中石化西北油田分公司魏斌、蒲军：顺北油田二区变电站35kV电压互感器烧毁故障分析

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油田电网运行中，35kV系统和10kV系统为中性点经消弧线圈接地系统或不接地系统，在电网发展时期，系统参数可能处于谐振区，电磁式电压互感器易发生铁磁谐振现象，产生过电压或过电流，严重时会烧毁电压互感器。中石化西北油田分公司的魏斌、蒲军针对这一问题在2024年第2期《电气技术》上撰文对顺北油田二区变电站35kV系统发生的3次电压互感器烧毁故障开展研究，得出电力系统处于谐振区，电压互感器铁磁谐振是造成电压互感器烧毁的原因。通过采取投入消弧线圈、应用饱和特性好的电压互感器和4PT改造等措施，有效治理了铁磁谐振。

顺北油田位于塔克拉玛干沙漠北部，地下油气分布为条带式。在四条带开发初期，由于地层压力足，油井多为自喷井，顺北二区110kV变电站早于油气处理站而建设，其35kV配电网处于轻载状态，容易发生电压互感器（potential transformer, PT）铁磁谐振，严重时3次造成35kV电压互感器烧毁故障。

1 顺北油田电网简介

顺北油田电网的电源引自新疆阿克苏沙雅县220kV海楼变电站。当前，顺北油田电网由3座110kV变电站、110kV输电网、35kV配电网和10kV配电网组成。110kV输电网由3级两回110kV线路串联，线路长度共计223km。各110kV变电站分35kV线路和10kV线路配电。电网总容量110MV∙A，年均负荷26.8MV∙A。

1.1 顺北二区变电站电网结构

顺北二区变电站为110kV预制舱式变电站，两台主变容量为20MV∙A，均为三圈变压器，主变联结组标号为YNyn0D11。

变电站110kV系统为大电流接地系统，35kV系统为经消弧线圈接地系统，10kV系统为不接地系统。

顺北二区变电站的35kV系统由变压器35kV三相绕组、母线、断路器、电磁式电压互感器、电力线路、电缆和消弧线圈等组成。顺北二区变电站简化主接线如图1所示。

图1 顺北二区变电站简化主接线

1.2 35kV配电网系统参数模型

通过对变电站主要系统元件参数进行整合，建立35kV系统参数模型如图2所示。

图2 35kV系统参数模型

若消弧线圈未投入，则电压互感器绕组同系统对地电容组成串联回路。若消弧线圈投入，则电压互感器绕组、系统对地电容并联后，再与变压器35kV绕组、主变中性点的消弧线圈绕组组成串联回路。

各元件参数值见参数（1）：

参数（1）

2 故障过程

2.1 故障前系统运行方式

谐振时顺北二区变电站电网运行方式如下：两台主变并列运行，110kV母联合位，35kV母联合位，主变中性点的35kV消弧线圈退出。两条35kV线路合计带载85kW。

2.2 故障经过

1）2022年7月11日，油田电调后台报顺北二区变电站35kVⅠ段和Ⅱ段 3 U 0 越限，通知电力值班人员现场巡视。 电力值班人员对35kV电压互感器本体、保护装置、故障录波和监控后台等进行巡视检查，发现35kV Ⅱ段A相二次电压已降至40V左右，同时闻到35kV Ⅱ段PT柜有烧焦气味，停电检查发现35kV Ⅱ段A相PT烧坏。

2）2022年9月16日，油田电调后台报顺北二区变电站35kV Ⅱ段电压 3U0电压异常、A相电压降低。电力值班人员现场巡视发现，35kVⅠ段PTA相熔断器熔丝熔断，A相PT烧坏，高压中性点消谐电阻烧坏。

