35kV及以下电压互感器运行中的常见故障分析及研究

张斌卫，曹喜生

（1.天水长开互感器制造有限公司，甘肃天水741018；2.大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室，甘肃天水741020）

1 引言

在电力系统中，电压互感器作为一种仪用变压器，是一、二次系统的重要联络元件，它能正确地反映电气设备的正常运行和故障情况，目前在我国35kV及以下的电力分配网络中，由于广泛采用中性点非有效接地方法，过电压现象出现的概率比较大，而过电压所造成的电力设备的绝缘故障，其中电压互感器保险丝及熔断管烧毁和互感器爆炸事故是常见的35kV及以下电网中的电力设备事故。因此，对于此类问题的研究对电力设备的安全运行具有十分重要的意义。本文对电压互感器在运行中的常见故障、成因、机理进行分析研究并提出可行性解决方案。

2 电压互感器概述

2.1 电压互感器的分类：

（1）按安装地点可分为户内式和户外式。35kV及以下多制成户内式；35kV以上则制成户外式。

（2）按相数可分为单相和三相式，35kV及以上不能制成三相式。

（3）按绕组数目可分为双绕组和三绕组电压互感器，三绕组电压互感器除一次侧和基本二次侧外，还有一组辅助二次侧，供接地保护用。

（4）按绝缘方式可分为干式、浇注式、油浸式和充气式，干式浸绝缘胶电压互感器结构简单、无着火和爆炸危险，但绝缘强度较低，只适用于6kV以下的户内式装置；浇注式电压互感器结构紧凑、维护方便，适用于3kV-35kV户内式配电装置；油浸式电压互感器绝缘性能较好，可用于10kV以上的户外式配电装置；充气式电压互感器用于SF6全封闭电器中。

（5）此外，还有电容式电压互感器。电容式电压互感器实际上是一个单相电容分压管，由若干个相同的电容器串联组成，接在高压相线与地面之间，它广泛用于110kV，330kV的中性点直接接地的电网中。

2.2 电压互感器的工作原理：

电磁式电压互感器其工作原理与变压器相同，都是通过电磁感应原理工作的，电压互感器和变压器一样均有初级线圈（一次线圈）和次级线圈（二次线圈）及铁心组成，一次和二次线圈之间使用各种绝缘材料进行绝缘。电压互感器的基本工作原理图如下图1所示：

图1 电压互感器基本工作原理图

其等值电路与变压器的等值电路也相同，基本结构也是由铁心和一、二绕组组成。特点是容量很小且比较恒定，正常运行时电压互感器本身的阻抗很小，因此时接近于空载状态。由于一旦二次绕组发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈。为此，电压互感器的一次绕组接有熔断器，二次绕组可靠接地，以免一、二次绕组绝缘损毁时，二次侧出现对地高电位而造成人身和设备事故。对于测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构，其一次绕组电压为被测电压（如电力系统的线电压），可以单相使用，也可以用两台接成V-V形（不接地型电压互感器）或三台接成“Y”形（接地型电压互感器）作三相使用。具体接线图如下图2、图3、图4所示：

图2 一台互感器用于单相线路的接线图

图3 两台互感器用于三相线路的接线图

图4 三台互感器接成Y/Y/Δ-12-11型的三相线路的接线图

实验室用的电压互感器往往是一次绕组为多抽头的，以适应测量不同电压的需要。供保护接地用电压互感器还带有一个第三线圈，称三线圈电压互感器。三相的第三线圈接成开口三角形，开口三角形的两引出端与接地保护继电器的电压线圈联接。正常运行时，电力系统的三相电压对称，第三线圈上的三相感应电动势之和为零。一旦发生单相接地时，中性点出现位移，开口三角的端子间就会出现零序电压使继电器动作，从而对电力系统起保护作用。线圈出现零序电压则相应的铁心中就会出现零序磁通。为此，这种三相电压互感器采用旁轭式铁心（10kV及以下时）或采用三台单相电压互感器。对于这种互感器，第三线圈的准确度要求不高，但要求有一定的过励磁特性（即当一次绕组电压增加时，铁心中的磁通密度也增加相应倍数而不会损坏）。此类互感器容量较小但比较恒定，正常运行时接近空载状态，但是因为电压互感器本身的阻抗很小，所以一旦发生短路电流就会急剧增加，从而导致互感器内部发热严重最终烧毁线圈。所以在选择安装地点时副边绕组连同铁心必须可靠接地，绝对不允许短路情况的发生。

