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文章标题：10～35kv电压互感器多相熔丝熔断分析
摘要本文以110kv淤溪变电站为例，论述了中性点不接地系统中电压互感器一次侧熔丝在雷击时熔断的各种原因和处理方法，重点阐明了安装在电压互感器一次绕组中性点的消谐电阻不能限制电压互感器入口电容冲击电流的原理，并用此理论解释了1998年3月江苏省沿江地区变电站数百相次l0～35kv电压互感器熔丝熔断这一典型现象。
关键词：雷击；不接地系统；电压互感器；熔丝熔断；消谐器；电容电流
中图分类号：tm451
安堰巾供电公司110kv淤溪变电站10kv系统为中性点不接地系统，2003年7月10日发生10kv母线电压互感器一次侧三相熔丝熔断的故障，事后检查，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。雷击时多相熔丝熔断的原因何在?如何解决这类问题?只有查清雷击时通过高压熔丝的电流，明白此电流导致高压熔丝熔断的机理，才能找出有针对性的办法。
1铁磁谐振过电压可引起电压互感器一次侧熔丝熔断
1.1铁磁谐振产生的原理
在中性点不接地系统中，正常运行时，由于三相对称，电压互感器的励磁阻抗很大，大于系统对地电容，即xl>xc，两者并联后为一等值电容，系统网络的对地阻抗呈现容性，电网中性点的位移基本接近于零。但会对系统产生扰动，如：①单相接地，使健全相的电压突然升高，电压升至线电压；②单相弧光接地，由于雷击或其他原因，线路瞬时接地，使健全相电压突然上升，产生很大的涌流；③当电压互感器突然合闸时，其一相或两相绕组内出现巨大的涌流；④电压互感器的高压熔丝不对称故障等。总之，系统的某些干扰都可使电压互感器三相铁心出现不同程度的饱和，系统中性点就有较大的位移，位移电压可以是工频，也可以是谐波频率(分频、高频)，饱和后的电压互感器励磁电感变小，系统网络对地阻抗趋于感性，此时若系统网络的对地电感与对地电容相匹配，就形成三相或单相共振回路，可激发各种铁磁谐振过电压。
铁磁谐振过电压分为工频、分频和高频谐振过电压，常见的为工频和分频谐振。当电压互感器的激磁电感很大时，回路的自振频率很低，可能产生分频谐振；当电压互感器的铁心激磁特性容易饱和时或系统中有多台电压互感器、并联电感值较小、回路自振频率较高时，则产生高频谐振。
1.2铁磁谐振过电压的危害及现象
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。
电网发生铁磁谐振过电压较明显的现象为系统有接地信号，电压表计指针不停地摆动，电气设备有较强烈的电晕声。
1.3防止铁磁谐振的措施
在电力系统中，消除铁磁谐振的措施主要有以下几种方法：①选用励磁特性较好的电压互感器或使用电容式电压互感器；②增大对地电容，破坏谐振条件；③在零序回路加阻尼电阻，即在一次绕组中性点或开口三角绕组处加装消谐器或非线性电阻。
1.4淤溪变电站10kv电压互感器一次熔丝熔断并非铁磁谐振引起，根据以上铁磁谐振产生的原理和现象分析，并通过现场检查和试验发现：①变电站(无人值班)遥信库中未发现有母线接地信号；②产生谐振过电压的一个必要条件是一次绕组中性点必须直接接地，而淤溪变电站10kv电压互感器一次绕组中性点装有性能良好的ixq(d)ⅱ-10型消谐器，消谐器全部项目试验合格，电压互感器铁磁谐振零序过电压的大部分电压降落在消谐器上，从而避免了铁心饱和，限制了铁磁谐振过电压的发生；③现场检查电压互感器空载励磁特性良好，满足根式电压下的空载电流不大于额定电压下的空载电流的10倍，且相差不大于50的标准；④检查三相电压互感器绝缘良好，未受到严重过电压的冲击。由此可见，尽管在雷雨天气，淤溪变电站10kv系统有可能受到来自雷击造成的某些干扰的激发条件，但电压互感器一次熔丝熔断并非谐振引起。
