电压互感器的使用及其故障分析

1 电压互感器的使用和保护
　　电压互感器在使用中相位正确非常关键，这就要求接线极性一定要对应，一旦引出端子用错，造成极性用反将会使电压相位变化180°，因而一般其一次、二次侧都会标出极性。
　　电压互感器在运行中一定要保证二次侧不能短路，因为其在运行时是一个内阻极小的电压源，正常运行时负载阻抗很大，相当于开路状态，二次侧仅有很小的负载电流。若二次侧短路时，负载阻抗为零，将产生很大的短路电流，巨大的发热会将互感器烧坏，甚至导致发生设备爆炸事故。
　　在运行中为了达到对电压互感器的良好保护，可以采取以下措施：
　　(1) 二次侧熔断器是保证电压互感器安全运行的可靠措施，必须选择适当的熔断器，并加装闭锁装置。
　　(2) 为避免开口三角绕组两端在电压不平衡的情况下，长时间存在较高电压。在开口三角绕组两端加装并联电阻，并联电阻在开口三角感应出零序电压时，使零序电流得以流通，对高压线圈产生去磁作用，从而也能抑制谐振。
　　(3) 在绝缘监察装置回路中，为了使绝缘监察继电器和电压表能正确反映电网的接地故障，还必须注意与电压互感器以及结构等有关的问题。即为了反映每相对地电压，电压互感器高压侧的每相绕组必须接在相与地之间，高压绕组必须呈星形接地，而且还要有中性点接地，同时，电压互感器的低压侧两绕组也必须有一点接地。
　　(4) 在10 kV以下配电网络中，电源侧的中性点是不直接接地的，电压互感器的中性点接地。因此由于系统操作，开关合闸不同期及单相接地等原因，常常出现过电压，引起电压互感器高压熔丝熔断、冒烟甚至烧毁。因此必须选用伏安特性比较好的电压互感器或在中性点加装阻尼电阻。
　　(5) 对于电容式电压互感器，有一个末屏点，也就是一次线圈的非极性端。在运行中末屏可以采取两种方式：一种是末屏直接接地，这样在雷击或者振荡等情况下，一次侧若出现过电压可以有效防止烧毁；如果末屏不直接接地，那么必须在末屏和地之间设击穿间隙，这样在出现过电压时能够通过间隙放电而释放。
2 电压互感器故障处理
2.1 电压互感器二次熔丝熔断
　　当互感器二次熔丝熔断时，会出现下列现象：有预告音响；“电压回路断线”光字牌会亮；电压表、有功和无功功率表的指示值会降低或到零；故障相的绝缘监视表计的电压会降低或到零；“备用电源消失”光字牌会亮；在变压器、发电机严重过流时，互感器熔丝熔断，低压过流保护可能误动。
　　处理方法：首先根据现象判断是什么设备的互感器发生故障，退出可能误动的保护装置。如低电压保护、备用电源自投装置、发电机强行励磁装置、低压过流保护等。然后判断是互感器二次熔丝的哪一相熔断，在互感器二次熔丝上下端，用万用表分别测量两相之间二次电压是否都为100
V。如果上端是100 V，下端没有100 V，则是二次熔丝熔断，通过对两相之间上下端交叉测量判断是哪一相熔丝熔断，进行更换。如果测量熔丝上端电压没有100
V，有可能是互感器隔离开关辅助接点接触不良或一次熔丝熔断，通过对互感器隔离开关辅助接点两相之间，上下端交叉测量判断是互感器隔离开关辅助接点接触不良还是互感器一次熔丝熔断。如果是互感器隔离开关辅助接点接触不良，进行调整处理。如果是互感器一次熔丝熔断，则拉开互感器隔离开关进行更换。
2.2 电压互感器一次熔断器熔断
　　故障现象与二次熔丝熔断一样，但有可能发“接地”光字牌。因为互感器一相一次熔断器熔断时，在开口三角处电压有33V，而开口三角处电压整定值为30
V，所以会发“接地”光字处理方法，与二次熔丝熔断一样。要注意互感器一次熔断器座在装上高压熔断器后，弹片是否有松动现象。
2.3 电压互感器击穿熔断器熔断
　　凡采用B相接地的互感器二次侧中性点都有一个击穿互感器的击穿熔断器，熔断器的主要作用是：在B相二次熔丝熔断的时候，即使高压窜入低压，仍能使击穿熔丝熔断而使互感器二次有保护接地，保护人身和设备的安全，其击穿熔断器电压约500
V。故障现象与互感器二次熔丝熔断一样，此时更换B相二次熔丝，一换上好的熔丝就会熔断。不要盲目将熔丝容量加大，要查清原因，是否互感器击穿熔丝已熔断。只有将击穿熔丝更换了，B相二次熔丝才能够换上。互感器
