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電壓互感器的使用及其故障分析
上海衡誠電力工程技術有限公司   2009-09-11 06:26:37 作者:SystemMaster 來源: 文字大小:[][][]

  電壓互感器在使用中相位正確非常關鍵,這就要求接線極性一定要對應,一旦引出端子用錯,造成極性用反將會使電壓相位變化180°,因而一般其一次、二次側都會標出極性。

  電壓互感器在運行中一定要保證二次側不能短路,因為其在運行時是一個內阻極小的電壓源,正常運行時負載阻抗很大,相當于開路狀態,二次側僅有很小的負載電流。若二次側短路時,負載阻抗為零,將產生很大的短路電流,巨大的發熱會將互感器燒壞,甚至導致發生設備爆炸事故。

  在運行中為了達到對電壓互感器的良好保護,可以采取以下措施:

  (1) 二次側熔斷器是保證電壓互感器安全運行的可靠措施,必須選擇適當的熔斷器,并加裝閉鎖裝置。

  (2) 為避免開口三角繞組兩端在電壓不平衡的情況下,長時間存在較高電壓。在開口三角繞組兩端加裝并聯電阻,并聯電阻在開口三角感應出零序電壓時,使零序電流得以流通,對高壓線圈產生去磁作用,從而也能抑制諧振。

  (3) 在絕緣監察裝置回路中,為了使絕緣監察繼電器和電壓表能正確反映電網的接地故障,還必須注意與電壓互感器以及結構等有關的問題。即為了反映每相對地電壓,電壓互感器高壓側的每相繞組必須接在相與地之間,高壓繞組必須呈星形接地,而且還要有中性點接地,同時,電壓互感器的低壓側兩繞組也必須有一點接地。

  (4) 在10 kV以下配電網絡中,電源側的中性點是不直接接地的,電壓互感器的中性點接地。因此由于系統操作,開關合閘不同期及單相接地等原因,常常出現過電壓,引起電壓互感器高壓熔絲熔斷、冒煙甚至燒毀。因此必須選用伏安特性比較好的電壓互感器或在中性點加裝阻尼電阻。

  (5) 對于電容式電壓互感器,有一個末屏點,也就是一次線圈的非極性端。在運行中末屏可以采取兩種方式:一種是末屏直接接地,這樣在雷擊或者振蕩等情況下,一次側若出現過電壓可以有效防止燒毀;如果末屏不直接接地,那么必須在末屏和地之間設擊穿間隙,這樣在出現過電壓時能夠通過間隙放電而釋放。

2 電壓互感器故障處理

2.1 電壓互感器二次熔絲熔斷

  當互感器二次熔絲熔斷時,會出現下列現象:有預告音響;“電壓回路斷線”光字牌會亮;電壓表、有功和無功功率表的指示值會降低或到零;故障相的絕緣監視表計的電壓會降低或到零;“備用電源消失”光字牌會亮;在變壓器、發電機嚴重過流時,互感器熔絲熔斷,低壓過流保護可能誤動[1]。

  處理方法:首先根據現象判斷是什么設備的互感器發生故障,退出可能誤動的保護裝置。如低電壓保護、備用電源自投裝置、發電機強行勵磁裝置、低壓過流保護等。然后判斷是互感器二次熔絲的哪一相熔斷,在互感器二次熔絲上下端,用萬用表分別測量兩相之間二次電壓是否都為100
V。如果上端是100 V,下端沒有100 V,則是二次熔絲熔斷,通過對兩相之間上下端交叉測量判斷是哪一相熔絲熔斷,進行更換。如果測量熔絲上端電壓沒有100
V,有可能是互感器隔離開關輔助接點接觸不良或一次熔絲熔斷,通過對互感器隔離開關輔助接點兩相之間,上下端交叉測量判斷是互感器隔離開關輔助接點接觸不良還是互感器一次熔絲熔斷。如果是互感器隔離開關輔助接點接觸不良,進行調整處理。如果是互感器一次熔絲熔斷,則拉開互感器隔離開關進行更換。

