摘要：中壓電壓互感器運行故障相對校多，其中大部分是由外部原因引起，本文著重就二次線圈短路或過載、鐵磁諧振、中性點懸浮等原因引起的中壓電壓互感器故障原因進行一些歸納，以便拋磚引玉。
1 前言
相較電流互感器(簡稱CT)而言，電壓互感器(簡稱PT或VT)運行故障較多，尤其是中壓電壓互感器。這是困擾用戶和生產(chǎn)廠家的一個老大難問題。從用戶角度出具的故障分析報告大都集中在互感器本身的質(zhì)量問題上，而且理由也貌似很充分，但卻有意無意地忽略了故障原因的真正本質(zhì)。例如：對于燒毀的電壓互感器，用戶角度的分析報告只是從線圈燒毀的情況來簡單判斷是互感器線圈的“匝間短路”或“絕緣損壞”引起，但報告常常忽略了引起匝間短路和絕緣損壞的真正原因：線圈發(fā)熱致絕緣損壞。眾所周知，中壓電壓互感器額定匝間電壓一般不會超過3V，即便在過電壓下，也不會超過15V。而互感器一、二次線圈繞制普遍采用的是直徑0.12mm及以上的QZ-2漆包線，其耐壓強度大于2000V，漆包線的絕緣水平遠比互感器匝間電壓要高出很多，根本就不在一個數(shù)量級上，因此完全能夠滿足運行要求。除非繞制過程中漆包線發(fā)生了刮傷的情況，而且兩匝間刮傷部位又剛好碰在了一起，才會發(fā)生匝間短路。即便如此，電壓互感器有兩項出廠試驗是可以檢測到匝間短路的，就是“感應(yīng)耐壓試驗”和“勵磁特性試驗”，感應(yīng)耐試驗的試驗電壓是額定電壓的3倍以上或更高，如果發(fā)生了匝間短路，感應(yīng)耐壓試驗將無法通過，而且其后的勵磁特性試驗也因過流而無法通過。因此，匝間短路在出廠試驗時就可檢測到，并被排除。另外還有工頻耐壓試驗、局部放電試驗等，總之，對于正規(guī)的互感器廠家而言，只要互感器有絕緣缺陷，是不可能通過出廠試驗的。但事實上，即便是國內(nèi)互感器的標桿企業(yè)，每年也難免遇到幾起互感器燒毀事故。
如果已經(jīng)通過了出廠試驗，而在運行中再發(fā)生匝間短路和絕緣損壞，那只能推測是其絕緣遭受了新的沖擊。而中壓電壓互感器線圈大都是澆注固化密封，或是由油-紙絕緣密封、高壓FS6氣體密封成形的，因此機械外力和化學(xué)腐蝕的損害基本可以排除，過電壓的電的損害也已在出廠試驗中排除，剩下的就是熱的損害了。只有互感器發(fā)生了內(nèi)部過熱，才最有可能對互感器絕緣發(fā)生新的沖擊，產(chǎn)生損害?；ジ衅鞫味搪泛丸F心飽和都有可能發(fā)生線圈過流，產(chǎn)生大量的熱能損壞絕緣，這才是問題的根本。
從多年經(jīng)歷的售后現(xiàn)場實踐看，中壓電壓互感器運行事故，其中絕大部分是由外部原因引起的。但由于是買方市場，事故現(xiàn)場取證困難等原因，外部原因引起的電壓互感器故障問題常常被忽視或有意隱瞞了，以下是一些故障分析及實例。
2 電壓互感器二次短路或過載引起的故障
電壓互感器二次短路或過載引起的互感器燒毀事故至少占電壓互感器燒毀事故的一半以上。據(jù)某公司內(nèi)部統(tǒng)計，2018年度，公司一共接到6起電壓互感器燒毀事故反饋，全部是環(huán)氧樹脂澆注絕緣中壓電壓互感器。其中有3起已查明是互感器二次接線錯誤導(dǎo)致燒毀，另有1起由客戶主動購買更換，也可確認不是互感器質(zhì)量原因。剩下2起，其中1起派人去現(xiàn)場未能查明事故原因，主要是現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料不全，產(chǎn)品接線也已變動;另一起未派人去現(xiàn)場，因時間緊急，直接發(fā)產(chǎn)品更換?？梢?，中壓電壓互感器燒毀的最主要原因還在于互感器二次接線這一外部原因。
電壓互感器二次接線錯誤引起的短路或過載表現(xiàn)在以下幾個方面：
2.1 V-V接法電壓互感器單相二次回路兩點接地致電壓互感器二次短路。
