顺北油田二区变电站35kV电压互感器烧毁故障分析

魏 斌 蒲 军

顺北油田二区变电站35kV电压互感器烧毁故障分析

魏 斌 蒲 军

（中石化西北油田分公司，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841600）

油田电网运行中，35kV系统和10kV系统为中性点经消弧线圈接地系统或不接地系统，在电网发展时期，系统参数可能处于谐振区，电磁式电压互感器易发生铁磁谐振现象，产生过电压或过电流，严重时会烧毁电压互感器。本文对顺北油田二区变电站35kV系统发生的3次电压互感器烧毁故障开展研究，得出电力系统处于谐振区，电压互感器铁磁谐振是造成电压互感器烧毁的原因。通过采取投入消弧线圈、应用饱和特性好的电压互感器和4PT改造等措施，有效治理了铁磁谐振。

铁磁谐振；消弧线圈；励磁特性

0 引言

顺北油田位于塔克拉玛干沙漠北部，地下油气分布为条带式。在四条带开发初期，由于地层压力足，油井多为自喷井，顺北二区110kV变电站早于油气处理站而建设，其35kV配电网处于轻载状态，容易发生电压互感器（potential transformer, PT）铁磁谐振，严重时3次造成35kV电压互感器烧毁 故障。

1 顺北油田电网简介

顺北油田电网的电源引自新疆阿克苏沙雅县220kV海楼变电站。当前，顺北油田电网由3座110kV变电站、110kV输电网、35kV配电网和10kV配电网组成。110kV输电网由3级两回110kV线路串联，线路长度共计223km。各110kV变电站分35kV线路和10kV线路配电。电网总容量110MV∙A，年均负荷26.8MV∙A。

1.1 顺北二区变电站电网结构

顺北二区变电站为110kV预制舱式变电站，两台主变容量为20MV∙A，均为三圈变压器，主变联结组标号为YNyn0D11。

变电站110kV系统为大电流接地系统，35kV系统为经消弧线圈接地系统，10kV系统为不接地系统。

顺北二区变电站的35kV系统由变压器35kV三相绕组、母线、断路器、电磁式电压互感器、电力线路、电缆和消弧线圈等组成[1]。顺北二区变电站简化主接线如图1所示。

图1 顺北二区变电站简化主接线

1.2 35kV配电网系统参数模型

通过对变电站主要系统元件参数进行整合，建立35kV系统参数模型如图2所示。

图2 35kV系统参数模型

若消弧线圈未投入，则电压互感器绕组同系统对地电容组成串联回路[2]。若消弧线圈投入，则电压互感器绕组、系统对地电容并联后，再与变压器35kV绕组、主变中性点的消弧线圈绕组组成串联回路[3]。各元件参数值如下。

1）消弧线圈参数：容量630kV∙A，共9档，补偿电流8.8～28A，电抗值774.5～2 525.9W。

2）电压互感器感抗值：经试验，电压互感器的励磁感抗值为260kW。

3）35kV系统容抗值：35kV系统估算容抗为a/Cz=2 696W，其中系统额定电压a为37.5kV，Cz为系统总容性电流。

35kV线路有两条，共长59.3km，估算电容电流为5.93A；出线电缆两条，共长0.4km，估算电容电流为1.18A，35kV系统容抗值的具体计算如下：

线路电容电流C1=5.93A+1.18A=7.11A，电力设备电容电流C2=0.13×7.11A=0.92A，系统总容性电流Cz=C1+C2=8.03A，系统总容抗C=37 500V÷1.732÷ 8.03A=2 696W。

2 故障过程

2.1 故障前系统运行方式

谐振时顺北二区变电站电网运行方式如下：两台主变并列运行，110kV母联合位，35kV母联合位，主变中性点的35kV消弧线圈退出。两条35kV线路合计带载85kW。

2.2 故障经过

1）2022年7月11日，油田电调后台报顺北二区变电站35kV Ⅰ段和Ⅱ段30越限，通知电力值班人员现场巡视。电力值班人员对35kV电压互感器本体、保护装置、故障录波和监控后台等进行巡视检查，发现35kV Ⅱ段A相二次电压已降至40V左右，同时闻到35kV Ⅱ段PT柜有烧焦气味，停电检查发现35kV Ⅱ段A相PT烧坏。

2）2022年9月16日，油田电调后台报顺北二区变电站35kV Ⅱ段电压30电压异常、A相电压降低。电力值班人员现场巡视发现，35kV Ⅰ段PT A相熔断器熔丝熔断，A相PT烧坏，高压中性点消谐电阻烧坏。

3）2022年9月27日，油田电调后台报顺北二区变电站35kV C相电压降低。电力值班人员现场检查发现，35kV Ⅰ段C相PT匝间短路烧坏，高压中性点消谐电阻烧坏。

