中壓電壓互感器高壓側(cè)熔斷器熔斷故障分析及解決措施

王倉(cāng)繼 王建榮 羅雪紅

摘 要：為了改善電壓互感器的運(yùn)行環(huán)境及電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高供電可靠性，盡量地減少電壓互感器一次熔絲熔斷的事件發(fā)生，文中基于區(qū)域中壓電網(wǎng)各變電站電壓互感器高壓側(cè)熔斷器熔斷故障情況，結(jié)合負(fù)荷性質(zhì)、電壓等級(jí)、消諧裝置配備情況，對(duì)互感器高壓側(cè)熔斷器熔斷故障典型機(jī)理進(jìn)行研究和分析，給出了差異化的解決措施，得出從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、在線監(jiān)測(cè)、運(yùn)行方式、設(shè)備選型等多層次考慮不同的改善與治理方法，可以減低電壓互感器高壓側(cè)熔絲熔斷事件的發(fā)生，提高系統(tǒng)供電可靠性。

關(guān)鍵詞：電壓互感器;高壓熔斷器;鐵磁諧振;消諧裝置;在線監(jiān)測(cè);網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）09-0-05

0 引 言

中壓配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)一個(gè)重要環(huán)節(jié)。電壓互感器是配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量與控制的采樣裝置。傳統(tǒng)電磁式電壓互感器原理與變壓器原理相同，由線圈和鐵芯組成。而電壓互感器內(nèi)的鐵芯的伏安特性是非線性的，存在飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致電壓互感器電壓變化時(shí)，引起電流激增，超過(guò)熔絲額定電流值，從而導(dǎo)致其高壓側(cè)熔絲熔斷。電壓互感器高側(cè)熔斷器熔斷事件，引起電力系統(tǒng)虛假接地，致使變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)誤報(bào)接地故障;同時(shí)電壓互感器開(kāi)口三角處電壓異常升高，引起保護(hù)裝置誤告警或誤動(dòng)做，造成運(yùn)維人員及監(jiān)控人員對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的誤判斷;結(jié)果會(huì)導(dǎo)致保護(hù)、測(cè)量采樣信號(hào)失效，控制計(jì)量設(shè)備無(wú)法正常計(jì)量等問(wèn)題;更有甚者會(huì)因絕熱過(guò)程導(dǎo)致電壓互感器燒毀。

為此，有必要對(duì)電磁式電壓互感器高壓熔斷器熔斷的現(xiàn)象開(kāi)展專題研究。由于電壓互感器高壓側(cè)熔斷器的熔斷涉及到系統(tǒng)諧波、電容電流、熔絲質(zhì)量、消諧裝置、負(fù)荷性質(zhì)、系統(tǒng)接地方式及故障接地等因素，國(guó)內(nèi)外對(duì)于電壓互感器高壓側(cè)熔斷器頻繁熔斷故障的研究及治理一直未有行之有效的辦法。

近幾年的通過(guò)調(diào)查研究表明，隨著配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，電壓互感器高壓側(cè)熔斷器經(jīng)常性熔斷的問(wèn)題越來(lái)越突出。所以，為了改善電壓互感器的運(yùn)行環(huán)境及電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高供電可靠性，盡量地減少電壓互感器一次熔絲熔斷的事件發(fā)生，本文通過(guò)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)電壓互感器運(yùn)行條件及其一次熔斷器熔斷情況的調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和分析，整理并提出了整改措施及方案。

1 故障情況統(tǒng)計(jì)分析

1.1 統(tǒng)計(jì)

2018年1—8月，某區(qū)域電網(wǎng)所屬的22座10～35 kV變電站共發(fā)生電壓互感器高壓側(cè)熔斷器熔斷故障38次，其中：35 kV電壓互感器高壓側(cè)熔斷器熔斷31次、10 kV YH高壓側(cè)熔斷器熔斷7次，并且隨時(shí)間有陸續(xù)上升的趨勢(shì)。具體情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖1所示。

結(jié)合其中16座變電站的地理分布情況，根據(jù)《2018年度電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化及運(yùn)行方式安排》，對(duì)16座變電站的上級(jí)電源及各站所屬供電區(qū)及熔斷情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，詳情如圖2所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)這16座變電站的一二次消缺措施進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn)：大部分變電站一、二次消諧裝置配置到位。白水變電站YH高壓側(cè)未安裝消諧器;門公變電站YH高壓側(cè)未安裝消諧器、低壓側(cè)未安裝二次消諧裝置;黑池變未安裝二次消諧裝置。

