内蒙古自治区黄河工程管理局 内蒙古巴彦淖尔 015200
摘要：根据近年中小型水电站实际运行情况和高压试验，判断单相接地故障恢复时产生的直流涌流是中小型水电站PT熔丝熔断的主要原因，分析和高压试验结果，认为采用4PT＋线性电阻是一种比较好的解决方案，能发挥各自优势，有效抑制ＰＴ直流涌流，保证PT运行安全。鉴于此，本文主要分析电磁式电压互感器故障分析及防控措施。
关键词：电磁式电压互感器；故障；防控；安全运行
1引言
电磁式电压互感器（以下简称PT）运行故障是中小型水电站常见故障，一般认为在中性点不接地系统，发生合空载母线、单相接地恢复或系统负荷剧烈变化等情况时，PT励磁电感可能与系统对地电容形成参数匹配，从而引起铁磁谐振现象，造成过电压和PT高压绕组过电流，导致PT各种故障的发生。根据近年实际运行情况可知，虽然中性点不接地系统采用了多种抑制和消除PT谐振的保护装置，但PT运行故障，特别是熔丝熔断故障仍然频繁发生，甚至在小电阻接地也时常发生PT熔丝熔断故障，这给中小型水电站的安全运行造成一定的影响。
2电磁式电压互感器故障分析
近几十年来，国内外专家做了大量的理论分析和仿真研究，提出PT铁磁谐振产生的机理。当PT励磁电感和线路对地电容回路达到固定振荡频率时，将会在系统中产生谐振现象。随着系统对地电容的增大，依次发生高频、基频、分频谐振。但近年来部分学者的研究表明，当系统对地容抗与PT励磁感的比值下降时，谐振的概率下降了，但是可能在单相接地故障恢复时产生较大的低频饱和电流，足以使PT高压熔丝熔断或使PT烧毁。
系统发生单相接地故障时，故障相电压将降低，非故障相电压将升高。在接地故障恢复时，系统故障相电压突然升高，但受PT铁芯剩磁的影响，导致PT故障相铁芯趋向饱和，同时非故障相在接地期间充电的电荷经PT高压绕组对地释放。当系统对地容抗较小时产生较大的直流涌流，会直接造成故障相PT熔丝熔断或PT烧毁事故。
3防控措施
3.1中性点经电阻或消谐器接地
在电压互感器中性点与地之间串联消谐电阻，相当于电压互感器每相对地均接入电阻，可以在发生铁磁谐振时起到消耗能量、抑制谐波的作用。这使得电压互感器的中性点电位升高，从而降低其一次绕组两端电压，当消谐电阻大小合适时，可以降低电压互感器铁芯饱和程度或使其工作在线性区。此外，在单相接地引发间歇性电弧时，消谐电阻的接入可以使系统对地电容通过消谐电阻构成回路，降低流过电压互感器绕组中的电流，保护电压互感器不因过流而损坏。
因此，在采用这种方法时，需要根据系统的参数选择合适的消谐电阻。有研究表明，在中低压配电系统中，接入线性电阻可以在发生单相接地故障时有效抑制铁磁谐振，缩短铁磁谐振时间，降低流过PT的电流值，但需要接入的电阻值较大，对其他故障引起的谐振抑制效果不好。
3.2 PT开口三角绕组接电阻或消谐装置
电压互感器开口三角绕组端口在电力系统正常运行时基本无电压，因此接入阻尼电阻R0并不消耗能量，而在谐振发生时，可以消耗谐振过程中产生的能量，起到消谐的作用。串联电阻后折算至一次侧的原理如图1所示。其中Z1=R1+X1，为一次侧漏阻抗；Zm=Rm+Xm，为一次侧激磁阻抗；Z3=R3+X3，为开口三角绕组折算至一次侧阻抗；R为折算至一次侧的开口三角串联电阻。
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图1电磁式电压互感器三角绕组串联电阻后折算至一次侧的原理图