3 故障原因查找

故障发生后，电力检修人员对电压互感器本体、二次回路等进行检查，同时调阅消弧线圈装置与故障录波器记录，情况如下。

3.1 电压二次回路的检查

进行二次回路电缆的绝缘试验和短路检查，试验合格，排除二次回路故障。

3.2 35kV电压互感器本体试验

对未烧毁的电压互感器进行试验[4]，试验数据如下。

1）绝缘、耐压测试数据

电压互感器绝缘测试数据见表1，耐压测试数据见表2。从表1和表2可以看出，绝缘测试数据满足国家电网DL/T 596—2021《电力设备预防性试验规程》规定的一次绕组对二次绕组及地绝缘电阻≥2 500MW，二次绕组之间及对地绝缘电阻≥1 000MW；耐压测试数据满足出厂试验值的80%。

表1 电压互感器绝缘测试数据

表2 电压互感器耐压测试数据

2）直流电阻和励磁感抗测试数据

电压互感器直流电阻测试数据见表3。电压互感器的一次绕组分A、B、C三相，采用星形联结；二次绕组分A、B、C三相，每相有四个绕组，分别为1-1n，2-2n，3-3n，d-dn（=a, b, c），其中d-dn绕组采用开口三角形联结，其余绕组采用星形联结。电压互感器一次绕组的感抗为L=260kW。

直流电阻测试数据满足国家电网DL/T 596—2021《电力设备预防性试验规程》规定，感抗值偏小，同等规格电压互感器感抗值在MW级。

表3 电压互感器直流电阻测试数据

3）励磁特性试验数据

电压互感器励磁特性试验数据见表4。励磁特性满足1.9n（n为二次额定电压100V）电压无拐点要求，但电压互感器的额定容量为40V∙A，极限容量为100V∙A，小于1.9n的实际容量277.41V∙A。

表4 电压互感器励磁特性试验数据

3.3 故障录波调阅

7月11日的故障录波如图3所示，其余两次故障录波曲线变化特征与之相同。故障录波数据见 表5。

图3 7月11日故障录波

表5 故障录波数据

从表5可以看出，35kV PT烧坏前，30逐步升高，从4.66kV升高到8.39kV，三相电压不平衡度逐渐增大。

4 故障分析

4.1 铁磁谐振产生原理

1）35kV电压互感器铁磁谐振原理

PT铁磁谐振曲线如图4所示，系统正常运行时，电压互感器未饱和，感抗大于容抗，工作在a点，此时回路呈感性，电容、电感电压较低，回路电流较小，是非谐振工作点。当某相电压互感器过电压饱和后，感抗降低，并联回路的工作点从a点上升到b点，由于b点不稳定，跳跃至c点，即稳定的铁磁谐振点。

图4 PT铁磁谐振曲线

2）铁磁谐振的参数范围

查阅国内对各种谐波振荡条件的模拟试验，随着系统容抗与系统感抗比值CL的增大，依次发生1/2分次谐波、基波和3次谐波的谐振，同时所需的谐振回路电压X也逐渐增大，得出谐振范围为CL＜0.01。

3）铁磁谐振的激发条件

电网35kV系统出现扰动，如电压互感器突然合闸、电网中单相接地故障突然消失时，弧光接地自动熄灭、线路断线和系统电流电压变化等激发谐振[5]。

4）铁磁谐振后的电压电流现象

铁磁谐振导致中性点位移电压，35kV电压不平衡[6]。铁磁谐振发生后，电压互感器三相绕组因承受电压不同，某相铁心饱和，电感变小，该相对地导纳呈感性，电压互感器另两相电压低，呈容性，每相对地总阻抗不相等，且三相对地阻抗不平衡程度越大，n越高，中性点电压出现偏移，其计算公式如式（1）所示，中性点电压相量偏移如图5所示。

图5 中性点电压相量偏移

中性点位移电压升高后，三相导线的对地电压等于各相电源电势与中性点位移电压的相量和。相量叠加的结果是单相电压降低，两相电压升高。电压降低幅度与不平衡度t有关。

5）铁磁谐振的危害及现象

谐振分为工频、高频、分频谐振三种形式。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。工频谐振过电压与电网发生单相接地时的现象相似，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[7]。

4.2 电压互感器烧毁原因分析

1）首先根据1.2节的35kV配电网系统参数模型，在故障前与故障后的运行方式下，估算系统元件参数值，判断35kV系统是否处于谐振区。

顺北二区35kV系统在电压互感器烧毁期间，未投入消弧线圈，电压互感器和系统对地电容组成串联回路。根据PT励磁感抗L为260kW，系统容抗C为2.7kW，C/L=0.01，刚好进入谐振区[8]。

