中压电压互感器高压侧熔断器熔断故障分析及解决措施

王仓继 王建荣 罗雪红

摘 要：为了改善电压互感器的运行环境及电网系统的稳定性，提高供电可靠性，尽量地减少电压互感器一次熔丝熔断的事件发生，文中基于区域中压电网各变电站电压互感器高压侧熔断器熔断故障情况，结合负荷性质、电压等级、消谐装置配备情况，对互感器高压侧熔断器熔断故障典型机理进行研究和分析，给出了差异化的解决措施，得出从网络结构、在线监测、运行方式、设备选型等多层次考虑不同的改善与治理方法，可以減低电压互感器高压侧熔丝熔断事件的发生，提高系统供电可靠性。

关键词：电压互感器;高压熔断器;铁磁谐振;消谐装置;在线监测;网络结构

中图分类号：TP29文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）09-0-05

0 引 言

中压配电网是电力系统一个重要环节。电压互感器是配电系统实现保护、测量、计量与控制的采样装置。传统电磁式电压互感器原理与变压器原理相同，由线圈和铁芯组成。而电压互感器内的铁芯的伏安特性是非线性的，存在饱和现象，导致电压互感器电压变化时，引起电流激增，超过熔丝额定电流值，从而导致其高压侧熔丝熔断。电压互感器高侧熔断器熔断事件，引起电力系统虚假接地，致使变电站综合自动化系统误报接地故障;同时电压互感器开口三角处电压异常升高，引起保护装置误告警或误动做，造成运维人员及监控人员对设备运行状态的误判断;结果会导致保护、测量采样信号失效，控制计量设备无法正常计量等问题;更有甚者会因绝热过程导致电压互感器烧毁。

为此，有必要对电磁式电压互感器高压熔断器熔断的现象开展专题研究。由于电压互感器高压侧熔断器的熔断涉及到系统谐波、电容电流、熔丝质量、消谐装置、负荷性质、系统接地方式及故障接地等因素，国内外对于电压互感器高压侧熔断器频繁熔断故障的研究及治理一直未有行之有效的办法。

近几年的通过调查研究表明，随着配电网拓扑结构的变化，电压互感器高压侧熔断器经常性熔断的问题越来越突出。所以，为了改善电压互感器的运行环境及电网系统的稳定性，提高供电可靠性，尽量地减少电压互感器一次熔丝熔断的事件发生，本文通过对区域电网电压互感器运行条件及其一次熔断器熔断情况的调查、统计和分析，整理并提出了整改措施及方案。

1 故障情况统计分析

1.1 统计

2018年1—8月，某区域电网所属的22座10～35 kV变电站共发生电压互感器高压侧熔断器熔断故障38次，其中：35 kV电压互感器高压侧熔断器熔断31次、10 kV YH高压侧熔断器熔断7次，并且随时间有陆续上升的趋势。具体情况的统计数据如图1所示。

结合其中16座变电站的地理分布情况，根据《2018年度电网结构变化及运行方式安排》，对16座变电站的上级电源及各站所属供电区及熔断情况进行了统计，详情如图2所示。

经过对这16座变电站的一二次消缺措施进行排查发现：大部分变电站一、二次消谐装置配置到位。白水变电站YH高压侧未安装消谐器;门公变电站YH高压侧未安装消谐器、低压侧未安装二次消谐装置;黑池变未安装二次消谐装置。

1.2 分析

1.2.1 统计分析

（1）目前区域YH高侧熔断器熔断情况分布如下：

大荔区域：35 kV寺前变电站、35 kV赵渡变电站熔断2次，其中35 kV YH熔断1次，10 kV YH熔断1次。澄县区域：110 kV东雷变、35 kV洽川变、35 kV防虏寨变、35 kV冯原变、35 kV新赵变、35 kV林皋变共计熔断8次，其中35 kV YH熔断8次，10 kV YH熔断0次。富平区域：35 kV淡村变、35 kV王寮变、35 kV留古变、35 kV薛镇变、35 kV新兴变、35 kV南韩变、35 kV美原变、35 kV吕村变共计熔断18次，其中35 kV YH熔断15次，10 kV YH熔断3次。通过以上统计分析可见：仍有16座变电站在1—8月之间发生了28次高压侧熔断器熔断故障，其中大荔占比7.14%、澄县占比28.57%、富平占比64.28%。由此可见富平区域的YH高压侧熔断器熔断次数远远大于其他两个运维区域。具体数据统计分析如下：

富平变供电区域：共发生YH高侧熔断器熔断12次，占总比42.82%，其中35 kV YH高侧熔断器熔断9次，10 kV YH高侧熔断器熔断3次。高明变供电区域：共发生YH高侧熔断器熔断4次，占总比14.29%，其中35 kV YH高侧熔断器熔断3次，10 kV YH高侧熔断器熔断1次。西庄变供电区域：共发生YH高侧熔断器熔断4次，占总比14.29%，其中35 kV YH高侧熔断器熔断4次，10 kV YH高侧熔断器熔断0次。桥陵变供电区域：共发生YH高侧熔断器熔断8次，占总比28.57%，其中35 kV YH高侧熔断器熔断8次，10 kV YH高侧熔断器熔断0次。