一、二次熔断器熔断及击穿熔断器熔断，在现象上基本一致，查找时一般是先查二次熔断器及辅助接点，再查一次熔断器，最后查击穿熔断器、互感器内部是否故障，如果发电机在开机时，发电机互感器一次熔断器经常熔断又找不出原因，则有可能是由互感器铁磁谐振引起。
2.4 电压互感器冒烟损坏
　　电压互感器冒烟损坏本体会冒烟，并有较浓的臭味；绝缘监视表计的电压有可能会降低，电压表，有功、无功功率表的指示有可能降低，发电机互感器冒烟，可能有“定子接地”光字牌亮，母线互感器冒烟，可能有“电压回路断线”，“备用电源消失”等光字牌亮。
　　处理方法：如果在互感器冒烟前一次熔断器从未熔断，而二次熔断器多次熔断，且冒烟不严重无一次绝缘损伤象征，在冒烟时一次熔断器也未熔断，则应判断为互感器二次绕组间短路引起冒烟，在二次绕组冒烟而没有影响到一次绝缘损坏之前，立即退出有关保护、自动装置，取下二次熔断器，拉开一次隔离开关，停用互感器。
　　对充油式互感器，如果在冒烟时，又伴随着较浓臭味，互感器内部有不正常的噪声；绕组与外壳或引线与外壳之间有火花放电；冒烟前一次熔断器熔断2~3次等现象之一时，应判断为一次侧绝缘损伤而冒烟。如是发电机互感器冒烟，则应立即用解列发电机的方法，如是母线互感器则用停母线的方法停用互感器。此时，决不能用拉开隔离开关的方法停用互感器。
2.5 单相接地故障
　　现象：故障相电压降低或为零，其他两相相电压升高或上升到线电压。接地相的判别方法为：
　　（1） 如果一相电压指示到零，另两相为线电压，则为零的相即为接地相。
　　（2） 如果一相电压指示较低，另两相较高，则较低的相即为接地相。
　　（3） 如果一相电压接近线电压，另两相电压相等且这两相电压较低时，判别原则是“电压高，下相糟”，即按A、B、C 相序，哪一相电压高，则其下相可能接地。适用于系统接地但未断线的故障，记下故障象征就可以避免检修人员盲目查线。
2.6 铁磁谐振
　　所谓铁磁谐振就是由于铁心饱和而引起的一种跃变过程，系统中发生的铁磁谐振分为并联铁磁谐振和串联铁磁谐振［1，2］。激发谐振的情况有：电源对只带互感器的空母线突然合闸，单相接地；合闸时，开关三相不同期。所以谐振的产生是在进行操作或系统发生故障时出现。中性点不接地系统中，互感器的非线性电感往往与该系统的对地电容构成铁磁谐振，使系统中性点位移产生零序电压，从而使接互感器的一相对地产生过电压，这时发出接地信号，很容易将这种虚幻接地误判别为单相接地。在合空母线或切除部分线路或单相接地故障消失时，也有可能激发铁磁谐振。此时，中性点电压（零序电压）可能是基波（50
Hz）、也可能是分频（25 Hz）或高频（100~150 Hz）。经常发生的是基波谐振和分频谐振。根据运行经验，当电源向只带互感器的空母线突然合闸时易产生基波谐振；当发生单相接地时，两相电压瞬时升高，三相铁心受到不同的激励而呈现不同程度的饱和，易产生分频谐振。
　　从技术上考虑，为了消除铁磁谐振，可以采取以下措施：选择励磁特性好的电压互感器或改用电容式电压互感器；在同一个10
kV配电系统中，应尽量减少电压互感器的台数；在三相电压互感器一次侧中性点串接单相电压互感器或在电压互感器二次开口三角处接入阻尼电阻；在母线上接入一定大小的电容器，使容抗与感抗的比值小于001，避免谐振；系统中性点装设消弧线圈；采用自动调谐原理的接地补偿装置，通过过补、全补和欠补的运行方式，来较好地解决此类问题。
3 电压互感器故障案例分析
　　案例1：
　　2003年7月10日，某供电公司110 kV变电站发生10 kV母线电压互感器一次侧三相熔丝因雷击谐振熔断的故障，10
kV系统为中性点不接地系统。事后检查，发现中性点所接消谐电阻正常，中性点绝缘正常，励磁特性在正常范围，二次回路绝缘正常，更换高压熔丝后，电压互感器又恢复正常运行。雷击时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。工频谐振过电压可导致三相对地电压同时升高，或引起"虚幻接地"现象。分频铁磁谐振可导致相电压低频摆动，励磁感抗成倍下降，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。