2低频饱和电流可引起电压互感器一次熔丝熔断
在中性点不接地电网中，电磁式电压互感器高压熔丝熔，断，并不一定都是由铁磁谐振过电压引起的。当电网对地电容较大，而电网间歇弧光接地或接地消失时，健全相对地电容中贮存的电荷将重新分配／它将通过中性点接地的电压互感器一次绕组形成电回路，构成低频振荡电压分量，促使电压互感始终饱和，形成低频饱和电流。它在单相接地消失后1／4～1／2工频周期内出现，电流幅值可远大于分频谐振电流(分频谐振电流约为额定励磁电流的百倍以上)，频率约2～5hz。由于具有幅值高、作用时间短的特点，在单相接地消失后的半个周期即可熔断熔丝。
2.1产生低频饱和电流的原理
当系统发生单相接地时，故障点会流过电容电流，未接地相的电压升高到线电压，其对地电容上充以与线电压相应的电荷。在接地故障期间，此电荷产生的电容电流以接地点为通路，在电源-导线-大地间流通。由于电压互感器的励磁阻抗很大，其中流过的电流很小，一旦接地故障消失，电流通路则被切断，而非接地相必须由线电压瞬间恢复到正常相电压水平。但是，由于接地故障已断开，非接地相在接地期间已经充电至线电压下的电荷，就只有通过高压绕组，经其原来接地的中性点进人大地。在这一瞬变过程中，高压绕组中将会流过一个幅值很高的低频饱和电流，使铁心严重饱和。实际上，由于接地电弧熄灭的时刻不同，即初始相位角不同，故障的切除不一定都在非接地相电压达最大值这一严重情况下发生。因此，不一定每次单相接地故障消失时，都会在高压绕组中产生大的涌流。而且低频饱和电流的大小还与电压互感器伏安特性有很大关系，铁心越容易饱和，该饱和电流就越大，高压熔丝就越易熔断。
2.2抑制低频饱和电流的方法
采用电压互感器中性点装设非线性电阻或消谐器的方法可抑制低频饱和电流。在上述情况下，若在高压绕组中性点接人一个足够大的地电阻r在单相故障消失时，低频饱和各电流经过该电阻后进人大地，由于大部分压降加在电阻上，从而大大抑制了低频饱和电流，使高压熔丝不易熔断。同时由于在零序电压回路串联的这个电阻只，使电压互感器铁磁谐振过电压的大部分电压降落在电阻只上，从而避免了铁心饱和，限制了铁磁谐振过电压的发生。考虑到在电网正常运行时的中性点零序电流较小和单相接地时满足电压互感器开口三角形电压的灵敏度，中性点电阻及应为满足一定特性要求的非线性电阻或消谐器。
安装在二次侧的电子消谐器不能限制低频饱和电流，当涌流发生时，它会将二次开口三角短路，这反而会增大涌流幅值。
2.3淤溪变电站10kv电压互感器一次熔丝熔断
非低频饱和电流引起淤溪变电站10kv电压互感器一次中性点安装了lxo(d)ⅱ-10型消谐器，其电阻元件是用sic为基料经高温氢气炉焙烧而成的非线性电阻串、并联而成。电网正常运行时此消谐器电阻值大于450kω(取0.3ma峰值零序电流试验)，单相接地时电阻值大于180kω(取3ma峰值零序电流试验)，是以抑制低频饱和电流。
3电压互感器一、二次绝缘降低或消谐器绝
缘下降可引起熔丝熔断
3.1电压互感器的辅助绕组开口三角两端的线路中存在两点接地的错误接线易引起一次熔丝熔断若在变电站安装过程中，发生辅助绕组开口三角两端的线路两点接地的错误接线，即对电压互感器开口三角两端ad点及xd点，在电压互感器柜已将xd端接地，开口两端出线引到其他保护柜后，若重复接地只能将xd引线接地，而不能错误地将ad线接地，否则，就将开口三角绕组变成了闭口三角绕组。