2.2 電壓互感器一次熔斷器熔斷

  故障現象與二次熔絲熔斷一樣,但有可能發“接地”光字牌。因為互感器一相一次熔斷器熔斷時,在開口三角處電壓有33V,而開口三角處電壓整定值為30
V,所以會發“接地”光字處理方法,與二次熔絲熔斷一樣。要注意互感器一次熔斷器座在裝上高壓熔斷器后,彈片是否有松動現象。

2.3 電壓互感器擊穿熔斷器熔斷

  凡采用B相接地的互感器二次側中性點都有一個擊穿互感器的擊穿熔斷器,熔斷器的主要作用是:在B相二次熔絲熔斷的時候,即使高壓竄入低壓,仍能使擊穿熔絲熔斷而使互感器二次有保護接地,保護人身和設備的安全,其擊穿熔斷器電壓約500
V。故障現象與互感器二次熔絲熔斷一樣,此時更換B相二次熔絲,一換上好的熔絲就會熔斷。不要盲目將熔絲容量加大,要查清原因,是否互感器擊穿熔絲已熔斷。只有將擊穿熔絲更換了,B相二次熔絲才能夠換上。互感器
一、二次熔斷器熔斷及擊穿熔斷器熔斷,在現象上基本一致,查找時一般是先查二次熔斷器及輔助接點,再查一次熔斷器,最后查擊穿熔斷器、互感器內部是否故障,如果發電機在開機時,發電機互感器一次熔斷器經常熔斷又找不出原因,則有可能是由互感器鐵磁諧振引起。

2.4 電壓互感器冒煙損壞

  電壓互感器冒煙損壞本體會冒煙,并有較濃的臭味;絕緣監視表計的電壓有可能會降低,電壓表,有功、無功功率表的指示有可能降低,發電機互感器冒煙,可能有“定子接地”光字牌亮,母線互感器冒煙,可能有“電壓回路斷線”,“備用電源消失”等光字牌亮。

  處理方法:如果在互感器冒煙前一次熔斷器從未熔斷,而二次熔斷器多次熔斷,且冒煙不嚴重無一次絕緣損傷象征,在冒煙時一次熔斷器也未熔斷,則應判斷為互感器二次繞組間短路引起冒煙,在二次繞組冒煙而沒有影響到一次絕緣損壞之前,立即退出有關保護、自動裝置,取下二次熔斷器,拉開一次隔離開關,停用互感器。

  對充油式互感器,如果在冒煙時,又伴隨著較濃臭味,互感器內部有不正常的噪聲;繞組與外殼或引線與外殼之間有火花放電;冒煙前一次熔斷器熔斷2~3次等現象之一時,應判斷為一次側絕緣損傷而冒煙。如是發電機互感器冒煙,則應立即用解列發電機的方法,如是母線互感器則用停母線的方法停用互感器。此時,決不能用拉開隔離開關的方法停用互感器。

2.5 單相接地故障

  現象:故障相電壓降低或為零,其他兩相相電壓升高或上升到線電壓。接地相的判別方法為:

  (1) 如果一相電壓指示到零,另兩相為線電壓,則為零的相即為接地相。

  (2) 如果一相電壓指示較低,另兩相較高,則較低的相即為接地相。

  (3) 如果一相電壓接近線電壓,另兩相電壓相等且這兩相電壓較低時,判別原則是“電壓高,下相糟”,即按A、B、C
相序,哪一相電壓高,則其下相可能接地。適用于系統接地但未斷線的故障,記下故障象征就可以避免檢修人員盲目查線。