　　可见，一次内部绝缘对于高电压等级的电压互感器十分重要。建议制造厂改变设计,加强最下节瓷套和油箱电磁单元电气连接部分的绝缘强度，严格设计工艺，保持各连接线对地及器件之间的距离，必要时由裸导线更换为绝缘导线（或进行绝缘包扎），严格出厂试验和外协器件的质量把关，确实有效地防止类似故障的发生。
　　案例2：
　　2002年6月，某站35 kV的电容式电压互感器投运后，不到半个月就发生A相烧损事故，更换后，A相、B相又相继烧损。根据当时的运行记录和气侯条件，发现曾有雷电活动，在此期间，伴随有严重的两相电压升高和一相电压降低的情况，两相电压由2021
kV升到40 kV，另一相降至3 kV。故障后对该设备进行了高压试验，介损和绝缘电阻未发现问题，空载试验发现一次绕组存在匝间短路。继续拆卸，发现Z中的阻尼电阻烧断，与补偿电抗器并联的避雷器已击穿。内部TV的一次绕组内侧所有绝缘材料全部烧焦炭化。绕组本身的漆包线的漆膜被烤掉，但绕组本身未发现变形、熔断及局部过热现象。整个线包在解体过程中排列仍然整齐，属热击穿。说明一次绕组中存在短时大电流。由于油箱体积小，散热不良，导致发热严重，温度急剧升高，将绝缘烧损。
　　由以上案例可以看出，我国35 kV系统是中性点不接地系统，在不投入消弧线圈的运行方式下，易发生由于单相接地造成的系统过电压，尤其是弧光接地过电压。这样就会出现两相电压升高、一相电压降低的现象。而TV内部采用速饱和特性铁心，在此电压作用下出现饱和，产生1/3次谐波，导致自身谐振。频繁的接地会使阻尼电阻长期消谐而最终发热烧断。失去阻尼后，再出现过电压，避雷器就会动作，并很快击穿而失效。此时一次电流迅速增大，而且幅值很高，产生大量热量。累积效应使绝缘材料的温度不断增加，最终热击穿。
　　为了避免内部发热击穿，可改变C1、C2的分压比，降低内部TV的一次额定电压。同时阻尼电阻的容量不能太小，必须增大阻尼电阻功率。现场也可采取临时措施在二次侧串入阻尼电阻，以增强阻尼效果。同时跟踪油色谱，有利于发现内部异常及时采取措施处理。
　　案例3：
　　1999年2月某500 kV变电站，500 kV线路A相电容式电压互感器在电网正常运行条件下，发生故障，与之相关的保护误发信号，3个二次电压线圈全部无电压输出。该电容式电压互感器型号为TYD
500／-0005H，故障发生后，在运行状态下，电气试验人员分别直接对3个二次电压线圈进行输出电压测量，确认电压输出为零（正常状态分别为577
V和100 V），现场检查电容式电压互感器外观正常也无异音现象。
　　分压电容器和油箱电磁单元正常状态下，承受的额定电压为13 kV，而整台电容式电压互感器承受的电压为500
kV;如电磁单元部分对地短接，不承受13 kV的电压，二次将失去电压输出，对设备整相承受电压的能力影响较小。而假设电容分压器的其中之一存在缺陷，该节将承受较低的电压，其他节承受的电压升高，会造成整台设备运行异常，有二次电压输出但不是正常值，设备会有异音发出或损坏。如果电磁单元的变压器一次端断线，电压将不能正常传递，二次失去电压输出；若分压电容器的电容量变大，二次电压输出且会降低。由此可见，在电容式电压互感器能够承受系统正常电压的前提下，结合其结构特点，可以确定二次失去电压的原因与电容量的变化无关，第1～3节瓷套和第4节瓷套中的电容本身正常，故障原因可能为：①电磁单元变压器一次引线断线或接地；②分压电容器中存在瞬时短路；③与电磁单元中变压器并联的氧化锌避雷器击穿导通；④油箱电磁单元烧坏、进水受潮等其他故障。
　　随后对设备停电，通过电气试验对故障原因进一步分析，并拆开分压电容检查，发现电磁单元变压器至分压电容器之间的连接线因过长而与箱壳碰接，并有明显的烧伤放电痕迹，分别测量电磁单元变压器和氧化锌避雷器的绝缘电阻均在10
GΩ以上。随后将该连接线缩短，并用绝缘材料包扎固定，回装完毕后，再经试验检验其正常，该故障点消除。
4 结论
　　在实际系统运行中，电压互感器是一次与二次电气回路之间连接的重要设备。随着技术的不断更新，新材料的不断涌现，光电式互感器等新型的互感器已经不断涌现，其结构和具体器件各不相同，这就首先需要在了解其特点的基础上不断总结使用的经验和故障处理的方法，才能保证系统的安全稳定运行。