三相三線計量箱、計量柜中的電壓互感器，或三相三線組合互感器中的PT單元，一般是用兩臺單相電壓互感器采用V-V接法連接。見圖1中的VT部分。由于兩臺電壓互感器是完全相同的，一次標識全都為“A、B”，二次標識全都為“a、b”，這樣，與A、B相連接的PT1一般沒有問題，一、二次標識都能對應(yīng)，但與B、C相連接的PT2，往往就會出現(xiàn)問題。對于PT2，一次B相是接互感器的A端還是接B端，現(xiàn)場安裝時經(jīng)常會有這樣的疑問。其實只要一次和二次接線完全對應(yīng)，無論接互感器的A端還是接B端都是可以的。如果PT2一次A端接系統(tǒng)B相，則相應(yīng)的PT2的二次a端要與PT1的二次b端連接。反之，如果PT2一次B端接系統(tǒng)B相，則相應(yīng)的PT2的二次b端要與PT1的b端連接。但現(xiàn)場接線時，往往會將PT2的一次和二次接成反極性，即一次端A、B-A、B首尾相接，而二次兩個b端作為公共端同時接地。
圖1 三相三線電能表經(jīng)互感器接入示意圖
Figure 1 Schematic diagram of three-phase three-wire energy meteraccess through the transformer
V-V接法的計量PT，其中一臺PT反極性連接，還會造成電能表轉(zhuǎn)速變慢、反轉(zhuǎn)或不轉(zhuǎn)[1]，由于二次公共端b是必須接地的，當互感器其中一相極性接反后，如果互感器二次再無接地點，也不會造成互感器二次短路，但如果互感器二次還有另一個接地點，就很容易造成互感器二次因兩點同時接地而短路。
案例1：某油田項目組合互感器JLSZV77-10運行一個月燒毀，更換產(chǎn)品后運行不久再度燒毀(圖2)，派人去現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)PT單元C相在試驗接線盒部分錯誤接入電流回路端子中，并因接線盒內(nèi)電流回路短接片連接而發(fā)生短路(圖3)。
圖2 燒毀的組合互感器
Figure 2 Burnt combined transformer
圖3 電壓互感器二次短路
Figure 3 Voltage transformer secondary short circuit
圖中C相PT短路原因：PT二次線號6(黑線)通過接線盒接短接片連接藍線后地，線號7(黑色)直接接地。其它還有多處CT、PT接線錯誤，此略。
該項目故障排除后，運行3年，無質(zhì)量反饋。
案例2：某鐵路項目計量柜電壓互感器JDZ9-10開裂：同一個站發(fā)生兩次，頭一次是年檢時發(fā)現(xiàn)，更換一年后年檢再次發(fā)現(xiàn)開裂。
圖4電壓互感器開裂
Figure 4 Voltage transformer cracking
PT在運行中發(fā)生開裂的故障都在同一個站，查該站圖紙，其進線-計量柜圖紙有一個錯誤：BC相PT二次兩點接地(見圖5，圖6)，這與現(xiàn)場反饋的是BC相PT開裂的情況恰巧相符(圖紙中PT標示型號為JDZ10-10，實際采用的是JDZ9-10，正常情況下，JDZ9-10比JDZ10-10容量更大，絕緣強度更好)。
圖5
Figure 5
圖6
Figure 6
至于為什么都是運行一年后才燒毀，這個原因值得分析。此鐵路局本批共購買96臺JDZ9-10電壓互感器，分別安裝在多個不同的變電站中，已運行了兩年，只有這個圖紙錯誤的站先后發(fā)生過兩起PT開裂的事故，而且每次事故都是在電站例行年檢后發(fā)生。不排除實際接線未按圖紙，而年檢時發(fā)現(xiàn)接線“錯誤”，按圖紙更正接線后造成PT短路這一可能。
事實上，現(xiàn)場售后服務(wù)發(fā)現(xiàn)，重新更換新產(chǎn)品后，PT二次確實未按圖紙接線，輸出電壓也正常，第三次更換距今已運行近一年，再未有互感器開裂的反饋。
2.2 YN-YnΔ接法電壓互感器開口三角短路。
