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摘要
本文分析了乌力吉木仁66kV变电站10 kV电磁式电压互感器（TV）在四次爆炸中产生的原因，阐述了10 kV电力系统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，提出了防止电磁式电压互感器（TV）爆炸事故的解决方案和纠正预防措施，满足了本地区电网设备安全稳定运行的要求。
由于本人能力有限，此论文中难免会出现遗漏或错误，希望广大读者给予指点和更正。
关键词： 过电压；电磁式电压互感器；事故分析；铁磁谐振；操作过电压
中图分类号：F407文献标识码： A
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及以下的配电网中，由于普遍采用中性点非有效接地方式，所以过电压现象出现的概率比较大。过电压能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于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，本文就乌力吉木仁变电站10 kV电磁式电压互感器（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。
1 事故现场基本情况
（1）事故设备名称： 母线设备柜
（2）设备型号规格：XGN28C型母线设备柜
（3）设备接线图：
（4）使用地点：通辽市扎鲁特旗乌力吉木仁66kV变电站
（5）事故时间：2012年5月18日至2013年5月20日
（6）事故概述：
1）2012年9月28日PT柜A相PT烧毁。我局临时采用敖林达变电站拆下的一只靖江产的PT更换后恢复送电，送电后： A相电压70伏左右，B相电压60伏左右，C相电压90伏左右， AB相线电压100伏左右，AC相线电压120伏左右，BC相线电压170伏左右，开口电压不到5伏。
2）2012年10月3日PT柜三相PT均烧毁。
3）2012年10月 5日晚三只PT又烧了，开口三角微断合不上。
4）2013年5月20日线路发生接地故障后,21日凌晨全站停电，运行人员到变电站及架空线路中查找接地故障点，最终没有找到，试投运后PT柜母线避雷器放电烧毁，进一步检查后发现A相PT烧毁，A相的高压熔断器套管烧毁；临时用一台靖江产的11kV互感器替换，恢复送电。
2 事故现场原因分析
（1）本柜为常见母线设备柜方案，柜内主要设备为隔离开关（科锐自产）、电压互感器（大连一互，中间运行人员更换时使用过江苏靖江的）、避雷器（武汉科锐）、熔断器（陕西振力，中间运行人员更换时使用过其他品牌）。除隔离开关外均发生过烧毁，这些烧毁的产品均为国内知名品牌产品，包括江苏靖江的互感器，均有着良好的运行记录及口碑。
（2）从获得的2012年9月28日、10月3日及2013年5月20日三天的后台电压曲线记录（图1~图8）上可见，事故前均发生了长时间的大幅度电压不稳定现象，可见有多次较长时间单相接地及过电压（同一时间内某相低，另两相升高），由于记录是日曲线，无法看到更详细的波形信息（该站没有安装故障录波设备），故从曲线图上不能明确判断是何种形式的单相接地，但可排除PT本身引起的单相接地，因为PT本身若发生单相接地，可能有两种情况均会被测量装置记录下来，其一为高压包对铁心绝缘击穿，其二为低压包或二次引线接地，但无论是哪种情况，其事故发展都是非常迅速的，会在十几秒到几分钟之内即烧毁。
（3）对2013年5月20日烧毁的PT进行解剖，查看其烧毁的直接原因，从解剖后的照片（见图13）看，高压线包绝缘从内至外完全烧毁，从解剖前照片（见图14）看，PT有裂痕，并有融化后的半导电物喷溅出来，此种现象通常有两种原因引起，一是PT过激（励磁饱和），二是二次短路，均会引起PT的烧毁及炸裂，可排除PT本身质量问题。