3）2022年9月27日，油田电调后台报顺北二区变电站35kVC相电压降低。电力值班人员现场检查发现，35kVⅠ段C相PT匝间短路烧坏，高压中性点消谐电阻烧坏。

3 故障原因查找

故障发生后，电力检修人员对电压互感器本体、二次回路等进行检查，同时调阅消弧线圈装置与故障录波器记录，情况如下。

3.1 电压二次回路的检查

进行二次回路电缆的绝缘试验和短路检查，试验合格，排除二次回路故障。

3.2 35kV电压互感器本体试验

对未烧毁的电压互感器进行试验，试 验数据如下。

1）绝缘、耐压测试数据

电压互感器绝缘测试数据见表1，耐压测试数据见表2。从表1和表2可以看出，绝缘测试数据满足国家电网DL/T 596—2021《电力设备预防性试验规程》规定的一次绕组对二次绕组及地绝缘电阻≥2500M W ，二次绕组之间及对地绝缘电阻≥1000MW； 耐压测试数据满足出厂试验值的80%。

表1 电压互感器绝缘测试数据

表2 电压互感器耐压测试数据

2）直流电阻和励磁感抗测试数据

电压互感器直流电阻测试数据见表3。电压互感器的一次绕组分A、B、C三相，采用星形联结；二次绕组分A、B、C三相，每相有四个绕组，分别为1x-1n，2x-2n，3x-3n，dx-dn（x=a, b, c），其中dx-dn绕组采用开口三角形联结，其余绕组采用星形联结。电压互感器一次绕组的感抗为 X L =260k W 。

直流电阻测试数据满足国家电网DL/T 596— 2021《电力设备预防性试验规程》规定，感抗值偏小，同等规格电压互感器感抗值在M W 级。

表3 电压互感器直流电阻测试数据

3）励磁特性试验数据

电压互感器励磁特性试验数据见表4。励磁特性满足1.9 U n （Un为二次额定电压100V）电压无拐点要求，但电压互感器的额定容量为40V∙A，极限容量为100V∙A，小于1.9Un的实际容量277.41V∙A。

表4 电压互感器励磁特性试验数据

3.3 故障录波调阅

7月11日的故障录波如图3所示，其余两次故障录波曲线变化特征与之相同。故障录波数据见表5。

图3 7 月11日故障录波

表5 故障录波数据

从表5可以看出，35kV PT烧坏前，3 U 0 逐步升高，从4.66kV升高到8.39kV，三相电压不平衡度逐渐增大。

4 故障分析

4.1 铁磁谐振产生原理

1）35kV电压互感器铁磁谐振原理

PT铁磁谐振曲线如图4所示，系统正常运行时，电压互感器未饱和，感抗大于容抗，工作在a点，此时回路呈感性，电容、电感电压较低，回路电流较小，是非谐振工作点。当某相电压互感器过电压饱和后，感抗降低，并联回路的工作点从a点上升到b点，由于b点不稳定，跳跃至c点，即稳定的铁磁谐振点。

图4 PT铁磁谐振曲线

2）铁磁谐振的参数范围

查阅国内对各种谐波振荡条件的模拟试验，随着系统容抗与系统感抗比值 X C /X L 的增大，依次发生1/2分次谐波、基波和3次谐波的谐振，同时所需的谐振回路电压 E X 也逐渐增大，得出谐振范围为 X C /X L ＜0.01。

3）铁磁谐振的激发条件

电网35kV系统出现扰动，如电压互感器突然合闸、电网中单相接地故障突然消失时，弧光接地自动熄灭、线路断线和系统电流电压变化等激发谐振。

4）铁磁谐振后的电压电流现象

铁磁谐振导致中性点位移电压，35kV电压不平衡。铁磁谐振发生后，电压互感器三相绕组因承受电压不同，某相铁心饱和，电感变小，该相对地导纳呈感性，电压互感器另两相电压低，呈容性，每相对地总阻抗不相等，且三相对地阻抗不平衡程度越大， U n 越高，中性点电压出现偏移，其计算公式如式（1）所示，中性点电压相量偏移如图5所示。

式（1）

图5 中性点电压相量偏移

中性点位移电压升高后，三相导线的对地电压等于各相电源电势与中性点位移电压的相量和。相量叠加的结果是单相电压降低，两相电压升高。电压降低幅度与不平衡度 K t 有关。