2.6 鐵磁諧振

  所謂鐵磁諧振就是由于鐵心飽和而引起的一種躍變過程,系統中發生的鐵磁諧振分為并聯鐵磁諧振和串聯鐵磁諧振[1,2]。激發諧振的情況有:電源對只帶互感器的空母線突然合閘,單相接地;合閘時,開關三相不同期。所以諧振的產生是在進行操作或系統發生故障時出現。中性點不接地系統中,互感器的非線性電感往往與該系統的對地電容構成鐵磁諧振,使系統中性點位移產生零序電壓,從而使接互感器的一相對地產生過電壓,這時發出接地信號,很容易將這種虛幻接地誤判別為單相接地。在合空母線或切除部分線路或單相接地故障消失時,也有可能激發鐵磁諧振。此時,中性點電壓(零序電壓)可能是基波(50
Hz)、也可能是分頻(25 Hz)或高頻(100~150 Hz)。經常發生的是基波諧振和分頻諧振。根據運行經驗,當電源向只帶互感器的空母線突然合閘時易產生基波諧振;當發生單相接地時,兩相電壓瞬時升高,三相鐵心受到不同的激勵而呈現不同程度的飽和,易產生分頻諧振。

  從技術上考慮,為了消除鐵磁諧振,可以采取以下措施:選擇勵磁特性好的電壓互感器或改用電容式電壓互感器;在同一個10
kV配電系統中,應盡量減少電壓互感器的臺數;在三相電壓互感器一次側中性點串接單相電壓互感器或在電壓互感器二次開口三角處接入阻尼電阻;在母線上接入一定大小的電容器,使容抗與感抗的比值小于001,避免諧振;系統中性點裝設消弧線圈;采用自動調諧原理的接地補償裝置,通過過補、全補和欠補的運行方式,來較好地解決此類問題。

3 電壓互感器故障案例分析
  案例1:

  2003年7月10日,某供電公司110 kV變電站發生10 kV母線電壓互感器一次側三相熔絲因雷擊諧振熔斷的故障,10
kV系統為中性點不接地系統。事后檢查,發現中性點所接消諧電阻正常,中性點絕緣正常,勵磁特性在正常范圍,二次回路絕緣正常,更換高壓熔絲后,電壓互感器又恢復正常運行。雷擊時工頻和高頻鐵磁諧振過電壓的幅值一般較高,可達額定值的3倍以上,起始暫態過程中的電壓幅值可能更高,危及電氣設備的絕緣結構。工頻諧振過電壓可導致三相對地電壓同時升高,或引起"虛幻接地"現象。分頻鐵磁諧振可導致相電壓低頻擺動,勵磁感抗成倍下降,過電壓并不高,一般在2倍額定值以下,但感抗下降會使勵磁回路嚴重飽和,勵磁電流急劇加大,電流大大超過額定值,導致鐵心劇烈振動,使電壓互感器一次側熔絲過熱燒毀。

  可見,一次內部絕緣對于高電壓等級的電壓互感器十分重要。建議制造廠改變設計,加強最下節瓷套和油箱電磁單元電氣連接部分的絕緣強度,嚴格設計工藝,保持各連接線對地及器件之間的距離,必要時由裸導線更換為絕緣導線(或進行絕緣包扎),嚴格出廠試驗和外協器件的質量把關,確實有效地防止類似故障的發生。

  案例2:

  2002年6月,某站35 kV的電容式電壓互感器投運后,不到半個月就發生A相燒損事故,更換后,A相、B相又相繼燒損。根據當時的運行記錄和氣侯條件,發現曾有雷電活動,在此期間,伴隨有嚴重的兩相電壓升高和一相電壓降低的情況,兩相電壓由2021
kV升到40 kV,另一相降至3 kV。故障后對該設備進行了高壓試驗,介損和絕緣電阻未發現問題,空載試驗發現一次繞組存在匝間短路。繼續拆卸,發現Z中的阻尼電阻燒斷,與補償電抗器并聯的避雷器已擊穿。內部TV的一次繞組內側所有絕緣材料全部燒焦炭化。繞組本身的漆包線的漆膜被烤掉,但繞組本身未發現變形、熔斷及局部過熱現象。整個線包在解體過程中排列仍然整齊,屬熱擊穿。說明一次繞組中存在短時大電流。由于油箱體積小,散熱不良,導致發熱嚴重,溫度急劇升高,將絕緣燒損。