据有关资料，装有lxq型消谐器的10kv电压互感器正常运行时，辅助绕组短路后的高压绕组中最大电流一般不超过10ma，辅助绕组中最大电流为1a，电压互感器仍可以长期运行；若电网单相接地的情况下，辅助绕组开口两端短路，则三相高压绕组中电流都增大到170～180ma(接有消谐电阻)及400～415ma(未接消谐电阻)，辅助绕组中电流增大到30a(接有消谐电阻)及75～80人(未接消谐电阻)，通过消谐电阻的电流也高达520ma，此时电压互感器负载达到每台1000va及2400va，而通常10kv电压互感器最大热极限负荷仅为300～400va。由于电压互感器高压绕组的保护熔丝为0.5a，虽然高压绕组中电流达到0.2～0.4a，仍低于高压保护熔丝的熔断电流，而辅助绕组回路中又没有熔丝保护。因此高低压绕组只有任其加热，当电网接地持续一段时间后，高、低压绕组的绝缘层逐渐烧损，以至短路，电流增大。有的将主绝缘烧穿，变成相间短路，致使高压熔丝熔断(南京供电局某变电站1998年曾发生此类现象)。
在电压互感器安装了消谐电阻器后，电网正常运行时，在开口两端一般都会有数伏电压，如果用万用表测量此电压很低(mv级)，则要考虑辅助绕组的接线是否被短路。利用此特征，可以尽早发现电压互感器开口三角短路的潜在故障。
现场实测淤溪变电站10kv电压互感器开口三角电压为5.2v，电压互感器未发生烧损，因此可判断熔丝熔断非电压互感器开口三角两点接地引起。
3.2电压互感器的一、二次和消谐器绝缘下降会引起一次熔丝熔断
不难想象电压互感器的一、二次绕组和消谐器绝缘下降会引起一次熔丝熔断，尤其是电网出现位移过电压、单相接地等情况将可能会加速熔丝熔断。
现场检查淤溪变电站10kv电压互感器的一、二次绕组及消谐器绝缘均良好，重点对jdzxll-10c型电压互感器的弱绝缘一次尾部端子进行了工频3kv耐压试验正常。因此判断熔丝熔断亦非消谐器绝缘下降引起。
4电压互感器x端绝缘水平与消谐器不匹配易导致熔丝熔断10kv电压互感器的x端绝缘通常有全绝缘和弱绝缘两种，全绝缘(jdzj-10)的电压互感器x端耐受电压与首端相同(常称为羊角电压互感器)，弱绝缘的电压互感器x端工频耐受电压为3kv。对x端为弱绝缘的中性点消谐器的选择，必须能在电网正常运行和受到大的干扰后，均使x端电压限制在其绝缘允许范围内，否则x端子就有可能对地放电，造成一次绕组电流增大，熔丝熔断。
淤溪变电站10kv电压互感器为jdzxll-10c型x端弱绝缘电压互感器，配以lxq(d)ⅱ-10型消谐器。此类消谐器在中性点不接地系统电网正常运行时(用0.3ma峰值电流模拟通流)和在稳态单相接地(用3ma峰值电流模拟通流)时均能使电压限制在工频有效值500v以下；当电网出现大的扰动后，流过消谐器的电流很大时，如受雷击，发生断线谐振，消谐器下部电阻旁并联间隙将动作，短路下部电阻，以使消谐器上的电压仍不大于弱绝缘端子的工频耐受电压值，有效地保护互感器弱绝缘一次尾部端子的安全。
5电压互感器入口电容的冲击电流可引起熔丝熔断
通过以上分析，淤溪变电站10kv电压互感器一次熔丝熔断并非以上几种情况所致，原因需进一步探讨。
淤溪变电站处在空旷的农村，雷雨较集中，10kv线路较长(合计70～80km)且无架空地线，雷击时，电网并未接地，三相熔丝同时熔断，其他设备皆无损伤。下面从雷电侵入波方面进行分析。
5.1电磁式电压互感器一次绕组等值电路
