張剛，王明欽

（國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東臨沂276000）

·經(jīng)驗交流·

電磁式電壓互感器爆裂事故分析及解決方案

張剛，王明欽

（國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東臨沂276000）

在某供電公司所轄10kV中性點不接地系統(tǒng)中，多次發(fā)生由接地故障引起的電磁式電壓互感器爆裂事故，嚴重影響了系統(tǒng)的安全性和可靠性。通過電磁暫態(tài)計算程序ATP-EMTP建立典型變電站仿真模型，結(jié)合現(xiàn)場情況，系統(tǒng)分析PT爆裂事故原因，提出了一種10kV小電容電流系統(tǒng)中性點經(jīng)電阻接地方案。該方案既能從根本上解決PT爆裂故障，又可以抑制諧振、間歇性弧光接地等過電壓對系統(tǒng)的危害。

電壓互感器爆裂；鐵磁諧振；暫態(tài)電流；過電壓抑制

0 引言

10 kV配電網(wǎng)分布面廣，直接面向用戶，在電網(wǎng)中具有非常重要的地位。為了監(jiān)視各相對地絕緣情況及便于測量、計量和保護等，變電站母線上一般裝設(shè)有電磁式電壓互感器（PT）。

在某供電公司所轄10 kV中性點不接地系統(tǒng)中，2008—2009年，先后發(fā)生6起因10kV系統(tǒng)接地引起的PT爆裂事故，損壞7臺PT，嚴重影響了系統(tǒng)安全運行和供電可靠性。

1 事故現(xiàn)象

選擇35 kV臺柳路站進行故障分析。臺柳路站10 kV系統(tǒng)采用中性點不接地方式，兩段母線并列運行，I段母線帶兩條出線為臺沙線和臺周線，II段未帶出線，其一次系統(tǒng)接線簡化如圖1。I、II段母線上有甲、乙兩組電磁式電壓互感器，型號為JDZX10-10， PT一次繞組接成星形，末端接地，其接線如圖2。

圖1 一次系統(tǒng)簡化圖

圖2 PT接線圖

自該站建成投入運行，發(fā)生兩次PT爆裂事故：2008年12月14日，事故造成甲組一相PT爆裂，同時乙組PT消諧裝置燒壞；2009年4月15日，事故造成甲組一相PT爆裂。現(xiàn)場情況反映，兩次PT爆裂事故時，10 kV側(cè)系統(tǒng)均有接地信號發(fā)出。

2 事故原因分析

2.1 PT爆裂原因

理論分析和運行經(jīng)驗表明，PT爆裂事故是內(nèi)部過電流引起發(fā)熱所致。過電流的表現(xiàn)形式有兩種：1）由于諧振，PT上承受的過電壓和過電流雖然幅值較小，但是時間較長，大量電能作用使其長期發(fā)熱。當(dāng)熱量積累到一定程度時，絕緣介質(zhì)會受熱而汽化，體積急速膨脹，而干式PT內(nèi)部空間有限，當(dāng)壓強增加到一定程度時PT便會爆裂。2）由瞬間高幅值過電壓引起的過電流。過電壓幅值達到一定程度時，造成匝間短路而引起過電流。這種過電流一般幅值很大，會使PT中的絕緣介質(zhì)迅速汽化，而導(dǎo)致PT爆裂［1］。

2.2 事故仿真分析

使用ATP-EMTP建立臺柳路變電站模型，對其PT爆裂事故情況進行仿真分析，仿真模型如圖3。事故時站內(nèi)均有接地信號發(fā)出，有時短時間內(nèi)出現(xiàn)接地與不接地狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，持續(xù)一段時間之后，發(fā)現(xiàn)PT爆裂，仿真波形如圖4。

圖3 臺柳路站仿真模型

根據(jù)仿真結(jié)果，可以看出在瞬時性接地故障消失后，系統(tǒng)發(fā)生基波鐵磁諧振，三相過電壓最大達3.1 pu，中性點電壓為2.231 pu，A相和B相PT上流經(jīng)的電流均超過1 A，而且諧振持續(xù)存在，過電流完全可能會使PT嚴重過載，嚴重過熱甚至爆裂。