（4）从2012年10月3日的事故恢复过程看（见事故概述第3条，信息来自运行人员描述），开口三角回路有短路故障。但之前的故障并未出现微断合不上的情况，故判断此次故障为微机二次消谐回路烧毁，由此可判断当时PT发生过激，使微机消谐装置动作，装置内固态继电器烧毁致开口三角回路处于接近短路状态，PT过热烧毁。
（5）PT根据故障发生时间查当地（扎旗）天气记录（见图9~11），在几次事故发生时及发生前均伴有雷雨天气。
（6）几次事故中，母线设备柜及站内其他开关柜内均未见一次对地放电痕迹，只在母线设备柜PT隔室可见PT或避雷器或熔断器烧毁痕迹，由上述第2条，可判断，系统接地及过电压来源于站外，即线路。
（7）熔断器的开断能力与其两端电压及通过的电流均有关系（熔断器特性曲线见图12），过多偏离其电压、电流额定值时均会导致其不能正常开断，此时极有可能导致其内部重燃，并爆炸，从单相接地的电压特征上看，即存在两端电压大幅偏离额定电压的情况，所以，在几次PT烧毁时，亦有熔断器炸裂的情况。由于谐振记录不全，无法判断当时的PT电流情况，不能判断是否有由于电流过多偏离额定值引起的熔断器爆炸情况。
（8）本站出线均为架空线路，其中镇直线全长超过50公里，支柱绝缘子数量较大，而乌力吉木仁站地处草原地区，地势开阔，通常以電力塔杆为相对较高物体，极易遭受雷击，且该地区年平均雷暴日达27.9天，从3月至11月均有发生，见图15，在内蒙古地区属于雷暴多发地区。
（9）对出线线路巡线，发现有支柱绝缘子击穿现象。
综上所述，可判断多次PT烧毁事故的直接原因均为架空线路支柱绝缘子绝缘问题在遭受雷电过电压时引发间歇性孤光接地进而导致的PT谐振（其中2012年10月3日的一起直接原因为微机二次消谐装置烧损引起，但其间接原因仍为线路间歇性弧光接地），线路上绝缘子为无机绝缘材料（瓷），其绝缘可恢复特性使得其在系统正常情况下亦能够正常运行，但在雷电过电压发生时，则会诱使其发生间歇性弧光接地，在过电压条件或气候条件得以消失时，又会恢复正常，这从上述第5条可见其关联性。
图
图2
图3
图4
图5
图6
图7
图8
图9
图10
图11
图12 XRNP3A-12/0.5
图132013年5月20日事故PT解剖图
图14 2013年5月20日事故PT解剖前状态
图15内蒙古各区域雷暴日数月际变化
3事故分析结论及预防措施
（1）分析结论：1）事故根本原因为线路上绝缘子遭受雷电过电压时产生间歇性弧光接地，并导致PT谐振烧毁；
2）事故变电站站处地区为内蒙古雷暴多发地区，导致的PT烧毁的原因很难消除，出线线路长，事故概率高；
3）原因条件持续时间长，现有一次及二次消谐措施难以消除上述原因引起的谐振。
（2）预防措施：1）巡线，及时检查出线路上存在绝缘问题的器件并及时更换，可采用低频耐压设备进行检测，以减低工作量，提高检出率；
2）加装消弧线圈设备（不推荐优先选用，其造价相对较高）；
3）加装消弧柜，取代原PT柜，PT采用大容量产品。
4 解决方案
系统中存在的过电压并非单一出现的，它们之间存在着必然的联系，比如操作过电压、弧光过电压以及三相电压不平衡等都可能激发铁磁谐振的产生，对于过电压我们要进型整体防护，可采取下列方法实施：在乌力吉木仁66kV变电站安装配电聚优柜，取代原PT避雷器柜。
图16 配电柜接线图
（1）配电聚优柜的特点
在供配電系统中，由于电压互感器的非线性电感与线路对地电容的匹配而引起铁磁谐振过电压， 引起PT发热和PT熔丝熔断现象，严重时会引起PT及其熔丝爆炸，造成事故。配电聚优柜主要是针对解决系统中的电压互感器容易烧毁及PT保险易熔断的问题研发的保护装置，同时还能解决系统中的过电压保护死去及盲区，比如：母线中消弧柜或消弧线圈动作前的过电压，中性点不接地系统用消弧柜，虽然能够有效解决弧光过电压，但是在消弧柜动作前的过电压无法解决，这就形成了保护死区。
