10kV電壓互感器爆裂原因分析及防范措施

10kV電壓互感器爆裂原因分析及防范措施摘要：針對(duì)我公司水源地二級(jí)泵站10KV系統(tǒng)電壓互感器在近期生產(chǎn)工作中易出現(xiàn)的問題，分析我公司水源地二級(jí)泵站10KV系統(tǒng)電壓互感器爆裂原因；簡(jiǎn)要剖析鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生的原因，并闡述其危害及防范措施。關(guān)鍵詞：10KV母線PT；爆裂原因；防范措施在中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)中，由于變壓器、PT、消弧線圈等設(shè)備鐵心電感的磁路飽和作用，激發(fā)產(chǎn)生持續(xù)的較高幅值的鐵磁諧振過電壓。鐵磁諧振可以是基波諧振、高次諧波諧振、分次諧波諧振。高壓系統(tǒng)中的鐵磁諧振過電壓是電力系統(tǒng)常見的過電壓之一，是由于變電站倒閘操作或在運(yùn)行時(shí)接地故障消除等原因引起的，其實(shí)質(zhì)就是電磁式電壓互感器勵(lì)磁特性飽和，激發(fā)鐵磁諧振。這種諧振產(chǎn)生的過電壓的幅值雖然不高，但因過電壓頻率往往遠(yuǎn)低于額定頻率，鐵心處于高度飽和狀態(tài)，其表現(xiàn)形式可能是相對(duì)地電壓升高，勵(lì)磁電流過大，或以低頻擺動(dòng)，引起絕緣閃絡(luò)、避雷器炸裂、高值零序電壓分量產(chǎn)生、虛幻接地現(xiàn)象出現(xiàn)和不正確的接地指示。嚴(yán)重時(shí)還可能誘發(fā)保護(hù)誤動(dòng)作或在PT中出現(xiàn)過電流引起PT燒壞。發(fā)生鐵磁諧振過電壓，不但對(duì)大量電力設(shè)備和系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來危害，還嚴(yán)重危及人身安全，必須予以足夠重視和防范。一、 故障現(xiàn)象及設(shè)備運(yùn)行狀況我公司水源地10KV系統(tǒng)，采用架空線形式供電全長(zhǎng)11KM、295級(jí)桿塔，共計(jì)兩路電源供電，為雙線同塔式，兩路電源一用一備。水源地10KV系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式，為了能正確識(shí)別單相接地故障，并對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所以水源地10kV系統(tǒng)中的母線PT中性點(diǎn)接地。二級(jí)泵站10KV開關(guān)柜采用的是上海華通開關(guān)廠生產(chǎn)的電氣組合柜，該設(shè)備自投產(chǎn)(2009年7月)以來，主部件未發(fā)生大的缺陷，但其輔助測(cè)量PT在2015年6月至7月之間發(fā)生了3臺(tái)次損壞，現(xiàn)象表現(xiàn)為本體炸裂、內(nèi)部絕緣物質(zhì)噴出，現(xiàn)場(chǎng)拖出PT手車發(fā)現(xiàn)PT本體溫度極高。故障致使水源地2級(jí)泵站母線電壓無法監(jiān)視，相關(guān)保護(hù)不能投運(yùn)，部分自動(dòng)功能無法實(shí)現(xiàn)。這給水源地10系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的隱患，同時(shí)嚴(yán)重危害了全廠供水系統(tǒng)的安全。二、 故障原因分析結(jié)合3次PT炸裂的故障現(xiàn)象及數(shù)次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，經(jīng)過討論初步判斷，為下述的幾個(gè)原因所致。1、 產(chǎn)品質(zhì)量不好：如果由于產(chǎn)品本身絕緣、鐵心疊片及繞制工藝不過關(guān)等，均可能致使電壓互感器發(fā)熱過量使絕緣長(zhǎng)期處于高溫下運(yùn)行，從而導(dǎo)致絕緣加速老化，出現(xiàn)擊穿。該類型的電壓互感器一次側(cè)繞組發(fā)生匝間短路，這樣電流會(huì)迅速增大，鐵磁也將迅速飽和從而導(dǎo)致諧振過電壓，使絕緣擊穿，高壓熔斷器被熔斷。