圖4 仿真波形圖

3 鐵磁諧振機理及抑制措施

3.1 鐵磁諧振機理

鐵磁諧振過電壓是一種中性點不接地系統(tǒng)中常見的非線性諧振過電壓［2］。

在中性點不接地系統(tǒng)中，變電站母線上常有Y0接的PT，連接在零序回路中。圖5為系統(tǒng)等值電路圖，其中，EA、EB和EC為三相對稱電源電動勢，LA、LB和LC為電壓互感器各相對地電感，C0為各相對地電容，C0與互感器各相電感并聯(lián)后的綜合導(dǎo)納為YA、YB和YC。

圖5 系統(tǒng)等值電路圖

在電網(wǎng)正常運行情況下，LA=LB=LC，故YA=YB=YC，三相電路對地負荷基本平衡，電網(wǎng)的中性點電位為零。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生沖擊性的擾動，例如斷路器合閘于空載母線，或者線路瞬時性單相接地故障，都有可能使一相或兩相對地電壓瞬時升高，此時若PT的三相繞組受到的沖擊程度各不相同，三相繞組的飽和程度也將各不相同，導(dǎo)致各相的綜合阻抗也就各不相同，導(dǎo)致電源變壓器中性點發(fā)生位移：

如果在正常狀態(tài)下各相的綜合阻抗呈容性，則擾動的結(jié)果可能使一相的綜合阻抗為容性，另外兩相為感性，因此分母中的導(dǎo)納符號相異，互相補償，YA+YB+YC將顯著減小，會出現(xiàn)很高的U0以激發(fā)鐵磁諧振，而三相的對地電壓則為各相電源電動勢E和位移電壓U0的矢量和，因此其中一相、兩相甚至三相的對地電壓都可能升高，從而可以產(chǎn)生過電壓或過電流現(xiàn)象。

鐵磁諧振過電壓會引起絕緣閃絡(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，嚴重時還可能誘發(fā)保護誤動作或在PT中出現(xiàn)過電流導(dǎo)致PT燒壞，危及鄰近的電力設(shè)備［3］。

3.2 鐵磁諧振抑制措施

針對鐵磁諧振，國內(nèi)外學(xué)者在研究和試驗分析的基礎(chǔ)上，提出了很多有效的抑制措施［4］。這些措施從改變零序參數(shù)上大體可以分為3種類型，具體見表1。

表1 抑制鐵磁諧振措施

零序參數(shù)具體措施零序電容母線上裝設(shè)中性點接地的三相星形電容器組零序電阻PT開口三角繞組接消諧裝置；PT開口三角繞組接阻尼電阻；PT高壓側(cè)中性點接非線性電阻；系統(tǒng)中性點接電阻

表1中，改變系統(tǒng)零序電感、零序電容措施使系統(tǒng)避開諧振區(qū)域，不易激發(fā)諧振；改變系統(tǒng)零序電阻增大了諧振回路的阻尼率和阻尼諧振能量，消耗諧振能量。

現(xiàn)場應(yīng)用中，在確定PT爆裂原因的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際情況，再采取有針對性的解決措施。

4 解決方案

臺柳路站僅有兩條出線，且線路短，對地電容較小，電容電流小于1 A，從技術(shù)性和經(jīng)濟性兩方面考慮，均沒有必要在系統(tǒng)中性點加裝消弧線圈；臺柳路變電站現(xiàn)在所用勵磁特性較好的消諧PT同樣存在爆裂問題；系統(tǒng)對地電容處在基頻諧振區(qū)間，若增大系統(tǒng)的零序電容，如母線上裝設(shè)中性點接地的三相星形電容器組等，仍然會引起系統(tǒng)諧振或者超低頻震蕩，甚至?xí)斐山拥毓收蠒r電容電流不能自熄，而導(dǎo)致嚴重的間隙性弧光接地過電壓。因此，改變系統(tǒng)的電感電容參數(shù)不能徹底解決PT爆裂問題。

現(xiàn)場運行經(jīng)驗表明，臺柳路站在PT高壓繞組中性點加裝的一次消諧裝置和附加繞組上加裝的二次消諧裝置，在PT爆裂時一起被燒壞，均沒有起到抑制作用。PT高壓側(cè)中性點接非線性電阻或者一次消諧裝置還會帶來新的問題，當(dāng)發(fā)生接地故障時，開口三角電壓會降低，影響接地保護的工作。對于斷線諧振過電壓、間歇性弧光接地過電壓，消諧裝置也不能起到抑制作用。