1.2 分析

1.2.1 統(tǒng)計(jì)分析

（1）目前區(qū)域YH高側(cè)熔斷器熔斷情況分布如下：

大荔區(qū)域：35 kV寺前變電站、35 kV趙渡變電站熔斷2次，其中35 kV YH熔斷1次，10 kV YH熔斷1次。澄縣區(qū)域：110 kV東雷變、35 kV洽川變、35 kV防虜寨變、35 kV馮原變、35 kV新趙變、35 kV林皋變共計(jì)熔斷8次，其中35 kV YH熔斷8次，10 kV YH熔斷0次。富平區(qū)域：35 kV淡村變、35 kV王寮變、35 kV留古變、35 kV薛鎮(zhèn)變、35 kV新興變、35 kV南韓變、35 kV美原變、35 kV呂村變共計(jì)熔斷18次，其中35 kV YH熔斷15次，10 kV YH熔斷3次。通過(guò)以上統(tǒng)計(jì)分析可見(jiàn)：仍有16座變電站在1—8月之間發(fā)生了28次高壓側(cè)熔斷器熔斷故障，其中大荔占比7.14%、澄縣占比28.57%、富平占比64.28%。由此可見(jiàn)富平區(qū)域的YH高壓側(cè)熔斷器熔斷次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)運(yùn)維區(qū)域。具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析如下：

富平變供電區(qū)域：共發(fā)生YH高側(cè)熔斷器熔斷12次，占總比42.82%，其中35 kV YH高側(cè)熔斷器熔斷9次，10 kV YH高側(cè)熔斷器熔斷3次。高明變供電區(qū)域：共發(fā)生YH高側(cè)熔斷器熔斷4次，占總比14.29%，其中35 kV YH高側(cè)熔斷器熔斷3次，10 kV YH高側(cè)熔斷器熔斷1次。西莊變供電區(qū)域：共發(fā)生YH高側(cè)熔斷器熔斷4次，占總比14.29%，其中35 kV YH高側(cè)熔斷器熔斷4次，10 kV YH高側(cè)熔斷器熔斷0次。橋陵變供電區(qū)域：共發(fā)生YH高側(cè)熔斷器熔斷8次，占總比28.57%，其中35 kV YH高側(cè)熔斷器熔斷8次，10 kV YH高側(cè)熔斷器熔斷0次。

（2）個(gè)案分析

35 kV段家變電站35 kV YH高側(cè)熔斷4次，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)二次消諧裝置二次接線松動(dòng)，導(dǎo)致裝置功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，對(duì)接線緊固后至今未再發(fā)生YH高側(cè)熔斷器熔斷現(xiàn)象。110 kV南莊變電站自2017年9月15日至今共發(fā)生3起電壓互感器絕緣擊穿、爆裂事件，由于采用半絕緣互感器，承受諧振能力有限，造成接連發(fā)生YH絕緣擊穿事件，目前臨時(shí)采用全絕緣互感器更換。110 kV石川河變電站于2018年3月26日發(fā)生地埋電纜挖斷故障，導(dǎo)致斷線處弧光接地、短路，引起10 kV YH間隔過(guò)電壓保護(hù)器絕緣擊穿、爆裂，進(jìn)而發(fā)生10 kV YH高側(cè)熔斷器熔毀、YH絕緣損壞擊穿事件，更換后至今再未再發(fā)生保險(xiǎn)熔斷及YH故障。

1.2.2 機(jī)理分析

根據(jù)發(fā)生YH高壓側(cè)熔斷器頻繁熔斷故障的變電站在供電區(qū)域的分布情況可以看出，YH高壓側(cè)熔斷器熔斷故障主要集中發(fā)生在富平變供電區(qū)域和橋陵變供電區(qū)域。兩供電區(qū)共發(fā)生高側(cè)熔斷器熔斷事件20次，占比71.39%，其中35 kV YH高側(cè)熔斷器熔斷17次，10 kV YH高側(cè)熔斷器熔斷3次。根據(jù)YH內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)及特性，結(jié)合以上統(tǒng)計(jì)分析，現(xiàn)將引起YH高側(cè)熔斷器頻繁熔斷的主要原因匯總?cè)缦拢?/p>