  由以上案例可以看出,我國35 kV系統是中性點不接地系統,在不投入消弧線圈的運行方式下,易發生由于單相接地造成的系統過電壓,尤其是弧光接地過電壓。這樣就會出現兩相電壓升高、一相電壓降低的現象。而TV內部采用速飽和特性鐵心,在此電壓作用下出現飽和,產生1/3次諧波,導致自身諧振。頻繁的接地會使阻尼電阻長期消諧而最終發熱燒斷。失去阻尼后,再出現過電壓,避雷器就會動作,并很快擊穿而失效。此時一次電流迅速增大,而且幅值很高,產生大量熱量。累積效應使絕緣材料的溫度不斷增加,最終熱擊穿。

  為了避免內部發熱擊穿,可改變C1、C2的分壓比,降低內部TV的一次額定電壓。同時阻尼電阻的容量不能太小,必須增大阻尼電阻功率。現場也可采取臨時措施在二次側串入阻尼電阻,以增強阻尼效果。同時跟蹤油色譜,有利于發現內部異常及時采取措施處理。

  案例3:

  1999年2月某500 kV變電站,500 kV線路A相電容式電壓互感器在電網正常運行條件下,發生故障,與之相關的保護誤發信號,3個二次電壓線圈全部無電壓輸出。該電容式電壓互感器型號為TYD
500/-0005H,故障發生后,在運行狀態下,電氣試驗人員分別直接對3個二次電壓線圈進行輸出電壓測量,確認電壓輸出為零(正常狀態分別為577
V和100 V),現場檢查電容式電壓互感器外觀正常也無異音現象。

  分壓電容器和油箱電磁單元正常狀態下,承受的額定電壓為13 kV,而整臺電容式電壓互感器承受的電壓為500
kV;如電磁單元部分對地短接,不承受13 kV的電壓,二次將失去電壓輸出,對設備整相承受電壓的能力影響較小。而假設電容分壓器的其中之一存在缺陷,該節將承受較低的電壓,其他節承受的電壓升高,會造成整臺設備運行異常,有二次電壓輸出但不是正常值,設備會有異音發出或損壞。如果電磁單元的變壓器一次端斷線,電壓將不能正常傳遞,二次失去電壓輸出;若分壓電容器的電容量變大,二次電壓輸出且會降低。由此可見,在電容式電壓互感器能夠承受系統正常電壓的前提下,結合其結構特點,可以確定二次失去電壓的原因與電容量的變化無關,第1~3節瓷套和第4節瓷套中的電容本身正常,故障原因可能為:①電磁單元變壓器一次引線斷線或接地;②分壓電容器中存在瞬時短路;③與電磁單元中變壓器并聯的氧化鋅避雷器擊穿導通;④油箱電磁單元燒壞、進水受潮等其他故障。

  隨后對設備停電,通過電氣試驗對故障原因進一步分析,并拆開分壓電容檢查,發現電磁單元變壓器至分壓電容器之間的連接線因過長而與箱殼碰接,并有明顯的燒傷放電痕跡,分別測量電磁單元變壓器和氧化鋅避雷器的絕緣電阻均在10
GΩ以上。隨后將該連接線縮短,并用絕緣材料包扎固定,回裝完畢后,再經試驗檢驗其正常,該故障點消除。

4 結論

  在實際系統運行中,電壓互感器是一次與二次電氣回路之間連接的重要設備。隨著技術的不斷更新,新材料的不斷涌現,光電式互感器等新型的互感器已經不斷涌現,其結構和具體器件各不相同,這就首先需要在了解其特點的基礎上不斷總結使用的經驗和故障處理的方法,才能保證系統的安全穩定運行。

 


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