一般情况下，35kV及以下电压互感器铁芯磁通密度选择：正常运行时取7000—8000高斯，系统单相接地，未接地相电压达到1.9倍额定电压时，铁芯磁通密度在14000—16000高斯，还达不到铁芯饱和程度，因此电压互感器在系统接地时不致过载运行。在运行中曾出现过烧电压互感器的事故，经试验分析，有些厂出产的电压互感器，在加上额定线电压时（即相当于系统接地时的情况），铁芯已严重饱和，有载损耗增大很多，这是烧毁电压互感器的主要原因。

3 常见的电压互感器故障及处理方法

3.1 电压互感器二次熔丝熔断

当互感器二次熔丝熔断时，会出现下列现象：有预告音响；“电压回路断线”光字牌会亮；电压表、有功和无功功率表的指示值会降低或到零；故障相的绝缘监视表计的电压会降低或到零；“备用电源消失”光字牌会亮；在变压器、发电机严重过流时，互感器熔丝熔断，低压过流保护可能误动。

处理方法：首先根据现象判断是什么设备的互感器发生故障，退出可能误动的保护装置。如低电压保护、备用电源自投装置、发电机强行励磁装置、低压过流保护等。然后判断是互感器二次熔丝的哪一相熔断，在互感器二次熔丝上下端，用万用表分别测量两相之间二次电压是否都为100V。如果上端是100V，下端没有100V，则是二次熔丝熔断，通过对两相之间上下端交叉测量判断是哪一相熔丝熔断，进行更换。如果测量熔丝上端电压没有100V，有可能是互感器隔离开关辅助接点接触不良或一次熔丝熔断，通过对互感器隔离开关辅助接点两相之间，上下端交叉测量判断是互感器隔离开关辅助接点接触不良还是互感器一次熔丝熔断。如果是互感器隔离开关辅助接点接触不良，进行调整处理。如果是互感器一次熔丝熔断，则拉开互感器隔离开关进行更换。

3.2 电压互感器一次熔断器熔断

故障现象与二次熔丝熔断一样，但有可能发“接地”光字牌。因为互感器一相一次熔断器熔断时，在开口三角处电压有33V，而开口三角处电压整定值为30 V，所以会发“接地”光字处理方法，与二次熔丝熔断一样。要注意互感器一次熔断器座在装上高压熔断器后，弹片是否有松动现象。

3.3 电压互感器击穿熔断器熔断

凡采用B相接地的互感器二次侧中性点都有一个击穿互感器的击穿熔断器，熔断器的主要作用是：在B相二次熔丝熔断的时候，即使高压窜入低压，仍能使击穿熔丝熔断而使互感器二次有保护接地，保护人身和设备的安全，其击穿熔断器电压约500V。故障现象与互感器二次熔丝熔断一样，此时更换B相二次熔丝，一换上好的熔丝就会熔断。不要盲目将熔丝容量加大，要查清原因，是否互感器击穿熔丝已熔断。只有将击穿熔丝更换了，B相二次熔丝才能够换上。互感器一、二次熔断器熔断及击穿熔断器熔断在现象上基本一致，查找时一般是先查二次熔断器及辅助接点，再查一次熔断器，最后查击穿熔断器、互感器内部是否故障。如果发电机在开机时，发电机互感器一次熔断器经常熔断又找不出原因，则有可能是由互感器铁磁谐振引起。

3.4 电压互感器冒烟损坏

电压互感器冒烟损坏本体会冒烟，并有较浓的臭味；绝缘监视表计的电压有可能会降低，电压表，有功、无功功率表的指示也有可能降低，发电机互感器冒烟，可能有“定子接地”光字牌亮，母线互感器冒烟，可能有“电压回路断线”，“备用电源消失”等光字牌亮。

处理方法：如果在互感器冒烟前一次熔断器从未熔断，而二次熔断器多次熔断，且冒烟不严重无一次绝缘损伤象征，在冒烟时一次熔断器也未熔断，则应判断为互感器二次绕组间短路引起冒烟，在二次绕组冒烟而没有影响到一次绝缘损坏之前，立即退出有关保护、自动装置，取下二次熔断器，拉开一次隔离开关，停用互感器。 对充油式互感器，如果在冒烟时，又伴随着较浓臭味，互感器内部有不正常的噪声；绕组与外壳或引线与外壳之间有火花放电；冒烟前一次熔断器熔断2～3次等现象之一时，应判断为一次侧绝缘损伤而冒烟。如是发电机互感器冒烟，则应立即用解列发电机的方法，如是母线互感器则用停母线的方法停用互感器。此时，决不能用拉开隔离开关的方法停用互感器。