（1）諧振過(guò)電壓引起熔斷

在小電流接地系統(tǒng)中，當(dāng)一相接地時(shí)，因未形成回路，故接地電流較負(fù)載電流要小;在這種系統(tǒng)中，為了監(jiān)測(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的對(duì)地絕緣狀態(tài)，同時(shí)為向綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的繼保裝置、計(jì)量?jī)x表、信號(hào)系統(tǒng)、母線電壓監(jiān)視裝置、自動(dòng)裝置和遠(yuǎn)動(dòng)裝置提供電壓，就需要在變電站各電壓等級(jí)的母線上安裝三相電壓互感器。

而在系統(tǒng)運(yùn)行中，往往會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)電壓較低和系統(tǒng)電壓過(guò)高的異常運(yùn)行狀態(tài);在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，YH鐵芯不會(huì)飽和，也就不會(huì)發(fā)生中性點(diǎn)漂移，即中性點(diǎn)與地的電位是等電位。也就是說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)因故出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，YH鐵芯電感受到“刺激”，發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，破壞了電路的對(duì)稱性，使中性點(diǎn)發(fā)生漂移，進(jìn)而形成了鐵磁諧振過(guò)電壓。也就是說(shuō)當(dāng)系統(tǒng)電壓低時(shí)：YH鐵芯未飽和，此時(shí)電容電流大于電感電流，如果在此時(shí)出現(xiàn)中性點(diǎn)電壓漂移，那么由于感抗大于容抗，所以不具備引起諧振的環(huán)境;而一旦系統(tǒng)電壓忽然升高，由于YH鐵芯飽和，會(huì)導(dǎo)致電感電流大于電容電流，此時(shí)感抗在不斷降低，當(dāng)感抗降低到與容抗等值時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生諧振;這個(gè)時(shí)候，電感、電容兩端都會(huì)呈現(xiàn)高電壓，電路中勵(lì)磁電流快速增大，此時(shí)的勵(lì)磁電流有可能會(huì)達(dá)到額定電流的數(shù)十倍，直接導(dǎo)致YH高壓側(cè)熔斷器熔斷，甚至引起YH燒毀。

圖3中的伏安特性曲線在是一定頻率下，分別描述系統(tǒng)純?nèi)菪曰蚋行缘牡湫吞卣?，其中感性?fù)載伏安特性曲線可分為線性段及非線性段。若系統(tǒng)負(fù)載參數(shù)合理，均工作在線性區(qū)域，屬于設(shè)計(jì)的理性運(yùn)行狀態(tài)，如圖3中曲線2所示。曲線1表明，系統(tǒng)參數(shù)使得電壓互感器工作在飽和區(qū)，可能引起諧振;曲線4表明系統(tǒng)容性電流較小，曲線3，5表明系統(tǒng)容性電流較大，系統(tǒng)均不會(huì)發(fā)生諧振。系統(tǒng)參數(shù)與電網(wǎng)運(yùn)行方式相關(guān)，即對(duì)一個(gè)穩(wěn)定的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)合理諧振發(fā)生的概率會(huì)較小，但對(duì)于發(fā)展中的電網(wǎng)或運(yùn)行方式調(diào)整情況下，就會(huì)導(dǎo)致諧振發(fā)生的可能。另外，系統(tǒng)參數(shù)與系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式相關(guān)，與中性點(diǎn)接地小弧線圈參數(shù)與補(bǔ)償度有關(guān)。

（2）弧光接地引起熔斷

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，當(dāng)有一相出現(xiàn)接地時(shí)，會(huì)伴有電弧。而因?yàn)殡娙?、電感的存在，就極有可能在線路的某一段發(fā)生波動(dòng)振蕩。當(dāng)出現(xiàn)電流振蕩零點(diǎn)或工頻零點(diǎn)時(shí)電弧有幾率暫時(shí)熄滅，接地也會(huì)暫時(shí)恢復(fù)正常，而此時(shí)，由于接地相電壓逐漸恢復(fù)升高電弧有可能再次燃起，這就是間歇性弧光接地。

