李月1 许龙彬2 王帅3
1.2特变电工康嘉（沈阳）互感器有限责任公司 辽宁 沈阳 110144; 3.沈阳铁路局沈阳机务段 辽宁 沈阳 114000
摘要：在实际电网中，电磁式电压互感器有较多配置，但受电网接地方式及PT结构形式影响，PT故障问题多有发生，影响电网监控及保护功能实现。对于电磁式电压互感器，本身首先介绍PT故障类型，深入分析PT故障形成机理，并以此为据，分别介绍PT故障防控的常规方法及综合方案，以作借鉴。
关键词：电磁式；电压互感器；故障；分析；防控
国内中低压电网架构中，电压互感器的选型多为电磁式，可较好适用于中性点不接地系统。该PT的特点为高压线圈星形结构，且设有接地点，正因如此，在发生接地、非同期合闸等电网事件后，可能在PT感性阻抗与线路电容共同作用下，而导致谐振的发生，其所带来的过压问题，可能超出电磁式电压互感器承载力，以至于保险烧断、设备烧损等问题出现。所以，在PT装置配置时，要依据绝缘、电压保护等相关要求，完善PT故障防控措施，但随着配网发展，电缆线路逐步增多，使得接地电容有明显增长，加大了电磁式电压互感器故障几率，也对供电安全构成威胁，下面将针对PT故障及防控展开探讨。
一、PT主要故障类型
在电磁式电压互感器结构中，其常见故障部位为高压熔断器与一次绕组，通常也以此进行PT故障的分类。早些时候，对于PT故障的分析存在误区，仅关注于谐振问题，然而在实验与仿真条件下，所得出的PT故障象征表明，谐振电流并不会威胁到熔断器，而对于PT高压熔断器烧断这一故障类型，其主要诱因应是电容放电冲击涌流。
为实现PT故障的有效防控，进行了许多尝试，不仅改进PT结构及性能，还研制出多种消谐、限流等措施，主要有：一是以非线性电阻法、4PT 法为代表的，用于对PT高压线圈进行抵抗谐振、限制过流的方法；二是以开口三角电阻阻尼法为代表的，用于消除PT二次侧谐振的措施。上述PT防护措施的原理及针对点不同，对电网PT故障均表现出一定防护性能，然而也有技术缺陷存在，在进行PT防护方案制定时，需科学选用。
此外，还有一种PT防护的综合性解决方案，也就是“PTK”技术，有效兼顾上述方法的长处，而且其防护部件涵盖PT两侧线圈，相较于单一方法，“PTK”技术有更好的应用效果，并在电网运行中得到可靠性检验。
二、PT故障原因分析
通过研究互感器故障发现，其在常态运行中，谐振问题导致的故障并不多见，而占大多数的仍是单相接地问题。经仿真、试验得知，PT故障并非出现在接地期间，当接地消除的瞬时，电能参数会发生暂态变化，若其波形不是震荡衰减，而是发生了铁磁谐振，便会对PT构成直接威胁，造成一次线圈或熔丝故障问题。PT故障的具体原因如下：
（一）谐振过电压
电磁式电压互感器所处中低压配网，其中性点并非是直接接地的，在接地发生到消失的瞬间，将伴有波形参数的急剧变化，造成励磁涌流的发生，其对PT有极大危害，可使其铁芯励磁达到饱和状态，并可能导致谐振的发生。不仅如此，设备操作所引发的过电压，同样可导致互感器谐振，如操作过电压等，谐振状态下PT将因过载而破坏高压保险。
通过谐振理论研究发现，铁心电感与电容在正常状况下，主要呈现为感性负载，随着PT线圈电流增长，其容性负载部分有所缩增长，直至与容抗相匹配，此时PT便会因谐振而出现更大电流，带来线圈及保险烧坏的风险。当然，PT发生一次熔断，还与其本身散热条件有关，在持续性的谐振电流作用下，会破坏互感器热稳定性，造成设备损伤。
（二）电容放电冲击涌流
PT在接入到电网后，由于系统本身不接地，而其高压侧是Y型有接地的接线方式，这样形成了接地通路。当有接地发生时，在其消失的瞬间，会有较大电容放电冲击涌流发生，甚至可达10A，严重超出熔丝设定电流值，所以会导致熔丝熔断事故。
