電流很小，甚至沒有，所以電壓往往較高，其主要危害是高過多，往往造成的主要設(shè)備絕緣擊穿或爆炸，后果很嚴(yán)重。3倍頻共振主要用于三相電壓的增加。

基本共振的通常形式是2相電壓上升，1相電壓降低。由于基本共振頻率與工頻電壓是相同的，容易獲得能量的電源，所以基本共振能產(chǎn)生大電流，有時(shí)很強(qiáng)，比較容易造成互感器爆炸。分頻共振表現(xiàn)為2相電壓的增加，其主要危害也產(chǎn)生電流。分頻諧振所造成的過電流沒有基本共振電流大，但也往往超過熱穩(wěn)定性的電壓互感器允許電流值，長(zhǎng)期的分頻共振效應(yīng)也可能燒毀互感器。

互感器在空載狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，在電力系統(tǒng)中，特別是在35kV及以下非接地系統(tǒng)中存在著大量的儲(chǔ)能元件，很容易發(fā)生鐵磁諧振的情況。由于鐵心的飽和和引起電感量的變化，當(dāng)鐵心的感抗XL與線路對(duì)地容抗XC接近或相等時(shí)，就會(huì)引發(fā)并聯(lián)鐵磁諧振。造成鐵磁諧振的首要條件是電路中非線性電感元件，其中電路參數(shù)的突變，如單母線接地，負(fù)載的突然變化或短路以及供電變壓器的三次諧波等。一般發(fā)生這種情況時(shí)會(huì)導(dǎo)致互感器內(nèi)部繞組過熱，從而引發(fā)互感器燒毀或爆炸。

從技術(shù)上考慮，為了消除鐵磁諧振，可以采取以下措施：選擇勵(lì)磁特性好的電壓互感器或改用電容式電壓互感器；在同一個(gè)10kV配電系統(tǒng)中，應(yīng)盡量減少電壓互感器的臺(tái)數(shù)；在三相電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)串接單相電壓互感器或在電壓互感器二次開口三角處接入阻尼電阻；在母線上接入一定大小的電容器，使容抗與感抗的比值增大，避免諧振；系統(tǒng)中性點(diǎn)裝設(shè)消弧線圈；采用自動(dòng)調(diào)諧原理的接地補(bǔ)償裝置，通過過補(bǔ)、全補(bǔ)和欠補(bǔ)的運(yùn)行方式，來(lái)較好地解決此類問題。自動(dòng)調(diào)諧接地補(bǔ)償裝置能夠?qū)崿F(xiàn)全補(bǔ)償運(yùn)行或很小的脫諧度，主要是由于在消弧線圈的一次回路中串入了大功率的阻尼電阻，降低中性點(diǎn)諧振過電壓的幅值使之達(dá)到相電壓的5%-10%。可在消弧線圈的一次回路中串入大功率的阻尼電阻，增大阻尼率的措施來(lái)達(dá)到。消弧線圈的脫諧率與電壓及電網(wǎng)的阻尼率有關(guān)，當(dāng)電網(wǎng)形成后其不對(duì)稱電壓基本是個(gè)固定值，消弧線圈為保證在單相接地時(shí)有效地抑制弧光過電壓的產(chǎn)生，要求脫諧率達(dá)到5%以內(nèi)，那么只有改變阻尼率，才能改變位移電壓，因此應(yīng)當(dāng)在消弧線圈回路串入電阻，保證阻尼率，控制中性點(diǎn)位移電壓。在低壓電網(wǎng)中由于中性點(diǎn)不對(duì)稱電壓很小，為提高測(cè)量精度采用特制的中性點(diǎn)專用互感器，提高檢測(cè)靈敏度；非線性電阻的采用對(duì)欠補(bǔ)償下的斷線過電壓和傳遞過電壓都有明顯的抑制作用。

4 電壓互感器故障案例及分析

案例一：2014年7月，某供電公司110 kV變電站發(fā)生10kV母線電壓互感器一次側(cè)三相熔絲因雷擊諧振熔斷的故障，10kV系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。事后檢查，發(fā)現(xiàn)中性點(diǎn)所接消諧電阻正常，中性點(diǎn)絕緣正常，勵(lì)磁特性在正常范圍，二次回路絕緣正常，更換高壓熔絲后，電壓互感器又恢復(fù)正常運(yùn)行。雷擊時(shí)工頻和高頻鐵磁諧振過電壓的幅值一般較高，可達(dá)額定值的3倍以上，起始暫態(tài)過程中的電壓幅值可能更高，危及電氣設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)。工頻諧振過電壓可導(dǎo)致三相對(duì)地電壓同時(shí)升高，或引起＂虛幻接地＂現(xiàn)象。分頻鐵磁諧振可導(dǎo)致相電壓低頻擺動(dòng)，勵(lì)磁感抗成倍下降，過電壓并不高，一般在2倍額定值以下，但感抗下降會(huì)使勵(lì)磁回路嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流急劇加大，電流大大超過額定值，導(dǎo)致鐵心劇烈振動(dòng)，使電壓互感器一次側(cè)熔絲過熱燒毀。

可見，一次內(nèi)部絕緣對(duì)于高電壓等級(jí)的電壓互感器十分重要。建議制造廠改變?cè)O(shè)計(jì)，加強(qiáng)最下節(jié)瓷套和油箱電磁單元電氣連接部分的絕緣強(qiáng)度，嚴(yán)格設(shè)計(jì)工藝，保持各連接線對(duì)地及器件之間的距離，必要時(shí)由裸導(dǎo)線更換為絕緣導(dǎo)線（或進(jìn)行絕緣包扎），嚴(yán)格出廠試驗(yàn)和外協(xié)器件的質(zhì)量把關(guān)，確實(shí)有效地防止類似故障的發(fā)生。

由以上案例可以看出，我國(guó)35kV及以下系統(tǒng)是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，在不投入消弧線圈的運(yùn)行方式下，易發(fā)生由于單相接地造成的系統(tǒng)過電壓，尤其是弧光接地過電壓。這樣就會(huì)出現(xiàn)兩相電壓升高、一相電壓降低的現(xiàn)象。而互感器內(nèi)部采用速飽和特性鐵心，在此電壓作用下出現(xiàn)飽和，產(chǎn)生1/3次諧波，導(dǎo)致自身諧振。頻繁的接地會(huì)使阻尼電阻長(zhǎng)期消諧而最終發(fā)熱燒斷。失去阻尼后，再出現(xiàn)過電壓，避雷器就會(huì)動(dòng)作，并很快擊穿而失效。此時(shí)一次電流迅速增大，而且幅值很高，產(chǎn)生大量熱量。累積效應(yīng)使絕緣材料的溫度不斷增加，最終熱擊穿。

5 結(jié)束語(yǔ)

電壓互感器是發(fā)電廠、變電站等輸配電系統(tǒng)中不可缺少的電器元件，它是一次與二次電氣回路之間連接的重要設(shè)備，在電力系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。而隨著電力系統(tǒng)復(fù)雜程度的不斷增加，電壓互感器在運(yùn)行時(shí)所發(fā)生的故障及異常也層出不窮。本文對(duì)35kV及以下電壓互感器在運(yùn)行中常發(fā)生的故障及異常進(jìn)行了總結(jié)和分析研究，希望能對(duì)日后電力系統(tǒng)的維護(hù)與建設(shè)起到一定的幫助作用。