电磁式电压互感器实际上就是一台微型高压电力变压器。变压器在冲击电压下等值电路如图1所示。一次绕组的分布参数含有电感l0dx，纵向电容k0／dx，对地电容codx，在冲击电压作用下，当波头时间较小时l0dx呈现的电抗值很大，电流不通过电感，等值电路中电容可简化为一个人口电容。图2为等值简化电路。
从图2中可以看出，流过高压熔丝的冲击电流i=ic il,ic直接入地不通过电阻r,而r串联在电压互感器尾端，只对il值起限制作用，对ic值不起作用。
5.2雷云闪电时，电压互感器多相高压熔丝熔断的原因分析
10～35kv架空线路，没有架空地线(农村35kv线路进线段的架空地线一般为1～2km，10kv线路无架空地线)，在空旷的野外，三相导线暴露在空中，在雷云电荷的作用下，三相导线都感应相同数量的束缚电荷。当雷云放电(其实这种闪电并未击中导线，而是云间或云对地闪击)，三相导线上的束缚电荷向线路两侧运动，对变电站形成侵入波。此侵入波的电压并不高，因为高压熔丝熔断时避雷器并未动作，现简单计算一下i中ic的值。设侵入波的波头时间分别为1.0μs和10μs，则等值高频电流波长为4×1.0μs和4×10μs。等值频率
（公式1）
取侵入波的电压幅值u=25kv(b取10kv电网氧化锌避雷器的直流1ma电压)。查资料得知电压互感器入口电容c在200～500pf之间，取c=350pf。
则通过入口电容的电流幅值（公式2）
可以看出，ic的幅值与侵入波的陡度有很大关系。熔丝熔断是发热的结果，电流发热的功为p=i2?r?t,电流的幅值i是最为重要的因素，还与熔丝电阻及r及电流的时间t有关。只有i的幅值高且持续时间又长的侵入波，才会使高压熔丝熔断，而大部分侵入波都不同时具备此两种条件。故在大多数雷暴天气里，雷击引起电压互感器高压熔丝熔断仍是小概率事件。2003年7月10日左右淤溪变电站所在地区雷雨交加，空中云雾较多，使得导线的电感减小，电容增大，10kv线路较长且无架空地线，雷云放电，导线感应电荷增加，侵入波的陡度也增加，才使得三相熔丝同时熔断。
由此联想到，1998年3月20日前后，江苏省沿江地区降大雪，且出现罕见的强烈雷暴天气。因降雪天寒，架空导线上积雪结冰，导线变粗，当发生闪电时，处在空旷地面的农村变电站母线上的电压互感器频繁发生三相或两相高压熔丝熔断现象，有的变电站一天内近10相次熔断，全省有数百相次10-35kv电压互感器熔丝熔断，且有的一次绕组中性点已装有消谐电阻。这一典型现象完全可用以上理论作解释：导线结冰变粗，使得导线的电感减小，电容增大，此时又发生雷暴，则感应电荷增加，侵入波的陡度也增加，才使得大量电压互感器熔丝熔断。
5.3解决电压互感器入口电容的冲击电流引起多相熔丝熔断的方法
从上述的分析可知，安装在电压互感器尾端的消谐电阻不能限制雷击时通过人口电容的冲击电流，因此只能依靠提高熔丝本身的抗冲击电流的通流能力来避免或减少熔丝熔断。
6结论
(1)雷击时，变电站10kv中性点不接地系统电压互感器一次侧高压熔丝熔断有多种原因，要根据不同的情况分析处理，在一次绕组的接地端串接性能良好的lxq(d)ⅱ-10型消谐器通常能有效防止这一现象的发生。
(2)当发生雷云闪电时，在空旷的架空线路上，感应雷形成侵入波，当侵入波的波头陡时，通过人口电容的冲击电流幅值高，有可能将电压互感器高压熔丝熔断。
(3)安装在电压互感器尾部的消谐电阻不能限制人口电容的冲击电流，只能依靠熔丝本身的抗冲击电流的通流能力。
(4)以上结论同样实用于35kv中性点不接地系统。
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