摘要： 分析了2起10 kV电磁式电压互感器（TV）爆炸的原因，提出了在2变电站分别采用更换开关特性优良的开关和加入一个特殊设计的第4TV的解决方案，满足了各自的运行要求。文章还阐述了中压电网中常见的过电压类型——操作过电压和铁磁谐振过电压的形成原因和发展机理，提出了几种行之有效的解决方案。 关键词： 过电压；电压互感器；事故分析；铁磁谐振；操作过电压；供用电
0 引言
电磁式电压互感器（TV）广泛应用于各电压等级的电力系统中。在35 kV及以下的中压配电网中，由于普遍采用中性点非有效接地方式，过电压现象出现的概率比较大。过电压引起电气设备绝缘的破坏，其中电磁式TV的熔断器烧毁和爆炸事故是中压电网中常见的由过电压引起的电气设备事故之一。因此研究这类问题对现场设备的安全运行具有重要意义。本文将就某县级供电企业2起TV爆炸事故的现象、原因、产生机理进行分析并提出了解决方案，还介绍了中性点非有效接地系统中常见的过电压类型。
1 事故现象
2起TV爆炸事故发生在35 kV和10 kV变电站的10 kV母线上。
（1） 35 kV变电站A。附近有一大型造纸企业，负荷较重。为补偿系统消耗的无功，该变电站Π段母线装设了一套自动投切电容器。电容器分为5组，每组100
kvar。每组自动投切电容器带有2个用于测量线电压的干式电磁电压互感器（TV）。图1为1组自动投切电容器的接线图，其中R是断路器，C是补偿电容，L是起抑制谐波作用的小电抗。实际运行中，第1组自动投切电容器连续发生TV爆炸现象。而其他4组自动投切电容器的TV却能够正常运行。
（2） 10 kV变电站B。10 kV母线互感器间隔内装有1台三相五柱式TV，如图2所示，图中L是TV的电抗，TV以星型方式接入电网，中性点直接接地。在实际运行中，TV烧毁的现象时有发生。
图1 自动投切电容器接线图
图2 三相五柱式TV接线图
2 爆炸原因分析
2.1 电磁式TV爆炸的原因
理论分析和实际运行经验表明，TV爆炸和烧毁事故的直接原因是内部过电流引起发热所致。过电流的表现形式有2种：①由于谐振或其他原因，TV上承受的过电压和过电流虽然幅值较小，但是时间较长，大量电能作用在TV上并转化为热能，使其长期发热。当热量积累到一定程度时，TV中大量绝缘纸、绝缘介质会受热而汽化，体积急速膨胀，而干式TV内部空间有限，当压强增加到一定程度时便发生爆炸。②由瞬间高幅值过电压引起的过电流。幅值达到一定程度的过电压会造成匝间短路而引起过电流。这种过电流一般幅值很大，会使TV中的绝缘介质迅速汽化，因此由高幅值过电压引起的爆炸更加猛烈。
由以上分析可以看出，过电压会引起过电流，过电压和过电流在实际电网运行中相伴而生。因此应该从电网中常见的过电压类型中去寻找TV爆炸的根本原因。
2.2 中压电网常见的过电压类型
中压电网的过电压可分为外部过电压和内部过电压。外部过电压主要是由于雷击引起的，本文不作详细叙述。内部过电压通常包括操作过电压和谐振过电压。如当系统内开关操作或电力系统出现事故时，电力系统将由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态。在此转化过程中由于电力系统内部电磁能量的振荡、互换及重新分布，就可能在某些设备上，甚至在整个电力系统中产生较大的过电压。又如当进行开关操作时，某些回路被分割开来，如果其参数满足共振条件，则可能引起强烈的具有共振性质的振荡，并导致严重的过电压。前者称为操作过电压，后者称为谐振过电压。
操作过电压持续时间较短，幅值较高。此种过电压可以分为4种：①中性点不接地系统的弧光接地过电压;②空载线路或电容性负荷的拉闸过电压；③切除电感性负荷或空载变压器的过电压；④空载线路的合闸过电压，特别是自动重合闸时的过电压。
谐振过电压一般持续时间比较长，甚至可能长期存在。此种过电压可分为2种：①系统参数为线性的线性谐振过电压；②铁磁谐振（非线性谐振）过电压，它是由于系统中变压器、TV、消弧线圈等铁心电感的磁路饱和作用而激发引起的过电压。
2.3 A变电站TV爆炸的原因分析
从A变电站现场接线来看，由于TV接在AB和BC相间，没有接在零序回路里，所以不可能是谐振过电压。TV只是为投切电容器服务，因此真空断路器投切电容器引起的操作过电压应该是导致TV爆炸的原因。
投切电容器时产生的过电压有2种，一种是电容器合闸时产生的过电压，另一种是切除电容器时由于开关发生重燃产生的过电压。第1种过电压产生的原因主要是由于电容器上的电压不能突变所致。当合闸时系统电压会迅速下降，引起暂态振荡，最后达到新的稳定。此暂态过程产生的过电压与合闸时间有关,但最高不会超过2倍的系统电压。第2种暂态过电压是因为开关发生重燃时，电容器上的初始电压与系统电压极性相反，从而在暂态过程中可能产生3倍以上的过电压。这种过电压对电容器的危害性更为严重。
