现场︱电压互感器保护技术研究及设计
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晋城煤业集团供电分公司的研究人员耿东勇，在2015年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，晋城煤业集团供电分公司王台35kV变电站电压互感器存在频繁烧毁现象，本文设计了一种电压互感器保护技术，有效的避免了电压互感器烧毁问题。
我国3～35kV中压供配电系统主要采用中性点非有效接地方式，其供电可靠性要远高于中性点有效接地的供配电系统。从多年的运行经验和近年来中压供配电系统的发展情况看，中性点非有效接地方式也给中压供配电系统带来了一些问题：中性点非有效接地系统中发生单相接地故障时，通常表现为弧光接地的形式，此时非故障相线路对地电压最高可升至3.5倍相电压，系统的过电压往往会在系统绝缘薄弱处引起绝缘对地闪络[1-3]。
电磁式电压互感器（Potential transformer,简称PT）具有非线性的电磁特性。在系统遭受雷击过电压、操作过电压、接地故障恢复以及PT自身不同期合闸等外界因素干扰下，PT铁芯发生饱和，电感量急剧下降，容易和系统参数激发复杂的铁磁谐振，产生高频、工频、低频谐振过电压。同时PT铁芯饱和产生较大励磁涌流以及接地故障恢复时流过PT的低频振荡电流均可能导致PT熔丝熔断，严重时甚至导致PT烧毁[4-11]。
1 问题提出
晋城煤业集团老区35kV系统中存在由于过电压引起PT烧毁、高压熔丝熔断等问题，多年来一直没有得到有效解决。尤其是挂网运行于该35kV系统中的王台35kV变电站，从投运以来PT已连续十几年在系统接地后发生多次烧毁现象,同时高压熔断器也频繁熔断，严重威胁着设备及电网的安全运行。王台35kV变电站历年PT烧毁及熔断器熔断情况，如表1所示。
表1 历年PT烧毁及熔断器熔断情况统计表
最近一次事故发生在2013年09月07日23点06分，王台35kV变电站运行值班人员在监盘时发现后台机报警“23:06:40 35kV Ⅱ段母线电压UAB越上限，23:07:15 35kVⅡ段母线电压UAB上上限—上限，23:07:30 35kVⅡ段母线电压UAB越下限，23:07:31中王Ⅱ回354相对时间0毫秒母线TV断线告警，23:07:41 2#主变高后备相对时间0毫秒TV断线告警”。
查看电压棒图发现：35kVⅡ段 A相电压为15.2kV，B、C两相电压正常（21.6kV左右），初步判定为A相保险故障，随即到35kV室检查发现室内有烟雾和异味，经开启风扇通风后，检查35kVⅡ段PT,A相保险及A相PT本体炸裂，内部绝缘物质有喷出。现场PT损坏情况，如图1所示。
图1 PT现场损坏情况
2 原因分析和保护方法研究
仿真和动态模拟的试验结果表明：PT常见故障主要是由于单相接地故障消除后，故障相电压要从地电压升至相电压，正常相要从线电压降至相电压。伴随着这个各相电压变化的过程，储存在电网各相对地电容中的电荷需要重新分配。由于中心点非有效接地系统中只有PT中性点接地，这些电荷必然通过PT绕组和中性点才能构成回路。
在这个由系统各相对地电容和PT绕组励磁电抗构成的振荡回路中，PT励磁电抗的电感非常大，所以该回路的振荡频率很低。加之PT铁芯的饱和特性，通过PT的冲击涌流可以达到很高的值。图2所示：
图2 PT的冲击涌流试验波形
图中蓝线为通过PT的电流，其峰值可达4.2安培，振荡频率5Hz。PT保护熔断器的额定电流一般是0.5A。所以很有可能烧断PT的熔断器或造成PT自身的伤害。为限制该冲击涌流保护PT，可以考虑在PT中性点串接一非线性电阻，并在电网正常运行时用一接触器将其短接，以防止影响PT的测量精度。
该接触器只是在电网发生单相接地故障以后才断开，电网恢复正常运行后迅速短接。如图3所示，在PT中性点加装保护装置后可以有效抑制冲击涌流的试验波形：
图3 PT中性点加装保护装置后可以有效抑制冲击涌流的试验波形
3 保护设计
PT高速组合式保护装置:采用非线性电阻并连接触器的一次侧保护装置和为防止PT开口三角输出虚假过电压信号二次侧保护装置相结合的方法,能快速有效防止各种PT故障的发生。并且能够防止微机综保接受到虚假过电压信号。PT高速组合式保护装置如下图4所示：
图4 PT高速组合式保护装置示意图