这是因为接地期间，在网架内部会形成稳定的接地电流通路，而当接地消除的瞬时，因为接地点不存在，其通路中的电荷将难以释放，只能通过PT高压侧中性点进行传输，此时，便会形成大的电容放电冲击电流，并因此而造成PT铁芯的饱和，更有甚者会直接烧毁电感器。
三、PT 故障防控措施
通过分析PT故障的成因，早已就其给出多种防控技术措施，但多数针对的是铁磁谐振问题，仍无法有效兼顾到电容放电冲击涌流的抑制，这也是PT故障防控的未来发展方向。PT故障防控常用措施如下：
（一）4PT方法
其主要是通过改变PT接线方式，提高对谐振的抵抗能力。具体做法是：由于互感器在使用时，通常是三相PT的高压侧共用一个中性点而且是直接接地的，在4PT 法中，将该中性点通过第四个电压互感器的高压绕组接地。这样在无故障时，中性点电压较为稳定，而当有接地发生时，中性点处的零序电压互感器，可起到很好的谐振抑制效果。但在实际应用中，4PT法也有缺陷，其设备体积庞大、造价成本高，由于接地过程并非是稳态的，而是有低频振荡存在的，会降低中性点PT的阻抗数值，随之而带来的是零序电压的增长，开口处环流也会有所提升，甚至造成设备损毁。此外，在电网发展中，不断增长的线路规模，再加上电缆线路占比增多，使得对地电容持续增长，使得4PT可靠性降低，提高故障几率。
（二）碳化硅非线性电阻法
通过将电阻接入到PT高压侧中性点回路中，可发挥良好的限流效果，降低电容放电冲击涌流的危害性，而且限流效果与阻值大小是正相关的。然而，又会带来新的问题，PT本身用于电压测量，电阻的接入会加大误差，也就是说中性点电阻要尽可能小。所以在进行阻抗匹配时，需加以充分考量，既要达到阻尼谐振相关要求，也要限制其阻值大小。为此，这里采用碳化硅非线性电阻加以替代，其性能优势是伏安曲线的可调性，能够实现与PT阻抗的动态匹配，抵消了电阻对测量的影响，其对PT也有较好防控效果。
然而非线性电阻方案在实际应用中，仍面临不小挑战。若三只PT具有相同参数，由于中性点电流是存在的，中性点电阻会有三次谐波流过。而若参数不一致，中性点电阻处的谐波成分较为更为复杂。若PT励磁涌流不平衡，则会导致电压的偏移，进而威胁中性点电阻安全。所以，碳化硅非线性电阻法，同样具有较大应用限制，若存在参数偏移问题，将会降低测量精度，还会影响保护动作可靠性。
（三）并联阻尼电阻、可控硅
在该方式下，可较好的消除PT谐振，然而要注意，消谐运行状态仅可短时限运行，特别是开口电流较大情况下。然而PT谐振的发生，很难短时消除，这与并联阻尼法的设定相违背。
（四）PTK综合故障防控方案
经上述分析可知，非线性电阻法的应用缺陷在于限制条件不可控，而通过并联开关继电器，可很好的兼顾PT测量与故障防控的需求。正常状态下，继电器是闭合的，这样碳化硅非线性电阻不会发挥作用，PT测量不受影响。而若有接地、谐振等故障发生，则自动控制继电器断开，此时非线性电阻投入，继续发挥其限流及消谐的作用。其技术原理在于，接地故障下PT会检测到零序电压的存在，将其作为开关控制变量。接地发生后，可控硅开关并非第一时间动作，而是积极发挥其去磁作用，但若在0.6s时间段后，谐振依然存在，此时方可使可控硅开关自动断开，进而依靠碳化硅电阻的消谐振的作用，保障PT设备的安全。
四、结束语
综上所述，电磁式电压互感器在使用中，其故障表现形式主要有两种，因其配有熔断器，当PT出现过流等故障时，熔断器通常会先于线圈烧坏。而且针对PT故障成因，早已研制出多种防控措施，但均存在设计缺陷，无法兼顾消谐与限流的作用，为此，提出了PTK综合防控方案，较好的解决了PT故障防控的难题。
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