3.5 单相接地故障

现象：故障相电压降低或为零，其他两相相电压升高或上升到线电压。接地相的判别方法为：

（1）如果一相电压指示到零，另两相为线电压，则为零的相即为接地相。

（2）如果一相电压指示较低，另两相较高，则较低的相即为接地相。

（3）如果一相电压接近线电压，另两相电压相等且这两相电压较低时，判别原则是“电压高，下相糟”，即按A、B、C相序，哪一相电压高，则其下相可能接地。适用于系统接地但未断线的故障，记下故障象征就可以避免检修人员盲目查线。

3.6 铁磁谐振

铁磁谐振就是由于铁心饱和而引起的一种跃变过程，系统中发生的铁磁谐振分为并联铁磁谐振和串联铁磁谐振。激发谐振的情况有：电源对只带互感器的空母线突然合闸，单相接地；合闸时，开关三相不同期。所以谐振的产生是在进行操作或系统发生故障时出现。中性点不接地系统中，互感器的非线性电感往往与该系统的对地电容构成铁磁谐振，使系统中性点位移产生零序电压，从而使接互感器的一相对地产生过电压，这时发出接地信号，很容易将这种虚幻接地误判别为单相接地。在合空母线或切除部分线路或单相接地故障消失时，也有可能激发铁磁谐振。此时，中性点电压（零序电压）可能是基波（50Hz）、也可能是分频（25Hz）或高频（100～150Hz）。经常发生的是基波谐振和分频谐振。根据运行经验，当电源向只带互感器的空母线突然合闸时易产生基波谐振；当发生单相接地时，两相电压瞬时升高，三相铁心受到不同的激励而呈现不同程度的饱和，易产生分频谐振。

图5是一个单相电感电容串联电路。在电路中，如果电感和电容的参数不匹配，不会产生串联谐振电路，将不会出现在过电流。但电感的参数是非线性的，当流经电感器的电流过大，电感的铁心逐渐饱和，其伏安特性如图6所示。

图5 单相电感电容串联电路

图6 铁磁谐振伏安特性曲线

图中UL（i）为电感伏安特性曲线。电感一般工作在伏安特性曲线启动时的直线部分，当碰到电压过电流的时候，运行点将沿曲线上升到非线性部分。当运行点上升到电感和电容的伏安特性曲线的伏安特性曲线的交点，将导致一个串联谐振。图3电路的串联谐振电感和电容的组合是等效的电线，电路中的电流在理论上为无限大，这是简单意义上的铁磁共振。

在中压电网中，电压互感器直接安装在母线上。因呈容性的电路会与互感器电感组成零序回路，系统等值图如图7所示。

电力系统运行和实验表明，当电压互感器电感和线路的电容匹配，在一定条件下（如空载母线封闭、瞬时短路故障消失，这些条件可能会导致互感器铁心饱和），会产生不同频率的铁磁共振。由于电压互感器是三相电器，所以它引起铁磁共振是一个三相铁磁谐振。

图7 三相等效电路

电力系统运行和物理仿真结果表明，当供电给负载总线切换时合闸最容易出现，倍频谐波共振；有时当变电站出线是很短的时候，也可能发生谐波共振。电压下降所造成的负荷电流很小，甚至没有，所以电压往往较高，其主要危害是高过多，往往造成的主要设备绝缘击穿或爆炸，后果很严重。3倍频共振主要用于三相电压的增加。

基本共振的通常形式是2相电压上升，1相电压降低。由于基本共振频率与工频电压是相同的，容易获得能量的电源，所以基本共振能产生大电流，有时很强，比较容易造成互感器爆炸。分频共振表现为2相电压的增加，其主要危害也产生电流。分频谐振所造成的过电流没有基本共振电流大，但也往往超过热稳定性的电压互感器允许电流值，长期的分频共振效应也可能烧毁互感器。