图17聚优柜接线图
聚优柜采用 “瞬悬复”和“聚优”技术，可完全取代PT柜，可以做成固定柜，也可做成手车式。
图18聚优柜原理图
如上图18，正常运行时智能开关PTK是闭合的。当中性点不接地系统发生单相接地时，故障点流过电容电流，未接地相的电压升高到线电压，其对地电容充以与线电压相应的电荷。在接地故障期间，此故障点产生电容电流，以接地点为通路，在电源一导线一大地间流通，此时由于互感器的激磁阻抗很大，其中流过的电流却很小。但是，一旦接地故障消除，这个电流通路被切断，非接地相必须由线电压瞬间恢复到正常相电压水平。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的电荷，就只有通过互感器高压绕组，经其原来接地的中性点进入大地。在这一瞬变过程中，聚优柜控制器通过采集电压信号的变化及时打开PTK 智能开关，将一阻尼电阻串接到PT一次中性点与地之间，从而将接地打开瞬间的低频饱和电流限制下去，有效保护了PT及其保险。
图19PT使用“瞬悬复”技术前后对比图
“聚优”技术：配电聚优柜内ETY-G方波通流容量最大达3200A/2ms，能够解决系统过电压能量大的各种过电压，防止避雷器及过电保护器因通流量不够造成的损坏，更好解决了过电压保护器产品解决不了的过电压。 根据聚优柜的保护特性，配合系统中的过电压保护器及避雷器等保护产品的特性，优化过电压的保护曲线。
（2）配套控制器特点：
1）配套控制器采用双CPU,主CPU采用国际先进的 32位DSP处理器、该控制器具有如下功能：
2）配套控制器具有0-300Hz全频消谐功能,能够对电网谐振时的种种频率成份能快速分析，准确地辨出：单相接地、过渡过程、电网谐振。如果是谐振，根据不同频率，计算机发出不同的指令使不同的消谐电路投入，实现快速消谐，经实际运行证明该装置对连续0-300Hz谐振均判断准确，动作迅速，较完善地解决了电力系统中电网的谐振问题。 比传统单片机二次微机消谐装置更完善；
3）配套控制器能够进行64个动作顺序记录、64个事件顺序记录和96个SOE顺序记录且掉电不丢失功能；
4）配套控制器具有金属接地、弧光接地报警功能和过电压、低电压、失压等保护功能；
5）配套控制器具有RS485和CAN通讯接口，可接入电气监控系统，实现信息上送功能；
5整改后效果
配电聚优柜全频消谐电路配合“瞬悬复”技术可以有效的消除铁磁谐振和低频涌流对PT及PT保险的冲击，解决PT保险容易烧和PT爆炸的问题；大容量吸收器器能有效消除系统过电压保护死去和盲区，还可防止避雷器及过电保护器因通流量不够造成的损坏，更好解决了过电压保护器产品解决不了的过电压。 根据聚优柜的保护特性，配合系统中的过电压保护器及避雷器等保护产品的特性，优化过电压的保护曲线，保护了10kV母线设备安全稳定的运行。
6 结束语
在完成本次论文的过程中，感谢各位同事、领导和北京科锐厂家的同志们！谢谢你们给我的意见、建议和帮助，让我在工作中不断地成长，顺利完成本次论文。
7参考文献
[1].贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理.中国电力出版社.2003，1
[2].何仰赞,温增银 .电力系统分析.华中科技大学出版社.2001
[3].董振亚.电力系统过电压保护.中国电力出版社.1997
[4]DL/400-91.继电保护及安全自动装置技术规程. 1991
[5] 周泽存.高电压技术.北京：中国电力出版社，1988.
[6] 解广润.电力系统过电压.北京：水利电力出版社，1985.