而更換的PT都經(jīng)過試驗(yàn)嚴(yán)格的試驗(yàn)，絕緣、交流耐壓、直流耐壓等都合格，且此型號(hào)PT已使用多年，均未發(fā)現(xiàn)問題。分析不存在質(zhì)量問題。2、 PT二次負(fù)荷偏重，一、二次電流較大，使二次側(cè)負(fù)載電流的總和超過額定值，造成PT內(nèi)部繞組發(fā)熱增加，尤其是在電壓高于PT額定電壓(6kV)情況下，PT內(nèi)部發(fā)熱更加嚴(yán)重；再者，該系統(tǒng)屬于中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，故一次側(cè)電壓在運(yùn)行中容易發(fā)生偏斜，當(dāng)某相出現(xiàn)高電壓時(shí)，該相PT更加容易發(fā)生熱膨脹爆裂。經(jīng)測(cè)量2級(jí)泵站母線PT二次負(fù)載，發(fā)現(xiàn)PT二次負(fù)載很小，PT容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需容量。分析此原因不成立。3、 由于鐵磁諧振而造成PT被擊穿：鐵磁諧振是電力系統(tǒng)自激振蕩的一種形式，是由于變壓器、PT等鐵磁電感的飽和作用引起的持續(xù)性、高幅值諧振過電壓現(xiàn)象。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PT過熱燒毀。而我廠水源地10kV系統(tǒng)屬于中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，2級(jí)泵站母線的負(fù)荷呈感性的比較多，帶有大容量的補(bǔ)水泵。正常運(yùn)行時(shí)，PT勵(lì)磁繞組感抗很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)地電容，PT三相基本平衡，中性點(diǎn)的位移電壓很小，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生諧振。但是在PT炸裂前水源地10KV線路因公路建設(shè)進(jìn)行了改造（阜康電廠水源地10KV線路為2線同塔式供電，全長(zhǎng)11KM，共295級(jí)桿塔），改造將中間幾十根桿塔的架空線路改為地埋電纜，致使系統(tǒng)容抗增大，使系統(tǒng)容抗接近系統(tǒng)感抗。且由于某種原因，而使系統(tǒng)電壓波動(dòng)（如補(bǔ)水泵頻繁啟停等），使電路中電流和電壓發(fā)生突變，可能導(dǎo)致電壓互感器鐵心迅速飽和、感抗減小，當(dāng)sL=1/sC，滿足串聯(lián)諧振條件，產(chǎn)生諧振，導(dǎo)致電壓互感器激磁電流增大幾十倍，而過電壓幅值將達(dá)到近2Ue，甚至于達(dá)到3.5Ue以上，而且無消諧裝置致使諧振持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，電壓互感器在這樣大電壓、大電流下運(yùn)行，使本身的溫度也迅速升高，導(dǎo)致?lián)p壞。三、處理方案及防范措施故障原因知道了就不難找到加以解決的辦法，當(dāng)然消除諧振過電壓的方法很多，通常采用的解決方法有以下幾種：選用勵(lì)磁特性較好的電磁式電壓互感器或只使用電容式電壓互感器。當(dāng)然這種方法對(duì)于已經(jīng)使用的系統(tǒng)來說改造幅度和費(fèi)用較大，所以我廠水源地10kV系統(tǒng)不適合此種方法。1、 在PT開口三角側(cè)并聯(lián)固定（或可變）阻尼，PT三角形繞組為零序電壓繞組，在此繞組兩端接上阻尼電阻RT,相當(dāng)于PT帶一零序負(fù)載。通過變比關(guān)系，幾:歸算到高壓側(cè)為RT’=（n1/3n2）Rt（其中n1、n2為高、低壓繞組匝數(shù)），相當(dāng)于在PT高壓側(cè)Y。結(jié)線繞組上并聯(lián)電阻，即接至電源變壓器的中性點(diǎn)上。由于是并聯(lián)阻尼，因此阻值越小，在勵(lì)磁電感L上并聯(lián)電阻越小，當(dāng)RT小于一定值時(shí)，網(wǎng)絡(luò)三相對(duì)地參數(shù)基本上由等值電阻決定，阻尼鐵磁諧振的效果也就越好。