根據(jù)DL/T 620—1997《交流電氣裝置過電壓保護和絕緣配合》第3.1.5條規(guī)定：6 kV和10 kV配電系統(tǒng)以及發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)，單相接地故障電容電流較小時，為防止諧振、間歇性電弧接地過電壓等對設(shè)備的損害，可采用高電阻接地方式［5］。

為防止PT爆裂事故的發(fā)生，基于以上對鐵磁諧振機理抑制措施的綜合分析，根據(jù)DL/T 620—1997《交流電氣裝置過電壓保護和絕緣配合》中高阻接地系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則R0≤XCO和故障點電流小于10 A的要求，結(jié)合臺柳路變電站現(xiàn)場運行經(jīng)驗，選用電阻值為1 100 Ω。

由于臺柳路站10 kV系統(tǒng)為三角形接線方式，沒有中性點，需通過Z型接地變壓器人工引出中性點，并將1 100 Ω電阻長期接于10 kV系統(tǒng)。再仿真瞬時性接地故障下系統(tǒng)情況，母線電壓、中性點電壓、PT電流如圖6。

圖6 瞬時性接地故障下仿真圖

根據(jù)仿真結(jié)果可得，在瞬時性接地故障消失后，系統(tǒng)很快恢復(fù)正常，鐵磁諧振得到了有效抑制，各相PT上流經(jīng)的暫態(tài)電流均小于0.45 A。

另外，通過對其它系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的仿真，系統(tǒng)中性點經(jīng)1 100 Ω接地方式同樣可以抑制斷線諧振過電壓、間歇性電弧接地過電壓等，降低系統(tǒng)內(nèi)部過電壓水平，減小流經(jīng)PT的暫態(tài)電流。

5 結(jié)語

電容電流較小的10 kV中性點不接地系統(tǒng)容易遭受內(nèi)部過電壓的危害，可能會造成PT爆裂事故的發(fā)生。將系統(tǒng)中性點改為經(jīng)電阻接地后，增大了諧振回路的損耗，可以有效抑制鐵磁諧振的發(fā)生；同時為線路對地電容中多余累積電荷提供了釋放的通道，減小了流經(jīng)PT的電流，也可以防止間歇性電弧接地過電壓的發(fā)生。因此，該方案解決了電容電流較小的中性點不接地10 kV系統(tǒng)中PT爆裂問題，也降低了系統(tǒng)內(nèi)部過電壓水平，有利于提高系統(tǒng)的運行可靠性。

［1］林泉.10 kV電磁式電壓互感器爆炸的原因和解決方案［J］.電力設(shè)備，2005，12（6）：12-13.

［2］解廣潤.電力系統(tǒng)過電壓［M］.北京：水利電力出版社，1985.

［3］陳維賢.內(nèi)部過電壓基礎(chǔ)［M］.北京：水利電力出版社，1981.

［4］李福壽.中性點非有效接地電網(wǎng)的運行［M］.北京：水利電力出版社，1993.

［5］DL/T 620—1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合［S］.

Analysis and Solution of Electromagnetic Potential Transformer Burst

ZHANG Gang，WANG Mingqin
（State Grid Linyi Power Supply Company，Linyi 276000，China）

In a neutral node non-grounded 10 kV power system，it happened several times that electromagnetic potential transformers bursted due to grounding faults，which seriously affected power system reliability.In this paper，the simulation model of a typical substation was established by EMTP.PT burst causes were analyzed systematicly according to field situation and solution was proposed，in which the neutral node was changed from non-grounded to resistance-gronded in the small capacitive current system.The solution not only eliminated the accidents of PT burst，but also restrained the internal ferroresonance overvoltage and arc grounding which would seriously jeopardize the power system.

PT burst；ferroresonance；transient current；restrain overvoltage

TM451

B

1007－9904（2015）02－0042－04

2014-08-05

張剛（1979），男，工程師，主要從事電網(wǎng)運檢技術(shù)管理、電網(wǎng)技改維修項目管理等工作；

王明欽（1985），男，工程師，主要從事變電檢修、電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓防護、電力系統(tǒng)防雷等工作。