注：1、环氧树脂的燃点在530~540℃左右；
2、硅橡胶的温度指数在300~400℃，在含氧量为20.9%及以上，此温度下即可燃烧；
本文分析了乌力吉木仁66kV变电站10 kV电磁式电压互感器（TV）在四次爆炸中产生的原因，阐述了10 kV电力系统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，提出了防止电磁式电压互感器（TV）爆炸事故的解决方案和纠正预防措施，满足了本地区电网设备安全稳定运行的要求。
由于本人能力有限，此论文中难免会出现遗漏或错误，希望广大读者给予指点和更正。
关键词： 过电压；电磁式电压互感器；事故分析；铁磁谐振；操作过电压
中图分类号：F407文献标识码： A
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及以下的配电网中，由于普遍采用中性点非有效接地方式，所以过电压现象出现的概率比较大。过电压能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于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，本文就乌力吉木仁变电站10 kV电磁式电压互感器（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。
1 事故现场基本情况
（1）事故设备名称： 母线设备柜
（2）设备型号规格：XGN28C型母线设备柜
（3）设备接线图：
（4）使用地点：通辽市扎鲁特旗乌力吉木仁66kV变电站
（5）事故时间：2012年5月18日至2013年5月20日
（6）事故概述：
1）2012年9月28日PT柜A相PT烧毁。我局临时采用敖林达变电站拆下的一只靖江产的PT更换后恢复送电，送电后： A相电压70伏左右，B相电压60伏左右，C相电压90伏左右， AB相线电压100伏左右，AC相线电压120伏左右，BC相线电压170伏左右，开口电压不到5伏。
2）2012年10月3日PT柜三相PT均烧毁。
3）2012年10月 5日晚三只PT又烧了，开口三角微断合不上。
4）2013年5月20日线路发生接地故障后,21日凌晨全站停电，运行人员到变电站及架空线路中查找接地故障点，最终没有找到，试投运后PT柜母线避雷器放电烧毁，进一步检查后发现A相PT烧毁，A相的高压熔断器套管烧毁；临时用一台靖江产的11kV互感器替换，恢复送电。
2 事故现场原因分析
（1）本柜为常见母线设备柜方案，柜内主要设备为隔离开关（科锐自产）、电压互感器（大连一互，中间运行人员更换时使用过江苏靖江的）、避雷器（武汉科锐）、熔断器（陕西振力，中间运行人员更换时使用过其他品牌）。除隔离开关外均发生过烧毁，这些烧毁的产品均为国内知名品牌产品，包括江苏靖江的互感器，均有着良好的运行记录及口碑。
（2）从获得的2012年9月28日、10月3日及2013年5月20日三天的后台电压曲线记录（图1~图8）上可见，事故前均发生了长时间的大幅度电压不稳定现象，可见有多次较长时间单相接地及过电压（同一时间内某相低，另两相升高），由于记录是日曲线，无法看到更详细的波形信息（该站没有安装故障录波设备），故从曲线图上不能明确判断是何种形式的单相接地，但可排除PT本身引起的单相接地，因为PT本身若发生单相接地，可能有两种情况均会被测量装置记录下来，其一为高压包对铁心绝缘击穿，其二为低压包或二次引线接地，但无论是哪种情况，其事故发展都是非常迅速的，会在十几秒到几分钟之内即烧毁。
（3）对2013年5月20日烧毁的PT进行解剖，查看其烧毁的直接原因，从解剖后的照片（见图13）看，高压线包绝缘从内至外完全烧毁，从解剖前照片（见图14）看，PT有裂痕，并有融化后的半导电物喷溅出来，此种现象通常有两种原因引起，一是PT过激（励磁饱和），二是二次短路，均会引起PT的烧毁及炸裂，可排除PT本身质量问题。