針對(duì)間歇性弧光接地，分析如下：如果在電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生接地并產(chǎn)生了間歇性得弧光接地，那么此時(shí)便會(huì)引起低頻飽和，導(dǎo)致YH高壓側(cè)熔斷器熔斷。除系統(tǒng)諧振導(dǎo)致電壓互感器高壓側(cè)熔斷器的熔斷外，根據(jù)相關(guān)資料可知，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)地電容較大時(shí)系統(tǒng)在發(fā)生間歇性電弧接地或接地消失時(shí)，在整個(gè)恢復(fù)過(guò)程中，非故障相所存儲(chǔ)的對(duì)地電容電荷將會(huì)重新分配，這時(shí)便會(huì)通過(guò)YH中性點(diǎn)的接地點(diǎn)在YH的一次繞組中形成回路，產(chǎn)生低頻振蕩電壓，導(dǎo)致運(yùn)行中的YH鐵芯達(dá)到飽和狀態(tài)產(chǎn)生飽和電流，飽和電流會(huì)在單相接地消失后的1/4至1/2工頻周期內(nèi)出現(xiàn)，這時(shí)的電流值將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分頻諧振電流，而分頻諧振電流一般大于額定勵(lì)磁電流近百倍，頻率為2～5 Hz。此時(shí)的飽和電流呈現(xiàn)高幅值和作用時(shí)間短的特性，通常在單相接地消失后的半個(gè)周期內(nèi)就可以熔斷熔絲，可見(jiàn)故障恢復(fù)后的電容放電沖擊電流是主要原因。

典型中壓電力系統(tǒng)的等值電路如圖4所示，從電荷守恒的視角分析如下：系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，三相總電荷之和為0，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，其余兩相電壓升高至線電壓，從電場(chǎng)理論分析可知，相當(dāng)于健全相增加了電荷量，通過(guò)系統(tǒng)形成電容電流維持新的單相接地狀態(tài)的平衡。當(dāng)單相接地故障恢復(fù)后，接地點(diǎn)斷開(kāi)，系統(tǒng)內(nèi)的電荷重新在系統(tǒng)內(nèi)平衡，多余電荷在系統(tǒng)內(nèi)靠電壓互感器回路泄放，直至為零。如瞬間單相接地故障頻繁發(fā)生，電流就會(huì)疊加，從而導(dǎo)致熔絲熔斷。

（3）負(fù)荷側(cè)電壓低引起熔斷

配電系統(tǒng)由于供電半徑過(guò)大，而導(dǎo)致負(fù)荷側(cè)電壓偏低，為保證未端變電站電壓處于合格范圍內(nèi)，調(diào)控部門會(huì)通過(guò)遠(yuǎn)方調(diào)壓的方式使上級(jí)變電站得電壓處在上限運(yùn)行，造成上級(jí)變電站電壓偏高。在這種工況下，電壓的突然升高會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)很大的勵(lì)磁涌流，造成該相YH磁路飽和，此時(shí)，勵(lì)磁電感減小，中性點(diǎn)出現(xiàn)位移電壓。而由于YH鐵芯的磁飽和，造成電流、電壓波形的波動(dòng)變異，從而產(chǎn)生了諧波，導(dǎo)致YH高壓側(cè)熔斷器熔斷。

2 改善與治理措施

經(jīng)過(guò)以上的調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和分析、總結(jié)可知，YH高壓側(cè)熔斷器頻繁熔斷的故障只能通過(guò)提高電壓互感器及熔絲質(zhì)量、提高互感器鐵芯磁飽和度、增加和完善消諧措施以及減少容易引起系統(tǒng)波動(dòng)的電氣操作，因此應(yīng)盡量的抑制和減少熔斷次數(shù)，但是YH熔斷器熔斷的情況卻難以杜絕;而如何才能抑制和減少YH高壓側(cè)熔斷器的熔斷次數(shù)，作者認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面去進(jìn)行完善改進(jìn)。

2.1 優(yōu)化配電網(wǎng)架設(shè)計(jì)供電半徑趨于合理，合理調(diào)度優(yōu)化運(yùn)行方式

采用網(wǎng)格化模式，合理布局電源，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，從物理參數(shù)上避免諧振。改變運(yùn)行方式時(shí)，需要校驗(yàn)諧振的邊界條件。

2.2 改進(jìn)配置，采取技術(shù)與裝備手段消除隱患

中壓系統(tǒng)配置自動(dòng)調(diào)諧的消弧線圈、避免弧光接地過(guò)電壓持續(xù)產(chǎn)生;針對(duì)未采取消諧措施的電壓互感器，應(yīng)安裝一次消諧器及二次消諧裝置，以此來(lái)改善YH的勵(lì)磁特性，從而提高鐵芯磁飽和度。