对于切除电容时的过电压，又可以分为单相重燃和两相重燃2种情况。其中两相重燃引起的相间过电压尤为严重，最大值可以达到6倍系统电压以上。因此在如此高的电压之下相间TV发生爆炸就不足为怪了。
2.4 B变电站TV烧毁的原因分析
B变电站烧毁的TV是母线上用于测量相电压的三相五柱式TV，连接在零序回路里。这种TV烧毁现象是由于铁磁谐振引起的。如前所述，铁磁谐振过电压是一种常见的非线性谐振过电压。
图3为单相电感电容串联电路。在该电路中，如果电感和电容的参数不匹配，则不会产生串联谐振，电路中也不会出现过电流。但是电感的参数是非线性的，当流过电感的电流过大，电感铁心就会出现饱和现象，其伏安特性如图4所示。
图中uL(i)为电感伏安特性曲线。电感一般工作在伏安特性曲线开始的线性部分，当遇到过电压过电流时，运行点则会沿着曲线上升到非线性部分。当运行点上升到电感伏安特性曲线与电容伏安特性曲线相交处时，就会引起串联谐振。图3的电路当发生串联谐振时电感和电容的组合等效于一根导线，电路中的电流在理论上为无限大，这就是简单意义上的铁磁谐振。
图3 单相电感电容串联电路
图4 铁磁谐振伏安特性曲线
在中压电网中，TV直接安装在母线上。因电路为容性，TV会与互感器电感组成零序回路，系统等值图如图5所示。
图5 三相等效电路
电力系统运行和实验表明，当TV的电感和线路对地电容匹配时，在一定的条件下（如空载母线合闸、瞬时短路故障消失等，这些情况都可能引起TV铁心饱和），便会产生不同频率的铁磁谐振。随着线路长度的增加，依次会发生3倍频谐波谐振、基频谐振、分频谐振。TV是三相电器，所以它引起的铁磁谐振是三相铁磁谐振。
电力系统运行和物理仿真实验表明，当电源向空载母线合闸时最容易出现3倍频谐波谐振；有时当变电站的出线很短时，也可能出现3倍频谐振。因负荷电流引起的压降很小，甚至没有，所以电压常常较高，其主要危害在于过电压倍数较高，往往引起主设备的绝缘被击穿或TV爆炸，后果十分严重。3倍频谐振主要表现为三相电压同时升高。
基波谐振通常表现为2相电压升高，1相电压降低。因基频谐振和工频电压是同频率，比较容易从电源获得能量，所以基频谐振能产生很大的过电流，有时表现得非常强烈，比较容易造成TV爆炸。
分频谐振总是表现为2相电压同时升高，它的主要危害也是产生过电流。分频谐振引起的过电流虽没有基频谐振过电流大，但也往往超过了TV的热稳定允许电流值，在长期分频谐振作用下也可能烧毁TV。
3 解决方案
TV爆炸对配电网的安全运行构成重大威胁，爆炸飞溅物有可能损伤其他正在运行的设备，甚至引起短路而造成停电事故，因此必须尽快解决。
3.1 由操作过电压引起的事故
对于由操作过电压引起的TV爆炸事故，解决的根本办法是提高断路器的熄弧能力，也可以采用限制电压幅值的办法。以下提供3种解决方案：
（1） 改善真空接触器的开关特性。鉴于电容器自动投切装置中其他4组电容器没有发生过TV爆炸事故，可以认为优良的开关特性能够限制重燃过电压的产生。因此最简便的解决措施就是更换开关特性优良的真空接触器。
（2） 在事故电容器组上加装避雷器。避雷器的持续运行电压应按线电压考虑，同时为了提高对相间过电压的保护能力，建议采用带串联间隙的四星型氧化锌避雷器。接线如图6所示。
图6 避雷器四星型接线
（3） 对于A变电站爆炸的TV，由于其接在断路器的电容侧，可以采用将原来接在线间的TV改为三相星型接法，中性点直接接地，然后在二次侧串联出原来需要的线电压的办法来防止TV爆炸。这样当断路器断开后，电容器上的残余电荷将通过星接的TV放电。由于TV的直流电阻很大（3～15kΩ），过渡过程衰减较快，使断路器两端最大恢复电压降低，避免重燃或减小重燃后的过电压幅值。
3.2 由铁磁谐振引起的事故
对于由铁磁谐振引起的TV爆炸事故，解决途径可以是改变运行操作方式，或采用励磁特性好的TV，甚至采用电容式TV。但是最可行的办法还是限制TV上的过电压，防止其进入饱和区。为此可采用的手段有：①在原来星接TV的中性点和地之间加入一个特殊设计的第4
TV，保证TV所承受的电压不大于相电压，同时改变二次接线，以保证原TV的测量精度。这种方法造价低，可以解决大部分铁磁谐振问题。②在系统中性点串联消谐电抗器，破坏谐振条件。③综合考虑系统电容电流的大小，如果需要，可以加装消弧线圈。消弧线圈可以彻底解决铁磁谐振问题，而且对于其他形式的过电压都有很好的抑制作用。但是消弧线圈造价高，在系统电容电流较小的情况下加装消弧线圈是不经济的。
4 结束语
经过各个方面的比较，2个变电站分别采取了更换开关特性优良的开关方案和在原来星接TV的中性点与地之间加入一个特殊设计的第4 TV的方案，满足了各自现场运行的需要。
5 参考文献
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