电压互感器高压保险频繁熔断的原因分析及解决方案的研究

王贵宾，罗辉（国网山东省电力公司日照供电公司，山东日照　276826）

电压互感器高压保险频繁熔断的原因分析及解决方案的研究

王贵宾，罗辉
（国网山东省电力公司日照供电公司，山东日照276826）

电压互感器；高压保险；熔断；铁磁谐振；低频非线性振荡

电压互感器是10 kV配电网中的重要设备。一般需要在电压互感器高压入口处安装起隔离作用的高压熔断器（也称高压保险）。电压互感器经常发生高压保险熔断的故障，导致电压互感器二次侧失压，零序电压异常升高［1-3］。国内外对上述问题都开展过相关的研究，从问题形成原因到可采取的措施等方面都有相关的资料，总体来看主要是以下几个方面［4-9］：

1）铁磁谐振。如果系统处于正常的运行状态，那么电压互感器的励磁绕组就工作一个线性的区域。此时，其具有很高的电感值。相反，如果系统处于其他的状态，比如合闸瞬间或者发生单相接地消除等大的扰动时，此时的系统就会出现所谓的“铁磁谐振”。在这种情况下，电压互感器保险熔断非常容易发生，进一步可能造成电压互感器自身的损坏。

2）低频非线性振荡。我国城市电网配电网中电缆的应用逐步成为了趋势，直接造成城市配电系统对地电容增加明显，铁磁谐振的情况已经较少发生，不过，从现场的实际情况来看，因为单相接地短路而造成的电压互感器的保险熔断和对其本身造成损坏的事故仍然较多，因为有随之而来的“低频非线性振荡”。

3）高压保险熔体自身特性。所使用的材料、物理结构和生产工艺等多种综合因素，都会让电压互感器高压保险熔体的熔断特性发生改变。由于电压互感器高压保险熔体处于一个长时间运行状态，发热会导致材料的老化，电材料自身电阻的增大，通流能力等其他性能的下降。由于电晕放电，电压互感器的熔体氧化锈蚀过程加速，在10 kV及以上配网中更加明显。

4）雷电波入侵。雷雨天气将很可能导致电压互感器高压保险熔断事故的发生。但是，在电压互感器高压保险熔断事故中，雷电波入侵造成的情况还是不多的。

综合上述，铁磁谐振、低频非线性振荡、保险本身特性和雷电入侵波是导致电压互感器高压保险的熔断主要原因［10-12］。本文针对目前10 kV配电网中电压互感器保险熔断现象依然频繁出现的现状，对现有应用较多的治理措施的原理和优缺点进行了分析。综合比较各种因素，对各种方法在应用过程中的注意事项提出了合理建议。

1　电压互感器保险熔断的原因分析

电压互感器接线方式主要有YN/yn/开口三角接法、V/V接法、Y/yn接法、三组单相电压互感器组成的YN/yn接法、单只电压互感器等形式。

1）三相五铁芯结构的YN/yn开口三角接法，如图1所示。

图1YN/yn接法Fig.1　YN/yn connection

2）V/V接法如图2所示。

3）单只电压互感器，安装在某些线路首端，监视线路电压。

配电网电压互感器高压保险熔断与单相接地短路密切相关，因此在本节中，将对铁磁谐振和低频非线性振荡进行分析，从而讨论导致电压互感器高压保险熔断的理论原因。

图2V/V接法Fig.2　V/V connection

1.1铁磁谐振

图3所示的是一个简单的回路，该单频回路能够反映出电容和非线性电感之间的影响。根据图3来求解图1回路中的电流I和各个压降。

图3 回路示意图Fig.3　Schematic diagram of the circuit

为了方便分析，我们首先设R=0，因此有：

因为U.L和U.c是相反的，所以，式（1）又可以写成：

本文采用作图法来进行分析，电容的伏安特性曲线Uc=IXc如图4（a）所示。根据U.L和U.c的特性曲线，画出ΔU与I的关系式。在I=Ij处，2条曲线相交。当I＞Ij时，U.L＜U.c，I为容性；当I＜Ij时，U.L＞U.c，I为感性。

