电压互感器一次绕组匝间短路处理方法研究

吴久才

（国家电投集团协鑫滨海发电有限公司，江苏 盐城 224500）

0 引 言

电压互感器是电力系统的重要组成部分，其在电力系统中的作用往往是调节电压的状态。现在电力系统负荷大和电压不稳定的情况经常发生，可以利用电压互感器来解决，其是维持电力系统稳定性的核心[1]。

电压互感器的工作原理是电压转化，在使用时会将电压进行由高到低的转化，将电压转化为符合整个系统需求的数值，以保证电力系统的稳定运行[2]。但是其自身也会面临故障问题，一旦电压互感器发生了问题，导致不能有效地转化电压，传输的电压超过了电力系统的承受能力，那么将会带来巨大的损失，因此需要注意电压互感器的故障问题。最常见的电压互感器故障就是电压互感器一次绕组匝间短路。

为有效解决电压互感器的匝间短路问题，研究了解决电压互感器匝间短路的方法[3]。传统方法不能有效处理电压互感器的短路问题，不仅达不到解决的标准，而且处理的时间长，因此设计了新的处理方法[4]。

1 电压互感器一次绕组匝间短路处理方法设计

1.1 选取电压互感器短路绝缘介质

根据电压互感器的性能和型号，选取SF6气体绝缘型电压互感器。SF6气体属于无色、无毒且无电抗性的惰性气体，关键是它不易燃，具有很好的稳定性，即使在非常恶劣的工作环境中也具有良好效果[5]。电压互感器短路绝缘介质SF6的结构如图1所示。

图1 绝缘介质SF6的结构

SF6作为绝缘介质有其自身的优势，新型绝缘材料的探索、发展以及应用成为一项长期而艰巨的任务。所使用的电压互感器是通过外壳接地来连用，另外其内部空间极为有限，除了满足参数要求外，还必须注意设计中的电场分布[6]。

1.2 建立电压互感器一次绕组匝间短路故障模型

为了更好地模拟电压互感器的匝间短路过程，有必要了解当今电网中常用电压互感器的各个组件以及对功率有重大影响的组件数据参数。为了使结果更准确，有必要考虑实验结果来模拟实际的工作环境。电压互感器本身的数值模型决定了使用三相饱和互感器在仿真过程中实现各种参数的变化。三相饱和互感器是在设计仿真软件时专门为现代互感器的运行条件而设计的模块，该模块可以完全准确地模拟互感器的运行规律[7]。

牵引电源系统中使用的互感器是电磁电压互感器。除了初级和次级绕组的额定电压外，主要技术参数还包括额定负载、容量、极性指示、精度等级以及等效直流电阻[8]。建立的电压互感器一次绕组匝间短路故障模型如图2所示。

图2 电压互感器一次绕组匝间短路故障模型

由于额定负载根据互感器次级电路的变化而变化，因此PT次级电路的结构不同，其参考值也不同。互感器的容量意味着零负载功率因数，在不同精度级别上选择的PT额定输出容量指定为30 VA，极限输出容量指定为600 VA，极性标记是过程中必须存在的，主要是为了确保电压互感器在测量和验证接线方法时的准确性而做出的参考项，因此需要在绕组端子上标记极性点[9]。

1.3 计算电压互感器一次绕组匝间短路冲击电流

通常，电压互感器由传感干涉仪和接收干涉仪组成，用单模保偏光纤（起传光作用）将两个干涉仪连在一起。如果在中性点未接地的情况下发生单个接地故障，则可能产生磁通饱和故障，发生非饱和暂态反应[10]。这种残余现象通常存在于铁芯内部，并且此时相应的励磁电流将变得更加严重。当残差等于工作磁通时，可以得出稳定状态下磁通量的具体数值。在基本条件下，互感器一次绕组之间的短路冲击电流等于谐波电流，公式为：

式中，I代表电流量值，O代表系统电源，Z代表阻抗电压，JX代表容抗值，R代表电阻，FX代表电抗值。

1.4 在电压互感器匝间接入消弧线圈

由于电网系统结构复杂，边缘区域绝缘薄弱，容易发生接地故障，对电网运行安全构成严重威胁，因此讨论抑制互感器损坏的常用措施，包括连接消弧线圈的中性点以及一次侧连接电阻和二次侧连接电阻。在建立动态模型实验的基础上对方法进行分析和比较，指出了每种方法的优缺点，并采取相应的改进措施。