電壓互感器開口三角短路造成三相電壓互感器同時燒毀的事故，占電壓互感器二次短路燒毀的相當大一部分，這方面的分析文章較多[2] [3] [4]。由于三相平衡時，開口三角的電壓接近為0，因此開口三角短路時其短路電流較小，并未超過PT的極限輸出，可以長期運行，故障可能潛伏較長的時間不被發(fā)現(xiàn)，有的甚至超過兩年以上。而一旦系統(tǒng)接地故障出現(xiàn)，或系統(tǒng)三相出現(xiàn)嚴重不平衡，就會造成剩余繞組短路電流超過互感器所能承受的極限，使三臺互感器線圈發(fā)熱，絕緣損壞而燒毀。這就給客戶造成了一個誤解：他們認為如果PT二次短路，應(yīng)該運行不久就會燒毀，而如果運行了很長時間才燒毀，就應(yīng)該是產(chǎn)品質(zhì)量的問題。
開口三角短路的形式不一而足，有引線破皮短路的，有開口三角輸出端同時接地的，有因柜體絕緣檢測時接了短路片，檢測完成后忘記拆除短路片的，有二次消諧器擊穿短路的[5] [6]，還有并列運行時由于其中一組PT單相熔斷器熔斷，造成開口三角形成短路電流的[7]。
案例3：福建尤溪縣某公司項目三臺JDZX9-10型電壓互感器燒毀事故。KYN28A-12(Z)型開關(guān)柜，PT柜手車三臺PT同時燒毀，三支高壓熔斷器也同時熔斷(圖7)?，F(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)柜體端子排處(已斷開互感器)開口三角電阻幾乎為0(圖8),往PT端檢查發(fā)現(xiàn)PT二次引線已燒結(jié)（圖9）。
圖7
Figure 7
圖8
Figure 8
圖9
Figure 9
該項目故障排除后已運行8年，再無質(zhì)量反饋。
案例4：陜西榆林某煤礦配電項目三臺PT兩次燒毀。
開關(guān)柜(PT柜)型號：KYN28A-12(Z)。第一次燒毀，成套設(shè)備售后服務(wù)人員去現(xiàn)場檢查，說沒有發(fā)現(xiàn)接線錯誤。換上三臺新產(chǎn)品后，運行不久，再次燒毀。不得已，互感器公司派出售后服務(wù)人員。
故障現(xiàn)象：PT三相均有不同程度的損傷，接在三臺互感器中性點的一次消諧器引線被燒斷，三個高壓熔管也被燒斷(見圖10，圖11)。檢測發(fā)現(xiàn)實際接線與圖紙不符：圖紙要求端子排XT：36引出線L640接入小母線JM：11;端子排XT：37引出線N640接入小母線JM：10。而實際接線恰好相反：XT：36引出線L640接入了小母線JM：10(此為接地線);XT：37引出線N640接入了小母線JM：11。N640已通過接入XT：37的另一根接地線接地(圖13)。這樣2段PT的開口三角實際已通過地連接!(圖12)。
圖10
Figure 10
圖11
Figure 11
圖12
Figure 12
圖13
Figure 13
故障排除后，運行至今，已有10年，再未收到過PT故障的反饋。
2.3 PT二次回路過載致產(chǎn)品燒毀。
這種情況多發(fā)生在PT用作小容量供電電源時。由于開關(guān)柜中的斷路器儲能電機、加熱器、照明燈、自動化儀表等均需要220V電源，而用戶又不愿另外投入一臺所用變作為電源，一些成套設(shè)備的設(shè)計人員就創(chuàng)造性地采用了電壓互感器作為供電電源。這本無不可，電壓互感器就是特殊的變壓器，只要不超過互感器的極限輸出，PT作為臨時或長期供電電源都是沒有問題的，問題出在電源負荷能力的匹配上。一般情況下，一個小型的變電站配電房至少會有10個間隔的開關(guān)柜，平均每個開關(guān)柜需要的電源功率在150W～300W之間?；ジ衅鞯臉O限輸出也在300W～500W左右，如果僅作為一個開關(guān)柜的電源是沒有問題的，但有些成套設(shè)備設(shè)計人員卻忽視了互感器的極限輸出問題，常常用一臺互感器作為電源對10個以上的開關(guān)柜供電，同時，為了使供電能夠持續(xù)，他們在互感器與開關(guān)柜之間還加裝了一個2000W～3000W，8h的UPS不間斷電源，想當然地認為，可以用小容量的PT對UPS不間斷地充電，然后由UPS對開關(guān)柜供電。