（4）从2012年10月3日的事故恢复过程看（见事故概述第3条，信息来自运行人员描述），开口三角回路有短路故障。但之前的故障并未出现微断合不上的情况，故判断此次故障为微机二次消谐回路烧毁，由此可判断当时PT发生过激，使微机消谐装置动作，装置内固态继电器烧毁致开口三角回路处于接近短路状态，PT过热烧毁。
（5）PT根据故障发生时间查当地（扎旗）天气记录（见图9~11），在几次事故发生时及发生前均伴有雷雨天气。
（6）几次事故中，母线设备柜及站内其他开关柜内均未见一次对地放电痕迹，只在母线设备柜PT隔室可见PT或避雷器或熔断器烧毁痕迹，由上述第2条，可判断，系统接地及过电压来源于站外，即线路。
（7）熔断器的开断能力与其两端电压及通过的电流均有关系（熔断器特性曲线见图12），过多偏离其电压、电流额定值时均会导致其不能正常开断，此时极有可能导致其内部重燃，并爆炸，从单相接地的电压特征上看，即存在两端电压大幅偏离额定电压的情况，所以，在几次PT烧毁时，亦有熔断器炸裂的情况。由于谐振记录不全，无法判断当时的PT电流情况，不能判断是否有由于电流过多偏离额定值引起的熔断器爆炸情况。
（8）本站出线均为架空线路，其中镇直线全长超过50公里，支柱绝缘子数量较大，而乌力吉木仁站地处草原地区，地势开阔，通常以電力塔杆为相对较高物体，极易遭受雷击，且该地区年平均雷暴日达27.9天，从3月至11月均有发生，见图15，在内蒙古地区属于雷暴多发地区。
（9）对出线线路巡线，发现有支柱绝缘子击穿现象。
综上所述，可判断多次PT烧毁事故的直接原因均为架空线路支柱绝缘子绝缘问题在遭受雷电过电压时引发间歇性孤光接地进而导致的PT谐振（其中2012年10月3日的一起直接原因为微机二次消谐装置烧损引起，但其间接原因仍为线路间歇性弧光接地），线路上绝缘子为无机绝缘材料（瓷），其绝缘可恢复特性使得其在系统正常情况下亦能够正常运行，但在雷电过电压发生时，则会诱使其发生间歇性弧光接地，在过电压条件或气候条件得以消失时，又会恢复正常，这从上述第5条可见其关联性。
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图2
图3
图4
图5
图6
图7
图8
图9
图10
图11
图12 XRNP3A-12/0.5
图132013年5月20日事故PT解剖图
图14 2013年5月20日事故PT解剖前状态
图15内蒙古各区域雷暴日数月际变化
3事故分析结论及预防措施
（1）分析结论：1）事故根本原因为线路上绝缘子遭受雷电过电压时产生间歇性弧光接地，并导致PT谐振烧毁；
2）事故变电站站处地区为内蒙古雷暴多发地区，导致的PT烧毁的原因很难消除，出线线路长，事故概率高；
3）原因条件持续时间长，现有一次及二次消谐措施难以消除上述原因引起的谐振。
（2）预防措施：1）巡线，及时检查出线路上存在绝缘问题的器件并及时更换，可采用低频耐压设备进行检测，以减低工作量，提高检出率；
2）加装消弧线圈设备（不推荐优先选用，其造价相对较高）；
3）加装消弧柜，取代原PT柜，PT采用大容量产品。
4 解决方案
系统中存在的过电压并非单一出现的，它们之间存在着必然的联系，比如操作过电压、弧光过电压以及三相电压不平衡等都可能激发铁磁谐振的产生，对于过电压我们要进型整体防护，可采取下列方法实施：在乌力吉木仁66kV变电站安装配电聚优柜，取代原PT避雷器柜。
图16 配电柜接线图
（1）配电聚优柜的特点
在供配電系统中，由于电压互感器的非线性电感与线路对地电容的匹配而引起铁磁谐振过电压， 引起PT发热和PT熔丝熔断现象，严重时会引起PT及其熔丝爆炸，造成事故。配电聚优柜主要是针对解决系统中的电压互感器容易烧毁及PT保险易熔断的问题研发的保护装置，同时还能解决系统中的过电压保护死去及盲区，比如：母线中消弧柜或消弧线圈动作前的过电压，中性点不接地系统用消弧柜，虽然能够有效解决弧光过电压，但是在消弧柜动作前的过电压无法解决，这就形成了保护死区。