实验模拟接线图的母线按照星形连接方式连接到电路，并且需要根据电弧抑制原理将可以调节校正量的消弧线圈连接到中性点，然后再将其连接到地面。

比较连接到初级线圈电阻的波形和消弧线圈的波形，电阻连接方式与消弧线圈不同。由于连接电阻器的方法是基于消除铁磁谐振法，因此如果没有铁磁谐振，电阻器将无法工作。但是，由于电阻在某种程度上会影响电流的大小，且被广泛使用，如果电阻太大，则主要连接是互感器与地面之间的直接连接，它不影响线路电压，但是对电流有很大影响，容易出现过电流问题。因此，将合适的电阻器连接到初级线圈是系统保护的要求，在设备保护中起着重要的作用。电阻值不应太大，为了确保系统正常运行，需要限制连接电阻器以抑制浪涌电流。

1.5 进行一次绕组匝间短路二次修正

将电阻器连接到次级校正辅助绕组并将电阻器连接到次级侧，也是防止互感器损坏和影响传输和转换质量的常见措施。当发生单相接地故障时，电流变得比正常操作的电流大几倍，如果次级线圈的励磁特性不同，则不能很好地抑制涌入电流的产生。

消除引起互感器的初级绕组匝间短路的外部因素。由于电网的复杂性，许多地方的安全保护措施相对薄弱，并且在大多数情况下，损坏事件伴随着单相接地故障。因此，有必要及时检查和修理所有具有隐患的电线，以抑制涌入电流发生的问题，保护损坏的互感器，避免经常发生损坏。加强继电保护，增加保护条件，提高灵敏度。发生故障时快速断开电路，以避免二次事故和反复接地对互感器造成严重损坏。

当产品的耐热性增强时，互感器燃烧的主要原因是热量差值，因此需要提高其自身材料的耐热性，防止互感器的损坏。此外还需要改善互感器的耐热性，涌入电流发热时在一定程度上提高保护性能，使互感器可以更好地保持其正常工作。

改进互感器制造中使用的材料是提高电阻的最基本方法。材料的抗干扰能力越强越能适应复杂的外部环境。励磁性能的改善始于铁芯、线圈匝数以及新材料的使用。增加铁芯或增加铁芯的线圈匝数可减少穿过铁芯的磁通量并增加互感器的饱和度，但这也会增加材料的体积并增加制造成本。某种程度上，耐热性和耐磁性差的原材料在不改变体积的情况下可以替换，并且需要使用当前技术开发的性能优异的新材料来改善性能。

2 实 验

为了检测本文设计的电压互感器一次绕组匝间短路处理方法能否有效处理电压互感器短路问题以及与传统的处理方法相比是否具有明显优势，进行了如下实验。

2.1 实验准备

根据电压互感器特性选择合适的电压互感器型号。此次试验选取型号为JDZX 16-1的互感器，同时为了精确模拟电压互感器的特性，选用MATLAB仿真软件下的Simulink模块来进行实验。

2.2 实验结果与讨论

实验随机抽取了12条产生一次绕组匝间短路问题的线路，分别检测其采用传统短路处理方法和本文设计的电压互感器一次绕组匝间短路处理方法的处理时间，实验结果如表1所示。

表1 实验结果

由表1可知，本文设计的电压互感器一次绕组匝间短路处理方法能有效地处理电压互感器的短路问题，且经过了实验证明其处理时间低于传统的短路处理方法，具有高效性。

3 结 论

本文设计的电压互感器一次绕组匝间短路处理方法是在传统的方法基础上进行改进，根据短路故障模型来进行后续的短路故障处理。经过实验证明，本文设计的电压互感器一次绕组匝间短路处理方法能有效地处理短路故障，且具有高效性，为相关人员提供理论依据。但由于实验和现实处理有一定的差距，因此还需要根据后续实际处理的状态进行不断优化。