2）其次查找电网是否有谐振激发条件：查阅顺北电力运维班组的运维记录，3次电压互感器烧毁前，电网有两次单相接地恢复，有一次倒闸操作，说明故障前35kV系统具备扰动条件。

再结合3.3节的故障录波可知：电压互感器烧毁前，30逐步升高，最高到10.83kV，三相电压不平衡。以上现象符合电压互感器饱和发生铁磁谐振过电压的特征，即35kV电压互感器励磁饱和，感抗降低，中性点电压升高。

3）电压互感器铁磁谐振发生期间，顺北35kV线路有功功率为225kW，无功功率为326kvar，电流为5.8A，回路损耗很小，阻尼小，满足系统空载和轻载容易发生谐振的条件。

综合以上数据和分析，可以得出顺北二区变电站35kV电压互感器烧毁是因为铁磁谐振，发生铁磁谐振同系统运行方式处于谐振区、系统处于轻载运行状态和电网具备谐振激发条件有关。

另外，该变电站为预制舱式变电站，35kV开关柜为SF6充气柜，柜体尺寸较真空断路器柜体尺寸小。35kV电压互感器受限于柜体尺寸，结构紧凑，发生铁磁谐振后，热量不易散发，导致电压互感器和保险同时烧毁。

5 铁磁谐振治理措施

根据上述分析结论，先后采取如下措施：

1）首先联系电调改变35kV系统中性点接地方式，投入35kV消弧线圈[9]。由于消弧线圈为预补偿，35kV系统从串联谐振回路变为电压互感器绕组同系统对地电容并联后，再与变压器35kV绕组和主变中性点的消弧线圈组成串联回路，打破了串联谐振条件，同时系统单相接地有扰动时，能提前补偿电容电流，消除弧光短路，消除谐振激发条件。

2）联系厂家更换饱和特性好的电压互感器，阻抗为MW级，励磁特性拐点＞1.9n，伏安极限输出＞300V∙A；同时研究将电磁式电压互感器改造成电容互感器[10]，从谐振发生原理上消除谐振可能。

3）研究并进行电压互感器4PT联结改造[11]，增大回路电抗，打破C/L＜0.01的谐振条件。

4）通知倒闸班，优化倒闸操作方式，即投空母联时，先将PT退出，投入母联后，再投入PT，防止满足激发条件[12]。

5）同电调自动化班联系，加强系统监控手段，根据电压互感器铁磁谐振发生前，35kV系统会产生零序电压越限和相电压不平衡等现象，在电调系统设置遥测越限报警，实现早发现早干预。

综合采取以上治理措施后，经过1年多的运行检验，顺北二区变电站35kV系统未再发生电压互感器因铁磁谐振烧毁的故障。

6 结论

在油田电网建设时期，部分变电站的35kV系统或10kV系统每年新建电力线路，电网参数处于变化状态，可能进入谐振区，且接地方式为不接地或经消弧线圈接地，容易激发电压互感器铁磁谐振，如塔河油田发电一厂35kV系统的电压互感器一次保险频繁熔断。同新疆喀什地方电网、阿克苏地方电网交流，部分电网在轻载时，容易发生电压互感器铁磁谐振故障。

因此，在变电站设计阶段应考虑此问题，估算线路参数，提前采取预防措施，如使用电容式电压互感器，使用成熟的4PT以增大感抗，35kV母线安装电容进行系统参数调整等措施。

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Analysis on the burning fault of 35kV voltage transformer in the second district of Shunbei oilfield

WEI Bin PU Jun

(Sinopec Northwest China Petroleum Bureau, Bayingolin Mongolian Autonomous Prefecture, Xinjiang 841600)

During the operation of power grid in the oilfield, the 35kV and 10kV systems are neutral grounded or ungrounded systems through arc suppression coils. During the development period of the power grid, the system parameters may be in the resonance zone, and electromagnetic voltage transformers are prone to ferromagnetic resonance, generating overvoltage or overcurrent. In severe cases, the voltage transformers may be burned out. In this paper, three voltage transformer burn-out faults occurred in Shunbei No.2 substation are studied. The conclusion is drawn that the power system is in the resonant region, and the ferromagnetic resonance of voltage transformer is the cause of voltage transformer burn-out. By adopting measures such as investing arc suppression coils, applying voltage transformers with good saturation characteristics, and renovating 4PT, ferromagnetic resonance is effectively controlled.

ferromagnetic resonance; arc suppression coil; excitation characteristic

2023-10-09

2023-12-17

魏 斌（1975—），男，甘肃省天水市人，本科，高级工程师，主要从事油田电网运维管理工作。