（2）个案分析

35 kV段家变电站35 kV YH高侧熔断4次，经排查发现二次消谐装置二次接线松动，导致装置功能无法实现，对接线紧固后至今未再发生YH高侧熔断器熔断现象。110 kV南庄变电站自2017年9月15日至今共发生3起电压互感器绝缘击穿、爆裂事件，由于采用半绝缘互感器，承受谐振能力有限，造成接连发生YH绝缘击穿事件，目前临时采用全绝缘互感器更换。110 kV石川河变电站于2018年3月26日发生地埋电缆挖断故障，导致断线处弧光接地、短路，引起10 kV YH间隔过电压保护器绝缘击穿、爆裂，进而发生10 kV YH高侧熔断器熔毁、YH绝缘损坏击穿事件，更换后至今再未再发生保险熔断及YH故障。

1.2.2 机理分析

根据发生YH高压侧熔断器频繁熔断故障的变电站在供电区域的分布情况可以看出，YH高压侧熔断器熔断故障主要集中发生在富平变供电区域和桥陵变供电区域。两供电区共发生高侧熔断器熔断事件20次，占比71.39%，其中35 kV YH高侧熔断器熔断17次，10 kV YH高侧熔断器熔断3次。根据YH内部结构、运行参数及特性，结合以上统计分析，现将引起YH高侧熔断器频繁熔断的主要原因汇总如下：

（1）谐振过电压引起熔断

在小电流接地系统中，当一相接地时，因未形成回路，故接地电流较负载电流要小;在这种系统中，为了监测电网系统在运行时的对地绝缘状态，同时为向综合自动化系统中的继保装置、计量仪表、信号系统、母线电压监视装置、自动装置和远动装置提供电压，就需要在变电站各电压等级的母线上安装三相电压互感器。

而在系统运行中，往往会出现系统电压较低和系统电压过高的异常运行状态;在系统正常运行时，YH铁芯不会饱和，也就不会发生中性点漂移，即中性点与地的电位是等电位。也就是说，当系统因故出现波动时，YH铁芯电感受到“刺激”，发生磁饱和现象，破坏了电路的对称性，使中性点发生漂移，进而形成了铁磁谐振过电压。也就是说当系统电压低时：YH铁芯未饱和，此时电容电流大于电感电流，如果在此时出现中性点电压漂移，那么由于感抗大于容抗，所以不具备引起谐振的环境;而一旦系统电压忽然升高，由于YH铁芯饱和，会导致电感电流大于电容电流，此时感抗在不断降低，当感抗降低到与容抗等值时，便会产生谐振;这个时候，电感、电容两端都会呈现高电压，电路中励磁电流快速增大，此时的励磁电流有可能会达到额定电流的数十倍，直接导致YH高压侧熔断器熔断，甚至引起YH烧毁。

图3中的伏安特性曲线在是一定频率下，分别描述系统纯容性或感性的典型特征，其中感性负载伏安特性曲线可分为线性段及非线性段。若系统负载参数合理，均工作在线性区域，属于设计的理性运行状态，如图3中曲线2所示。曲线1表明，系统参数使得电压互感器工作在饱和区，可能引起谐振;曲线4表明系统容性电流较小，曲线3，5表明系统容性电流较大，系统均不会發生谐振。系统参数与电网运行方式相关，即对一个稳定的拓扑网络，设计合理谐振发生的概率会较小，但对于发展中的电网或运行方式调整情况下，就会导致谐振发生的可能。另外，系统参数与系统中性点接地方式相关，与中性点接地小弧线圈参数与补偿度有关。

（2）弧光接地引起熔断

中性点不接地系统中，当有一相出现接地时，会伴有电弧。而因为电容、电感的存在，就极有可能在线路的某一段发生波动振荡。当出现电流振荡零点或工频零点时电弧有几率暂时熄灭，接地也会暂时恢复正常，而此时，由于接地相电压逐渐恢复升高电弧有可能再次燃起，这就是间歇性弧光接地。

针对间歇性弧光接地，分析如下：如果在电网系统内发生接地并产生了间歇性得弧光接地，那么此时便会引起低频饱和，导致YH高压侧熔断器熔断。除系统谐振导致电压互感器高压侧熔断器的熔断外，根据相关资料可知，当系统对地电容较大时系统在发生间歇性电弧接地或接地消失时，在整个恢复过程中，非故障相所存储的对地电容电荷将会重新分配，这时便会通过YH中性点的接地点在YH的一次绕组中形成回路，产生低频振荡电压，导致运行中的YH铁芯达到饱和状态产生饱和电流，饱和电流会在单相接地消失后的1/4至1/2工频周期内出现，这时的电流值将远远大于分频谐振电流，而分频谐振电流一般大于额定励磁电流近百倍，频率为2～5 Hz。此时的饱和电流呈现高幅值和作用时间短的特性，通常在单相接地消失后的半个周期内就可以熔断熔丝，可见故障恢复后的电容放电冲击电流是主要原因。