串联的电阻R若取值过小，三角绕组将在铁磁谐振时产生巨大环流，可能会损坏互感器绝缘甚至烧毁互感器。因此，R的选择需要根据电压互感器容量综合考虑，按照《电力设备过电压保护设计技术规程》（SDJ7—1997）建议的经验数据是R≤0.4X0，X0为线电压下电压互感器每相励磁电抗换算到开口三角接线处的值。
3.3 4PT方法
该方法一方面可以增大PT等值零序电感，使更容易满足；另一方面，可以改变PT的电压分布，使其铁芯不易饱和，抑制铁磁谐振的发生。其原理如图2所示，3只主电压互感器星形接线的中性点通过电压互感器的一次绕组接地，这样在正常运行时中性点电压偏移很小，故障时零序电压互感器抑制涌流，可以有效抑制系统的谐振过电压。
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图2抗谐振PT
在电网单相接地时伴随着低频振荡，4PT这种方法会因频率降低导致PT4的阻抗下降。而一次PT的零序电压升高、开口环流增大（一次开口零序短路能有效抑制2次谐波），严重时将烧毁PT，而且4PT法体积庞大，成本较高。
3.4 铁磁谐振抑制措施
为了限制电磁式电压互感器铁磁谐振，一般通过在回路中增加阻尼电阻来限制谐振的发生。从等值回路中看，一般的情况下，回路中的阻尼是比较小的，难以限制铁磁谐振的发生。实践中通过在电磁式电压互感器的二次剩余绕组设置阻尼装置，依靠阻尼装置在短时间内（如0.5s）来消耗谐振能量，以抑制电磁式电压互感器铁磁谐振。常见的阻尼装置包括纯电阻阻尼器、谐振型阻尼器及速饱和型阻尼器等。
为了验证阻尼装置的应用效果，国家电网公司企业标准《110（66）kV～550kV电压互感器技术标准》规定在电磁式电压互感器工厂的例行试验中施加0.8U1n、1.0U1n、1.2U1n、1.5U1n电压进行铁磁谐振试验，U1n为CVT的额定一次电压。标准GB/T20840.5-2013《电磁式电压互感器的补充技术要求》规定CVT的型式试验应分别进行电压值为0.8U1n、1.0U1n、1.2U1n、1.5U1n的铁磁谐振试验（中性点非有效接地系统的试验电压值为1.0U1n、1.2U1n、1.9U1n），同时对铁磁谐振振荡时间以及经过振荡时间之后的最大瞬时误差做出了规定。
虽然在电磁式电压互感器制造过程中采取了增加阻尼装置的措施，并且在产品的型式试验和出厂例行试验中增加了铁磁谐振试验项目，但是由于现场工况的复杂性，实际运行中还是出现了一些CVT铁磁谐振的现象。在实际运行中发生电磁式电压互感器铁磁谐振时，一般现场采用破坏谐振条件和增加阻尼措施。前述实例中，现场在二次侧电压开口临时采取了增加阻尼措施，但是未能消除谐振。破坏谐振条件，可以通过改变谐振回路参数来消除铁磁谐振。如在线路合闸过程中，线路电磁式电压互感器发生铁磁谐振，可能是合闸时合闸相角的关系导致某相电压过高，从而诱发铁磁谐振，通过分闸重新合闸有可能改变合闸相角，减小过电压幅值，从而降低铁心饱和程度，达到消除铁磁谐振的目的。
4 结束语
本文结合某变电站电磁式电压互感器炸裂事故，对电磁式电压互感器的铁磁谐振进行分析，说明其产生的原因及影响，同时对各类消除铁磁谐振的方法及其适用范围进行探讨。为防止铁磁谐振事故，应选用励磁特性较好的电压互感器，避免其在运行中出现铁芯饱和现象。发生铁磁谐振的原因复杂多变，因此，在实际应用中应根据中小型水电站的具体情况，多种方法并用，以更好地预防铁磁谐振，确保水轮发电机组的安全稳定运行。
参考文献：
[1]王冰冰，王超，陈嵩，邵昱.电磁式电压互感器故障分析及防控措施[J].河南科技，2020，39（31）：137-140.
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