图4　基波谐振图解法Fig.4　Graphic method of fundamental resonance

画出U=E的曲线，与ΔU相交于a，b和c三点，也就是所说的电动势平衡点。根据小干扰法的判断，b是不稳定的，在实际中，b点是不存在的；a、c两点是稳定的。

从图4中，可以看出a点是该电路的非谐振的工作点，在这一点，回路中的电流不大；相较而言，在上图中的c点是谐振的工作点，从伏安特性曲线的交点IJ来看的话，其工作区域已经超过了该点。在这种情况下，由于铁芯饱和造成了谐振过电压，系统中的电流和电压降会迅速增大。足够能量的冲击扰动是让工作点从a点移动到c点的必要条件。

电力系统中的各种故障、较短时间的非正常运行状态等都能够造成冲击扰动。在这种情形下，电压互感器的铁芯的两端的电压会有所升高，但是维持的时间并不长，会出现较大的电流振荡。不难发现，随机性很强是这种冲击扰动的特点，严重和轻微程度是有许多影响因素综合决定的，所以并不能说每次出现冲击扰动就会造成谐振出现。

图4中的电阻R是如何起作用的将在下文中进行说明。如果谐振点从C转移到C'，回路中的总的压降表达式可以写成在通常的情况下R的值是很小的，因而造成不明显的谐振点位置移动。为了消除了基频谐振发生的可能，一种方法是增大电阻R的值，让其到达非谐振工作点。其作用的结果是让图4（b）中的e点高于电动势E（曲线变为ΔU″），也就是IjR＞E。

以上仅分析了基频铁磁谐振的基本特点。如果满足一定的条件，回路压降是由谐波分量和工频分量这两个部分所组成的。

在电压等级为10 kV的配电网中，引发铁磁谐振发生最频繁的就是电压互感器的饱和这个原因，上文主要针对的是单相铁芯回路的铁磁谐振特性的分析，在下文中将对电压互感器的饱和引起的铁磁谐振进行说明。

如图5（a）所示，在母线上接有中性点直接接地的电压互感器，变压器的中性点不接地。

通过图5（a），不难得到如图5（b）所示的三相谐振接线图。在图5（b）中，电压互感器的励磁电感分别用LA，LB，LC来表示，导线和母线的对地电容用C0来表示。为了进一步分析，在m1，m2和m3处将网络打开。不难通过戴维南定理，画出等值电路如图5（c）所示。谐振只在零序回路内产生，图5（d）和图5（e）所示的谐振回路清晰可见。

电压一相降低，两相升高是发生基频谐振时的特点；如果C0很小或者很大的原因，造成发生分频谐振或高频谐振时，三相的对地电压有效值就会同时升高到

需要说明的是在分频谐振这种情况下，励磁阻抗降低，从而导致谐振频率降低。此时励磁电流将急剧上升，直接的后果就是导致电压互感器此时严重磁饱和。虽然过电压程度不高，但是持续时间过长的大电流会使电压互感器高压保险熔断甚至造成电压互感器本身烧毁。因此分频谐振是最危险的事故情形。

1.2低频非线性振荡

图5　10 kV配电网电压互感器谐振电路Fig.5　Voltage transformer resonant circuit of the 10 kV distribution network

一般来说10 kV配网的中性点是不直接接地的。因此发生单相接地短路时，自由电荷的释放是一个周期性振荡放电过程，振荡频率较低且幅值和频率均快速衰减的情形被称为低频非线性振荡。低频非线性振荡导致过电流反复出现，从而造成电压互感器高压保险熔断。

在下文的分析中，以发生A相单相接地短路为例来进行描述。那么，流过接地点的电流表达式为：，上式中，线路的一相对地电容用C来表示，电压互感器的一次绕组电感用L来表示。A相电动势Ea的表达式可以写作：ea=Emsin（wt+φ），那么接地点电流的瞬时值表达式可相应地表示为：

图6　10 kV配电网单相接地稳态等值电路图Fig.6　Single phase to earth steady-state equivalent circuit diagram of the 10 kV distribution network

图7　单相接地故障消除瞬间等值电路图Fig.7　Single phase earth fault eliminating instantaneous equivalent circuit diagram