典型中压电力系统的等值电路如图4所示，从电荷守恒的视角分析如下：系统正常运行时，三相总电荷之和为0，当系统发生单相接地时，其余两相电压升高至线电压，从电场理论分析可知，相当于健全相增加了电荷量，通过系统形成电容电流维持新的单相接地状态的平衡。当单相接地故障恢复后，接地点断开，系统内的电荷重新在系统内平衡，多余电荷在系统内靠电压互感器回路泄放，直至为零。如瞬间单相接地故障频繁发生，电流就会叠加，从而导致熔丝熔断。

（3）负荷侧电压低引起熔断

配电系统由于供电半径过大，而导致负荷侧电压偏低，为保证未端变电站电压处于合格范围内，调控部门会通过远方调压的方式使上级变电站得电压处在上限运行，造成上级变电站电压偏高。在这种工况下，电压的突然升高会导致出现很大的励磁涌流，造成该相YH磁路饱和，此时，励磁电感减小，中性点出现位移电压。而由于YH铁芯的磁饱和，造成电流、电压波形的波动变异，从而产生了谐波，导致YH高压侧熔断器熔断。

2 改善与治理措施

经过以上的调查、统计和分析、总结可知，YH高压侧熔断器频繁熔断的故障只能通过提高电压互感器及熔丝质量、提高互感器铁芯磁饱和度、增加和完善消谐措施以及减少容易引起系统波动的电气操作，因此应尽量的抑制和减少熔断次数，但是YH熔断器熔断的情况却难以杜绝;而如何才能抑制和减少YH高压侧熔断器的熔断次数，作者认为可以从以下几个方面去进行完善改进。

2.1 优化配电网架设计供电半径趋于合理，合理调度优化运行方式

采用网格化模式，合理布局电源，优化电网结构，从物理参数上避免谐振。改变运行方式时，需要校验谐振的边界条件。

2.2 改进配置，采取技术与装备手段消除隐患

中压系统配置自动调谐的消弧线圈、避免弧光接地过电压持续产生;针对未采取消谐措施的电压互感器，应安装一次消谐器及二次消谐装置，以此来改善YH的励磁特性，从而提高铁芯磁饱和度。

2.3 采用电子式互感器或改善电磁式互感器铁芯伏安特性

电子式互感器与系统隔离，不存在铁芯饱和现象，在一二次融合的规则指导下，在中压系统可以推广使用;优化电压互感器选型，选择全绝缘型、磁饱和强度高及伏安特性线性度较好的铁芯;高压侧熔断器熔丝应选择装设充填硅砂的熄灭电弧性能优异的瓷管熔断器。

2.4 实施差异化治理措施

（1）谐波在线监测。由于电网系统内的一些大厂、大矿生产运行时，尤其是电弧炉运行时会产生谐波，造成YH铁心饱和。建议对供电区域内的工矿企业进行谐波检测，检测企业用户在设备生产运行过程中产生的谐波量否在合格范围内，如果谐波量超过了允许值，那么可以采用改变用户侧变压器接线方式的方法，达到抑制和消除谐波的目的。使因用户设备运行生产产生的谐波在用户侧得到消耗，如变压器接线方式为Y/Y接线的，可改为Y/△接线，以使大量的谐波不至于传送至整个电网系统，影响系统网络的稳定运行。

（2）及时调整系统存量的消弧线圈容量配置。基于渭南地区的电网结构，结合不断增加的长距离线路，开展系统对地电容电流测试。根据电容电流值情况，考虑增加变电站消弧线圈容量，通过投、退消弧线圈改变补偿量，对产生谐振的条件进行改善，从而减少谐振的产生。

（3）提高中性点阻抗。在电压互感器高压侧绕组中性点接入一只单相电压互感器，经过这只单相YH进行接地，也就是说在系统的中性点接入高阻抗，使YH的等值阻抗有效增加。这样，在系统发生单相接地故障时，零序电压将大部分施加在这只单相YH上，使YH不易发生磁饱和，避免铁磁谐振的发生。

3 结 语

本文在现场调研和查阅大量相关文献的基础上，分析了近期某区域電网电压互感器高压侧熔断器熔断事件，针对电磁式电压互感器一次侧高压熔断器熔断问题进行了统计与理论分析，根据研究结果提出了差异化解决办法。指出了从网络结构、在线监测、运行方式、设备选型等多层次考虑不同的改善与治理方法，可以减低电压互感器高压侧熔丝熔断事件的发生，提高系统供电可靠性。

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