图17聚优柜接线图
聚优柜采用 “瞬悬复”和“聚优”技术，可完全取代PT柜，可以做成固定柜，也可做成手车式。
图18聚优柜原理图
如上图18，正常运行时智能开关PTK是闭合的。当中性点不接地系统发生单相接地时，故障点流过电容电流，未接地相的电压升高到线电压，其对地电容充以与线电压相应的电荷。在接地故障期间，此故障点产生电容电流，以接地点为通路，在电源一导线一大地间流通，此时由于互感器的激磁阻抗很大，其中流过的电流却很小。但是，一旦接地故障消除，这个电流通路被切断，非接地相必须由线电压瞬间恢复到正常相电压水平。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的电荷，就只有通过互感器高压绕组，经其原来接地的中性点进入大地。在这一瞬变过程中，聚优柜控制器通过采集电压信号的变化及时打开PTK 智能开关，将一阻尼电阻串接到PT一次中性点与地之间，从而将接地打开瞬间的低频饱和电流限制下去，有效保护了PT及其保险。
图19PT使用“瞬悬复”技术前后对比图
“聚优”技术：配电聚优柜内ETY-G方波通流容量最大达3200A/2ms，能够解决系统过电压能量大的各种过电压，防止避雷器及过电保护器因通流量不够造成的损坏，更好解决了过电压保护器产品解决不了的过电压。 根据聚优柜的保护特性，配合系统中的过电压保护器及避雷器等保护产品的特性，优化过电压的保护曲线。
（2）配套控制器特点：
1）配套控制器采用双CPU,主CPU采用国际先进的 32位DSP处理器、该控制器具有如下功能：
2）配套控制器具有0-300Hz全频消谐功能,能够对电网谐振时的种种频率成份能快速分析，准确地辨出：单相接地、过渡过程、电网谐振。如果是谐振，根据不同频率，计算机发出不同的指令使不同的消谐电路投入，实现快速消谐，经实际运行证明该装置对连续0-300Hz谐振均判断准确，动作迅速，较完善地解决了电力系统中电网的谐振问题。 比传统单片机二次微机消谐装置更完善；
3）配套控制器能够进行64个动作顺序记录、64个事件顺序记录和96个SOE顺序记录且掉电不丢失功能；
4）配套控制器具有金属接地、弧光接地报警功能和过电压、低电压、失压等保护功能；
5）配套控制器具有RS485和CAN通讯接口，可接入电气监控系统，实现信息上送功能；
5整改后效果
配电聚优柜全频消谐电路配合“瞬悬复”技术可以有效的消除铁磁谐振和低频涌流对PT及PT保险的冲击，解决PT保险容易烧和PT爆炸的问题；大容量吸收器器能有效消除系统过电压保护死去和盲区，还可防止避雷器及过电保护器因通流量不够造成的损坏，更好解决了过电压保护器产品解决不了的过电压。 根据聚优柜的保护特性，配合系统中的过电压保护器及避雷器等保护产品的特性，优化过电压的保护曲线，保护了10kV母线设备安全稳定的运行。
6 结束语
在完成本次论文的过程中，感谢各位同事、领导和北京科锐厂家的同志们！谢谢你们给我的意见、建议和帮助，让我在工作中不断地成长，顺利完成本次论文。
7参考文献
[1].贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理.中国电力出版社.2003，1
[2].何仰赞,温增银 .电力系统分析.华中科技大学出版社.2001
[3].董振亚.电力系统过电压保护.中国电力出版社.1997
[4]DL/400-91.继电保护及安全自动装置技术规程. 1991
[5] 周泽存.高电压技术.北京：中国电力出版社，1988.
[6] 解广润.电力系统过电压.北京：水利电力出版社，1985.
注：1、环氧树脂的燃点在530~540℃左右；
2、硅橡胶的温度指数在300~400℃，在含氧量为20.9%及以上，此温度下即可燃烧；