這里面忽視了一個最基本的原理：能量守恒定律。根據(jù)能量守恒定律，輸出的能量與輸入的能量是要相等的。如果PT的極限輸出只有500W，而UPS的輸出有2000W以上，那么PT的輸出也應(yīng)該要達到2000W以上，特別是在設(shè)備運行的初期，開關(guān)柜需要電能進行啟動，UPS也需要電能進行充電，PT的實際負荷幾乎要翻倍。僅用一個小容量的PT對設(shè)備供電，是不匹配的，運行不久，PT即會燒毀。案例5很好地說明了這一個問題。
案例5：遼寧領(lǐng)先國際城配電項目PT燒毀。
PT型號：JDZ10-10B，電壓比：10000V/220V;額定輸出及相應(yīng)準確級：300VA，3級;互感器極限輸出：500VA。
故障現(xiàn)象：兩臺互感器均從中部橫向斷裂，并從裂縫中流出黑色膠狀物，顯然是環(huán)氧樹脂在高溫熔化并炭化后形成(見圖14)。其中一臺是送電后3小時燒毀，另一臺是送電24小時后燒毀。
圖14
Figure 14
檢查互感器的二次接線及其回路，二次線圈直接短路的現(xiàn)象不存在。
但每臺故障互感器的二次輸出都是分別接有一個2000VA的UPS不間斷電源(見圖15)。
圖15
Figure 15
兩臺互感器故障發(fā)生時間的長短不同，與實際的分析也是相符合的。當UPS電源尚未充電即投運時，因為互感器要同時為UPS充電，還要為加熱電源及儲能電機等供電，兩個大負荷使互感器繞組不堪重負，在短期內(nèi)(約3小時)即燒毀;而當UPS通過其它電源充滿電后，再接入原系統(tǒng)，這時因為UPS已基本不需要互感器供電，所以互感器還能在單個較大負荷下維持較長的時間(約24小時)。將UPS用外接電源供電后，再未發(fā)生互燒毀事故。
通過多地出現(xiàn)同類事故后，現(xiàn)在成套設(shè)備設(shè)計人員普遍認清了這個問題，將PT的極限輸出提高到3000VA，此后再未發(fā)生此類事故。
2.4 PT二次同期回路接線錯誤。
這種情況發(fā)生很少，網(wǎng)上也有極個別的報道，曾遇到過兩次的B相PT燒毀也比較符合這一狀況。這主要是由于安裝不正確造成的。見圖16，電壓互感器二次同期回路一般情況下是星形接法中的b相通過熔斷器F2接后地，中性點通過擊穿保險JRD接地，正常運行時，擊穿保險端是懸浮的，不會造成b相兩端都接地，如果擊穿保險擊穿時，就會造成b相兩端都接地，b相通過地短路，此時熔斷器會熔斷以切斷短路回路。但如果安裝時熔斷器F2沒有安裝在繞組端，而是安裝在接地點之后(圖16中F2’的位置)，b相短路將不能切除，最終會導(dǎo)致B相PT燒毀。
圖16
Figure 16
2.5 半絕緣PT中性點N端懸浮。
半絕緣電壓互感器是指一次繞組兩個出線端絕緣水平不同的互感器。其高壓端A端絕緣水平是正常的額定絕緣水平，中性點N端的絕緣水平為3kV或5kV，屬降低絕緣水平。當N端懸浮時，一方面使中性點電位偏移，影響相電壓的測量[8]，另一方面，其產(chǎn)生的高壓有可能超過N端的耐壓承受能力，造成N端對地擊穿和對二次線圈擊穿。擊穿產(chǎn)生的局部過熱，直接損傷二次線圈的絕緣，使二次線圈發(fā)生匝間短路或?qū)Φ囟搪罚罱K導(dǎo)致互感器燒毀[9]。
半絕緣電壓互感器中性點懸浮多半是人為原因造成的。有的是安裝時連接中性點后沒有安裝接地線;有的是把接地線的安裝在防銹漆上面，造成了中性點的懸浮;還有的是因中性點連接一次消諧器選型不當，一次消諧器運行電壓超過了N端的耐受電壓。
案例6：貴州畢節(jié)某電站項目JDZXW-10C1型戶外電壓互感器A、C相燒毀（圖17）。
圖17
Figure 17
現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)PT底板及一次末端N端未接地，其中三臺PT的N端通過線連接后，接到了A相PT的底板上。但底板沒有專門的接地線(圖18)，支架有防銹漆。