5）铁磁谐振的危害及现象

谐振分为工频、高频、分频谐振三种形式。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。

工频谐振过电压与电网发生单相接地时的现象相似，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。

4.2 电压互感器烧毁原因分析

1）首先根据1.2节的35kV配电网系统参数模型，在故障前与故障后的运行方式下，估算系统元件参数值，判断35kV系统是否处于谐振区。

顺北二区35kV系统在电压互感器烧毁期间，未投入消弧线圈，电压互感器和系统对地电容组成串联回路。根据PT励磁感抗XL为260k W ，系统容抗XC为2.7kW， X C / X L =0.01，刚好进入谐振区。

2）其次查找电网是否有谐振激发条件：查阅顺北电力运维班组的运维记录，3次电压互感器烧毁前，电网有两次单相接地恢复，有一次倒闸操作，说明故障前35kV系统具备扰动条件。

再结合3.3节的故障录波可知：电压互感器烧毁前，3U0逐步升高，最高到10.83kV，三相电压不平衡。以上现象符合电压互感器饱和发生铁磁谐振过电压的特征，即35kV电压互感器励磁饱和，感抗降低，中性点电压升高。

3）电压互感器铁磁谐振发生期间，顺北35kV线路有功功率为225kW，无功功率为326kvar，电流为5.8A，回路损耗很小，阻尼小，满足系统空载和轻载容易发生谐振的条件。

综合以上数据和分析，可以得出顺北二区变电站35kV电压互感器烧毁是因为铁磁谐振，发生铁磁谐振同系统运行方式处于谐振区、系统处于轻载运行状态和电网具备谐振激发条件有关。

另外，该变电站为预制舱式变电站，35kV开关柜为 SF 6 充气柜，柜体尺寸较真空断路器柜体尺寸小。 35kV电压互感器受限于柜体尺寸，结构紧凑，发生铁磁谐振后，热量不易散发，导致电压互感器和保险同时烧毁。

5 铁磁谐振治理措施

根据上述分析结论，先后采取如下措施：

1）首先联系电调改变35kV系统中性点接地方式，投入35kV消弧线圈。由于消弧线圈为预补偿，35kV系统从串联谐振回路变为电压互感器绕组同系统对地电容并联后，再与变压器35kV绕组和主变中性点的消弧线圈组成串联回路，打破了串联谐振条件，同时系统单相接地有扰动时，能提前补偿电容电流，消除弧光短路，消除谐振激发条件。

2）联系厂家更换饱和特性好的电压互感器，阻抗为M W 级，励磁特性拐点＞1.9 U n ，伏安极限输出＞300V∙A； 同时研究将电磁式电压互感器改造成电容互感器 ，从谐振发生原理上消除谐振可能。

3）研究并进行电压互感器4PT联结改造，增大回路电抗，打破XC/XL＜0.01的谐振条件。

4）通知倒闸班，优化倒闸操作方式，即投空母联时，先将PT退出，投入母联后，再投入PT，防止满足激发条件。

5）同电调自动化班联系，加强系统监控手段，根据电压互感器铁磁谐振发生前，35kV系统会产生零序电压越限和相电压不平衡等现象，在电调系统设置遥测越限报警，实现早发现早干预。

综合采取以上治理措施后，经过1年多的运行检验，顺北二区变电站35kV系统未再发生电压互感器因铁磁谐振烧毁的故障。

6 结论

在油田电网建设时期，部分变电站的35kV系统或10kV系统每年新建电力线路，电网参数处于变化状态，可能进入谐振区，且接地方式为不接地或经消弧线圈接地，容易激发电压互感器铁磁谐振，如塔河油田发电一厂35kV系统的电压互感器一次保险频繁熔断。同新疆喀什地方电网、阿克苏地方电网交流，部分电网在轻载时，容易发生电压互感器铁磁谐振故障。

因此，在变电站设计阶段应考虑此问题，估算线路参数，提前采取预防措施，如使用电容式电压互感器，使用成熟的4PT以增大感抗，35kV母线安装电容进行系统参数调整等措施。

本工作成果发表在2024年第2期《电气技术》，论文标题为“顺北油田二区变电站35kV电压互感器烧毁故障分析”，作者为魏斌、蒲军。

中国电工技术学会

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