图8　图7简化后的等值电路图Fig.8　Simplified equivalent circuit diagram of Fig.7

把图7（a）等效成图7（b）和图7（c）的叠加，进一步化简成成图8。在下文中将分析此电路的暂态过渡过程。通过Laplace变换得到：

上式中

那么电压互感器高压绕组的暂态电压表达式可以写作：

将上式逆变换得到

式（8）中，电压的强制分量如表达式中的第一项所示，其是不会衰减的。电压的自由分量如后两项所示。无法避免的是，电路中会有电阻的存在（该电阻的相对值并不大），因此电压的自由分量是要衰减的，在如下的式子中近似用衰减系数δ来表达。

上式中

φ表示初相角，通过式（9）能够得到，电压自由振荡分量的幅值与φ密切相关。在ω′＞ω的条件下，当φ=±π/2时，自由振荡的幅值是最小的；当φ=0时，自由振荡的幅值是最大的。

上式中积分常数C等于0，

式（10）可以看出自由磁链分量与初相角φ和自由振荡频率ω′有关，如式（13）所示。

自由振荡磁通的影响下，冲击电流不断地冲击着电压互感器的高压保险。

2　电压互感器保险频繁熔断解决方案

通过上述的分析可以知道，电压互感器高压保险熔断的主要原因是铁磁谐振和低频非线性振荡产生的电压互感器高压绕组过电流。并且铁磁谐振和低频非线性振荡的实质都是零序回路中电压互感器励磁电感和系统对地电容之间的电磁能量振荡。因此，10 kV配电网中电压互感器高压保险频繁熔断的现象要得到较大改善的话，就需要较好地抑制铁磁谐振和低频非线性振荡。在本节中将对目前的主要措施在应用中的注意事项提出了合理建议以及提出了相应的改进方案。

2.1使用防谐振型电压互感器

防谐振型电压互感器的外观示意图如图9所示，是专为防止发生铁磁谐振制造的，具有较强的防谐振、抗谐振能力。

图9　防谐振型电压互感器外观Fig.9　Appearance of anti-resonance voltage transformer

防谐振型电压互感器需要将10 kV电压互感器的V形接法改为Y形接法，改变了传统的计量一次接线方式，也改变了计量二次回路接线，因而改善了电压互感器的零序励磁特性，提高抗烧毁能力，消谐效果好。一体化的设计导致其体积较大，不利于安装和故障处理，误差检定困难，并且采用的是公用铁芯，需靠虑误差相互影响。更因为其增加了一只电压互感器、一个消谐线圈、二次消谐装置，成本约增加一倍，并且需配合二次消谐装置使用。

2.2使用微机消谐装置

微机消谐装置也称二次消谐器，其接线图如图10所示。微机消谐装置安装在星形连接的3台电压互感器的二次开口三角绕组上。微机消谐装置其原理大多是区分高频、基频、分频谐振，然后用电子电路实现消谐目的，其实质是对在开口三角两端接入电阻器的改进。由于原理及装置的可靠性问题，在实际应用中，运行效果并不一定能达到预期。

图10　微机消谐装置接线图Fig.10　Wiring diagram of the microcomputer harmonic elimination device

只要判断电网发生铁磁谐振时，微机消谐装置便会使并联在开口三角的元件导通，以限制和阻尼铁磁谐振。而在在正常运行或者发生单相接地故障时，则不动作。

2.3选择容性电压互感器

容性电压互感器指电容式电压互感器（电压互感器C），主要是为解决高电压等级下的绝缘问题，该类型电压互感器整体阻抗呈容性，不会发生铁磁谐振。根据电压互感器阻抗呈容性就不会发生铁磁谐振的原理，可以制造出容性电磁式电压互感器，此种电压互感器在工艺结构上，使一次绕组杂散电容、分布电容的等值容抗大于绕组的感抗，整体阻抗呈容性，不会和系统电气元件的容性阻抗产生谐振，有效的抑制谐振过电压。容性电压互感器的特点也很明显：性能稳定、运行安全可靠；能有效地抑制铁磁谐振。在2倍额定电压内对一次绕组施加电压，二次绕组接给定负载，励磁电流超前二次绕组端电压波形；多用于电压等级较高的系统中，10 kV的容性电磁式电压互感器产品很少，目前没有了解到，也缺乏实际运行经验。