互感器在空载状态运行时，在电力系统中，特别是在35kV及以下非接地系统中存在着大量的储能元件，很容易发生铁磁谐振的情况。由于铁心的饱和和引起电感量的变化，当铁心的感抗XL与线路对地容抗XC接近或相等时，就会引发并联铁磁谐振。造成铁磁谐振的首要条件是电路中非线性电感元件，其中电路参数的突变，如单母线接地，负载的突然变化或短路以及供电变压器的三次谐波等。一般发生这种情况时会导致互感器内部绕组过热，从而引发互感器烧毁或爆炸。

从技术上考虑，为了消除铁磁谐振，可以采取以下措施：选择励磁特性好的电压互感器或改用电容式电压互感器；在同一个10kV配电系统中，应尽量减少电压互感器的台数；在三相电压互感器一次侧中性点串接单相电压互感器或在电压互感器二次开口三角处接入阻尼电阻；在母线上接入一定大小的电容器，使容抗与感抗的比值增大，避免谐振；系统中性点装设消弧线圈；采用自动调谐原理的接地补偿装置，通过过补、全补和欠补的运行方式，来较好地解决此类问题。自动调谐接地补偿装置能够实现全补偿运行或很小的脱谐度，主要是由于在消弧线圈的一次回路中串入了大功率的阻尼电阻，降低中性点谐振过电压的幅值使之达到相电压的5%-10%。可在消弧线圈的一次回路中串入大功率的阻尼电阻，增大阻尼率的措施来达到。消弧线圈的脱谐率与电压及电网的阻尼率有关，当电网形成后其不对称电压基本是个固定值，消弧线圈为保证在单相接地时有效地抑制弧光过电压的产生，要求脱谐率达到5%以内，那么只有改变阻尼率，才能改变位移电压，因此应当在消弧线圈回路串入电阻，保证阻尼率，控制中性点位移电压。在低压电网中由于中性点不对称电压很小，为提高测量精度采用特制的中性点专用互感器，提高检测灵敏度；非线性电阻的采用对欠补偿下的断线过电压和传递过电压都有明显的抑制作用。

4 电压互感器故障案例及分析

案例一：2014年7月，某供电公司110 kV变电站发生10kV母线电压互感器一次侧三相熔丝因雷击谐振熔断的故障，10kV系统为中性点不接地系统。事后检查，发现中性点所接消谐电阻正常，中性点绝缘正常，励磁特性在正常范围，二次回路绝缘正常，更换高压熔丝后，电压互感器又恢复正常运行。雷击时工频和高频铁磁谐振过电压的幅值一般较高，可达额定值的3倍以上，起始暂态过程中的电压幅值可能更高，危及电气设备的绝缘结构。工频谐振过电压可导致三相对地电压同时升高，或引起＂虚幻接地＂现象。分频铁磁谐振可导致相电压低频摆动，励磁感抗成倍下降，过电压并不高，一般在2倍额定值以下，但感抗下降会使励磁回路严重饱和，励磁电流急剧加大，电流大大超过额定值，导致铁心剧烈振动，使电压互感器一次侧熔丝过热烧毁。

可见，一次内部绝缘对于高电压等级的电压互感器十分重要。建议制造厂改变设计，加强最下节瓷套和油箱电磁单元电气连接部分的绝缘强度，严格设计工艺，保持各连接线对地及器件之间的距离，必要时由裸导线更换为绝缘导线（或进行绝缘包扎），严格出厂试验和外协器件的质量把关，确实有效地防止类似故障的发生。

由以上案例可以看出，我国35kV及以下系统是中性点不接地系统，在不投入消弧线圈的运行方式下，易发生由于单相接地造成的系统过电压，尤其是弧光接地过电压。这样就会出现两相电压升高、一相电压降低的现象。而互感器内部采用速饱和特性铁心，在此电压作用下出现饱和，产生1/3次谐波，导致自身谐振。频繁的接地会使阻尼电阻长期消谐而最终发热烧断。失去阻尼后，再出现过电压，避雷器就会动作，并很快击穿而失效。此时一次电流迅速增大，而且幅值很高，产生大量热量。累积效应使绝缘材料的温度不断增加，最终热击穿。

5 结束语

电压互感器是发电厂、变电站等输配电系统中不可缺少的电器元件，它是一次与二次电气回路之间连接的重要设备，在电力系统中起着至关重要的作用。而随着电力系统复杂程度的不断增加，电压互感器在运行时所发生的故障及异常也层出不穷。本文对35kV及以下电压互感器在运行中常发生的故障及异常进行了总结和分析研究，希望能对日后电力系统的维护与建设起到一定的帮助作用。