一次侧保护装置（PTB）：在PT的中性点使用碳化硅非线性电阻和真空开关并联串接到地排。系统正常运行时真空继电器K闭合旁路碳化硅电阻（SiC）相当于PT的中性点接地，完全抑制系统的测量开口的电压偏移，不影响系统的测量和保护。
电压互感器发生铁磁谐振时，中性点产生位移，使三相电压不对称，在开口三角两端产生零序电压，互感器高压绕组流过零序电流。控制系统发出命令使K断开将SiC投入，有效抑制系统的谐振，接地故障恢复后K延时闭合有效抑制系统的涌流和低频谐振。
二次侧保护装置：高速全频二次消谐器将微机技术用于电网消谐，利用计算机快速、准确的数据处理能力实现傅立叶分析，其选频准确。通过对PT三相电压及开口三角电压的采集，对电网谐振时的各种频率成份能快速分析、处理。
通过微机控制可控硅导通和关断，使PT二次绕组形成有效零序电流流通通道。这个零序电流是对高压绕组中的零序电流所建立的磁通起去磁作用。二次零序电流接近PT二次绕组短路电流，去磁效果非常好。但控制时间短，周期执行3到5次。如下图5所示：通道2为开关信号，通道1为零序电压信号。
图5 二次零序电流接近PT二次绕组短路电流时去磁试效果验波形
母线大能容过电压吸收器：当投切空母线时，母线处在无过电压保护状态中。往往易于引发多种大能量的过电压，危及PT的正常运行。因此需要在母线侧加装大能容过电压吸收器。
电压互感器：选用高质量，2倍以上饱和点的全绝缘电压互感器；柜体结构：选用标准开关柜体，加装隔离刀闸和保护熔断器。
设计后PT柜体内一次主接线如下图6所示：
图6 PT柜体一次接线图
4 现场应用
2015年4月6日11:52，挂网运行于老区35kV系统上的凤凰山站35kV站变Ⅱ高压进线电缆C相电缆头绝缘击穿引起接地，引起老区35kV系统Ⅱ段母线C相接地，同时长时间接地引发电缆着火造成弧光短路（B、C相短路）。
王台35kV变电站PT保护装置于11:52:15.928采集到波形如图7所示。从图中可以看出，C相电压降低时，A相、B相电压升高且发生畸变，零序电压3U0明显升高。单从波形可以说明C相接地。
图7 PT保护装置故障录波波形
11:52:16.091装置采集到Ua=83.72V、Ub=80.34V、Uc=31.05V、3U0=150.17V、F=12.10，报低频谐振，低频谐振出口情况如表2所示。
表2 低频谐振出口情况
11:52:18.959装置采集到Ua=85.21V、Ub=112.83V、Uc=22.15V，3U0=98.58V，报弧光接地，C相弧光接地出口情况如表3所示。同时王台35kV变35kVⅡ段PT智能开关PT正确动作，消谐电阻投入。
表3 C相弧光接地出口情况
综上所述，王台35kV变电站PT柜改造后，在2015年4月6日接地事故中智能开关投切电阻正确，装置波形及装置出口情况和现场事故现象基本一致。接地事故当天，运行人员对PT进行了仔细检查，未发现明显异常。
2015年4月15日试验人员对PT进行试验，试验结果是PT完好。由此可以看出，该电压互感器保护技术有效解决了电压互感器烧毁问题，保证系统的安全运行。
5 结论
35kV中性点不接地电网中PT铁磁谐振时产生的过电压常使设备内绝缘击穿、外绝缘放电，且会因事故处理不及时，造成事故扩大；电网中弧光接地使PT经常烧毁；母线上Y0接线的PT一次绕组将成为该电网对地唯一金属性通道，单相接地或消失时，电网对地电容通过PT一次绕组有一个放电的过渡过程，试验测得此时常常有最高幅值达数安培的工频半波涌流通过PT，此时电流有可能将PT高压熔丝（0.5A）熔断。
目前上述问题的处理方案是采用PT一次中性点增加一次消谐器，这个方案对抑制PT涌流有较好的效果，但对于因系统参数的变化导致复杂的PT谐振却没有什么效果。
本文通过对电压互感器保护的研究与设计，采用智能开关与一次消谐器配合使用，当系统正常运行时智能开关闭合，一次消谐器被短路的同时，电压互感器中性点直接接地，当系统遭受弧光接地等异常情况时，智能开关打开，一次消谐器接入中性点，从根本上解决了系统单相接地故障消除后、三相电压恢复平衡时、系统对地涌流通过PT一次中性点造成PT熔丝熔断或PT损坏的问题。能够有效解决PT烧毁问题，对加强电力系统运行维护管理，保障电网安全、稳定和可靠运行具有积极作用。
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