若RT=0,即開口三角繞組短接，相當(dāng)于電網(wǎng)中性點(diǎn)接地,L為PT漏感，三相相等，共振條件不成立,PT飽和過電壓也就不存在。此種方法一般使用在一些要求不太高的變電所或配電。我廠在水源地10kV系統(tǒng)母線PT改造物資未到前，為保證供水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，就是采用的此種方式。在母線PT開口三角側(cè)并聯(lián)了一個(gè)100W的白熾燈泡，暫時(shí)保證系統(tǒng)運(yùn)行。2、 電壓互感器中性點(diǎn)串入消諧器，其實(shí)就是在中性點(diǎn)串入一個(gè)50kQ-100kQ的非線性電阻。該方法在已廣泛采用，生產(chǎn)定型產(chǎn)品的廠家比較多，在實(shí)際運(yùn)用中都取得了滿意的效果。消諧器串接于PT一次繞組中性點(diǎn)與地之間，內(nèi)部材料為大容量的非線性碳化硅電阻片及散熱片等串聯(lián)組裝于瓷套內(nèi)而成。其工作原理為：在低壓下消諧器呈高電阻值（可達(dá)幾百千歐）使諧振在起始階段不易發(fā)展，單相接地時(shí)，消諧器上出現(xiàn)千余伏電壓，它的非線性電阻下降，使其不影響接地保護(hù)的工作。3、 在PT的開口三角形中加裝一合適的電阻。或當(dāng)中性點(diǎn)位移電壓超過一定值時(shí)，以零序過電壓繼電器將電阻投入一分鐘，然后再自動(dòng)切除，目前設(shè)計(jì)中一般采取開口三角加消諧器的措施，即加裝微機(jī)消諧裝置。微機(jī)消諧裝置采用高性能的單片微機(jī)作為核心元件，對(duì)PT開口三角電壓（即零序電壓）進(jìn)行遁環(huán)檢測(cè)。正常工作情況下，該電壓小于30V，裝置內(nèi)的大功率消諧元件（固態(tài)繼電器）處于阻斷狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行不產(chǎn)生影響。當(dāng)PT開口電壓大于30V時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)故障，消諧裝置開始對(duì)此信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字測(cè)量、濾波、放大等數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，然后對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，得出故障類型。如果當(dāng)前是鐵磁諧振，系統(tǒng)立即啟動(dòng)消諧電路，使固態(tài)繼電器導(dǎo)通，讓鐵磁諧振在阻尼作用下迅速消失。而我廠水源地二級(jí)泵站10KV母線電壓互感器爆裂的最終處理方案就是采取在電壓互感器的開口三角中加入消諧裝置的方案，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)，消諧裝置根據(jù)諧振頻率在電壓互感器開口三角繞組接入消諧電阻，消除諧振。四、總結(jié)在電力系統(tǒng)中，鐵磁諧振頻繁發(fā)生，諧振時(shí)會(huì)產(chǎn)生過電壓，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全。鐵磁諧振引起的過電壓持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，甚至可能長(zhǎng)期存在。在分頻諧振時(shí)，一般過電壓并不高，但是PT的電流大，易使PT過熱而爆炸；基波和倍頻諧振時(shí)，一般電流不大，但是過電壓很高，常使設(shè)備絕緣損壞，造成惡性事故。而微機(jī)消諧裝置在發(fā)生諧振時(shí)迅速投入大功率消諧電阻，以吸收諧振能量，消除諧振。能夠快速有效的限制并消除各種諧振過電壓，防止長(zhǎng)時(shí)間的諧振過電壓對(duì)系統(tǒng)絕緣結(jié)構(gòu)的加速老化，增加系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，延長(zhǎng)系統(tǒng)中設(shè)