2.3 采用電子式互感器或改善電磁式互感器鐵芯伏安特性

電子式互感器與系統(tǒng)隔離，不存在鐵芯飽和現(xiàn)象，在一二次融合的規(guī)則指導(dǎo)下，在中壓系統(tǒng)可以推廣使用;優(yōu)化電壓互感器選型，選擇全絕緣型、磁飽和強(qiáng)度高及伏安特性線性度較好的鐵芯;高壓側(cè)熔斷器熔絲應(yīng)選擇裝設(shè)充填硅砂的熄滅電弧性能優(yōu)異的瓷管熔斷器。

2.4 實(shí)施差異化治理措施

（1）諧波在線監(jiān)測(cè)。由于電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的一些大廠、大礦生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，尤其是電弧爐運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波，造成YH鐵心飽和。建議對(duì)供電區(qū)域內(nèi)的工礦企業(yè)進(jìn)行諧波檢測(cè)，檢測(cè)企業(yè)用戶在設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的諧波量否在合格范圍內(nèi)，如果諧波量超過(guò)了允許值，那么可以采用改變用戶側(cè)變壓器接線方式的方法，達(dá)到抑制和消除諧波的目的。使因用戶設(shè)備運(yùn)行生產(chǎn)產(chǎn)生的諧波在用戶側(cè)得到消耗，如變壓器接線方式為Y/Y接線的，可改為Y/△接線，以使大量的諧波不至于傳送至整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)，影響系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)存量的消弧線圈容量配置。基于渭南地區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合不斷增加的長(zhǎng)距離線路，開(kāi)展系統(tǒng)對(duì)地電容電流測(cè)試。根據(jù)電容電流值情況，考慮增加變電站消弧線圈容量，通過(guò)投、退消弧線圈改變補(bǔ)償量，對(duì)產(chǎn)生諧振的條件進(jìn)行改善，從而減少諧振的產(chǎn)生。

（3）提高中性點(diǎn)阻抗。在電壓互感器高壓側(cè)繞組中性點(diǎn)接入一只單相電壓互感器，經(jīng)過(guò)這只單相YH進(jìn)行接地，也就是說(shuō)在系統(tǒng)的中性點(diǎn)接入高阻抗，使YH的等值阻抗有效增加。這樣，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，零序電壓將大部分施加在這只單相YH上，使YH不易發(fā)生磁飽和，避免鐵磁諧振的發(fā)生。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析了近期某區(qū)域電網(wǎng)電壓互感器高壓側(cè)熔斷器熔斷事件，針對(duì)電磁式電壓互感器一次側(cè)高壓熔斷器熔斷問(wèn)題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與理論分析，根據(jù)研究結(jié)果提出了差異化解決辦法。指出了從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、在線監(jiān)測(cè)、運(yùn)行方式、設(shè)備選型等多層次考慮不同的改善與治理方法，可以減低電壓互感器高壓側(cè)熔絲熔斷事件的發(fā)生，提高系統(tǒng)供電可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]范宇.35kV母線電壓互感器熔斷器頻繁熔斷的原因分析及處理方法[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（3）：209-210.

[2]姜迎梅，付強(qiáng).某變電所10 kVⅠ、Ⅱ母線電壓互感器故障情況分析[J].科技資訊，2012（26）：121.

[3]焦?jié)蓮?qiáng)，任平政.某500 kV變電站TV一次繞組連續(xù)熔斷問(wèn)題分析[J].太原大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，12（2）：138-140.

[4]侯昭英.電壓互感器高壓熔斷器熔斷原因及處理[J].科技與企業(yè)，2014（4）：290.

[5]洪湘媚. 35 kV電壓互感器熔絲熔斷現(xiàn)象的分析[J].河南科技，2013（8）：38.

[6]張雄，唐棟. 35 kV電壓互感器發(fā)生諧振的原因分析及處理[J].湖北水力發(fā)電，2009（6）：80-81.

[7]燕作祥.電壓互感器多相熔絲熔斷分析[J].農(nóng)村電氣化，2005（12）：23-24.

[8]隋恒，岳彩鵬，刁明濤.一起電磁式電壓互感器匝間絕緣損壞故障診斷[J].山東電力技術(shù)，2015，42（6）：66-68.

[9]趙敏. 10 kV電壓互感器損壞及高壓保險(xiǎn)熔斷原因分析[J].河南電力，2009，37（1）：12-13.

[10]胡文杰. 6 kV電壓互感器一次保險(xiǎn)熔斷的原因分析及處理方法[J].平頂山工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（4）：25-26.

[11]郅亞峰，魏偉偉，劉鵬杰.鞏義電網(wǎng)110 kV變電站主變改造方案[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2013（7）：90-91.