2.4选择励磁特性好的互感器

电压互感器的起始饱和电压一般不低于1.2～1.4Un，励磁特性较好的起始饱和电压应不低于1.5Un。励磁特性越好发生铁磁谐振的机会越低，所以提高电磁式电压互感器的起始饱和电压可以从根本上限制或消除铁磁谐振。此种方案需购置伏安特性试验设备。励磁特性试验需要低压调压器，电压表，电流表若干，设备简单，投资小见效快；选择励磁特性好的电压互感器虽不能完全杜绝铁磁谐振，但在10 kV三相三线线路中，是解决铁磁谐振问题最经济合理的办法。

图11　电压互感器的励磁特性曲线Fig.11　Excitation characteristic curve of a voltage transformer

方案（1）和方案（2）主要适用于本身就需要电压互感器提供二次相电压的系统，而10 kV客户的高压计量只需电压互感器提供Uab、Ucb2个二次线电压，仅为解决铁磁谐振问题改变接线方式是不合适的。方案（3）可以很好地解决铁磁谐振问题，但目前没有成熟产品，应用存在一定的风险和困难。方案（4）可以有效减少铁磁谐振的发生，是从根本解决电压互感器保险频繁熔断的最佳方案。

3　总结

本文从理论上分析了由单相接地故障消除激发的铁磁谐振和低频非线性振荡产生的原因以及所带来具体影响，得到铁磁谐振和低频非线性振荡产生的电压互感器高压绕组过电流是导致电压互感器高压保险熔断主要原因的结论。进一步，针对该问题，分析了相应的治理措施，即使用防谐振型电压互感器，使用微机消谐装置，选择容性电压互感器，选择励磁特性好的互感器。并对以上4种可行方案进行比较分析，指出了各种方案适应的应用场景，认为选择励磁特性好的互感器是从根本解决电压互感器保险频繁熔断的最佳方案。本文内容对10 kV配电网中电压互感器保险熔断故障的研究具有非常重要的参考意义。

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（编辑黄晶）

Cause Analysis and Solutions for Frequent High Voltage Fusing of Voltage Transformers

WANG Guibin，LUO Hui
（Rizhao Power Supply Company，State Grid Shandong Electric Power Company，Rizhao 276826，Shandong，China）

The voltage transformer is an important device for voltage measurement and relay protection in the 10 kV power distribution network.In China's 10 kV distribution network，the voltage transformer's fuse breaks frequently，which leads to the two voltage transformer side losing voltage and the zero sequence voltage increasing.In this paper，it is found that ferromagnetic resonance，low frequency nonlinear oscillation，the characteristics of the protection device itself and the lightning invasion wave are the main causes of the fuse break.The paper studies the characteristics of ferromagnetic resonance and low frequency oscillation.Furthermore，the advantages and disadvantages of the current methods are compared in detail and comprehensive economic and technological factors of various methods are taken into consideration to obtain a best solution.The study presented in this paper has important practical significance in the study of the fusing faults of the voltage transformers in the 110 kV distribution network.

voltage transformer；high voltage fuse；ferromagnetic resonance；low frequency nonlinear oscillation；breaking摘要：电压互感器是10 kV配电网中电压测量、计量和继电保护的重要设备。在我国的10 kV配电网中，电压互感器的高压保险熔断经常发生。通过调研发现，铁磁谐振、低频非线性振荡、保险本身特性和雷电入侵波等是电压互感器高压保险的熔断主要的原因。研究了铁磁谐振和低频非线性振荡的特征，进一步，对现有应用较多的治理措施的原理和优缺点进行理论分析，从应用原理等方面进行了分析，对各种方法在提出了相应的改进方案，并对改进方案进行了对比分析，因此对10 kV配电网中电压互感器保险熔断故障的研究而言，具有重要的现实意义。

1674-3814（2016）06-0089-06

TU47

A

2013-01-25。

王贵宾（1972—），男，本科，高级工程师，研究方向为电力系统及其自动化；

罗辉（1972—），男，本科，高级工程师，研究方向为电力系统及其自动化。

国网山东省电力公司科技项目（5206171500MW）。

Project Supported by State Grid Shandong Power Company （5206171500MW）.