圖18
Figure 18
案例7：內(nèi)蒙古納林希里某變電站兩臺PT燒毀（圖19）。
圖19
Figure 19
現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)PT一次消諧器型號不匹配，型號為LXQ-II-35不帶放電管，只適用于全絕緣電壓互感器（圖20）。正常型號應(yīng)該為LXQ(D)-II-35，這種消諧器帶放電管(圖21)，可以適用于半絕緣電壓互感器。
圖20
Figure 20
圖21
Figure 21
3 鐵磁諧振引起的PT故障
鐵磁諧振也是PT燒毀的重要原因，這方面的分析文章比較多[10] [11] [12][13] [14] [15] [16]。如果PT接線沒有錯誤，那么燒毀的原因大多是鐵磁諧振引起。
嚴格來說，鐵磁諧振與PT本身的勵磁性能是有一定關(guān)系的，但是，責(zé)任不在互感器本身。因為互感器出廠試驗報告都有勵磁特性曲線，作為電力系統(tǒng)的設(shè)計者應(yīng)該考慮互感器的固有參數(shù)，采取措施，選擇適當?shù)木€路參數(shù)，選擇合適的互感器，以避免互感器與線路發(fā)生鐵磁諧振。
鐵磁諧振中對互感器損害最大的是分頻諧振[17] [18] [19]。因為分頻諧振發(fā)生時，其頻率會降至額定頻率的1/2或1/3，此時鐵心將嚴重飽和，勵磁電流急劇增加，線圈發(fā)熱，絕緣損壞，最終致產(chǎn)品燒毀。
案例8：內(nèi)蒙古巴彥淖爾某變電站兩臺JDZXW9-35燒毀（圖22）。
圖22
Figure 22
8月9日收到現(xiàn)場反饋，B相故障。更換新產(chǎn)品后。9月20日，現(xiàn)場又反饋回來發(fā)現(xiàn)A相電阻異常。從消諧記錄看，8月7日，系統(tǒng)多次發(fā)生了嚴重的低頻諧振。特別是8月7日18時2分至3分間，25Hz諧振過電壓最高已經(jīng)達到了105V（圖23）。
圖23
Figure 23
4 PT三相電壓輸出不平衡問題探討
YN-YnΔ接法電壓互感器三相電壓輸出不平衡問題，是在PT一次中性點加裝了一次消諧器或加裝一臺消諧互感器之后發(fā)生的，這方面的分析文章也較多。主流觀點主要集中在電壓互感器勵磁特性的一致性上面[20] [21]，這當然是有道理的。但是，因為鐵心加工中的退火工藝并沒有達到精細化，所以PT成品鐵心勵磁特性的分散性還是比較大的，要保證鐵心勵磁特性一致，自然會給PT制造上增加了不少的成本。從另一方面來說，即便PT鐵心勵磁特性都完全一致，但一次回路中其它元件參數(shù)并不一致，也不一定能保證PT二次輸出的電壓是均衡的。文獻[22]就提出了一個新的促使PT三相輸出平衡的方法，也是值得借鑒的。
筆者在售后實踐中，也嘗試了一些互感器之外的方法，也收到了一定的效果。
案例8：內(nèi)蒙烏海某有機硅項目JDZX10-10三相電壓互感器不平衡。開口三角電壓3.2V，用戶以標準要求需2V以下，不愿通過檢測。產(chǎn)品在手車式PT柜中，PT手車除了裝有三臺PT以外，還裝有三支熔斷器和三支避雷器。考慮到避雷器是容性負荷，與PT的感性負荷必會產(chǎn)生相互的影響，因此將手車移出后，首先把A、C相避雷器進行了對調(diào)，然后推入手車運行，此時開口三角電壓已降至2.4V左右，再移出手車，將A、C相PT再對調(diào)后，開口三角電壓已降至1.9V，達到了客戶的要求。
從上述案例可見，影響PT二次輸出的不僅僅與PT的勵磁特性有關(guān)，也與其它元器件的配置以及主回路其它參數(shù)均有關(guān)。
5 結(jié)語
外部原因造成中壓電壓互感器故障情況很多，另有一些比較特殊的二次短路由于只是業(yè)內(nèi)傳聞，沒有列入，如PT二次因進小動物而短路，因進水而短路等。由于水平及條件所限，本綜述也許難免有些片面和偏頗，望行業(yè)技術(shù)專家批評指正。
