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摘要：电压互感器是电力系统重要的一次设备，本文通过分析出口电压互感器突发故障引发的发电机定子接地保护动作案例，探讨了出口电压互感器故障的诊断方法。
关键词：发电机；电压互感器； 故障
引言
随着电力事业的飞速发展，一些国家和地区开始呈现出小电网大机组的特征，再加之单机容量的不断增大，使得定子接地保护越来越重要。同时，由于电压互感器能够将高低压隔离，能够为仪表装置等提供统一标准的二次电压。因此，有必要加大对发电机定子接地保护动作和出口电压互感器故障的研究。
1.故障情况
2017年5月22日斐济某水电站现场电气保护触发了发电机95%定子接地故障保护误动故障。该水电站发电机保护装置由我公司负责设计并供货。现场保护动作后，经斐方相关人员检查发现，发电机定子绝缘正常，保护二次回路定值和动作逻辑均符合要求，但发电机出口一个电压互感器外壳出现了迸裂。该发电机出口电压互感器采用的是国产JDZX3—20型号的电磁式电压互感器。由于该电气保护误动故障，严重影响电气设备的安全和机组稳定的运行。对于如何避免该类故障的重复发生，提高机组运行的可靠性已成为亟待解决的问题。
2.电压互感器参数及故障设备照片
因本故障发生而造成迸裂的电压互感器，其二次侧带有开口三角绕组，详细的规格参数如表1所示。
斐方人员将出现迸裂的电压互感器从现场拆下来并拍照传给我司（如图1所示），并要求我司对此故障现象进行分析并采取有效可行的应对措施。故障原因分析从图1设备照片可清晰地看出表面的裂痕，从该表面现象初步分析判断引起此次发电机定子接地保护误动故障的原因可能有以下两个方面：
铁磁谐振引起的故障，在中性点非直接接地系统中，当系统运行状态发生突变时，电磁式电压互感器有可能发生铁磁谐振。高压侧的铁磁谐振使得电压互感器承受了超过标准的过电压，铁心迅速饱和，流过电压互感器一次绕组的电流很大，从而导致绕组绝缘过热，最终发生爆裂。
电压互感器二次侧发生短路，而二次侧的保险未及时动作，导致高压熔断器的熔断和电压互感器的損坏。
从现场反馈的情况知，电压互感器一次侧熔丝并未熔断，因此可排除故障发生的第二种原因。由此可推断故障引发的原因应为第一种，即铁磁谐振触发了电气保护误动，并造成了电压互感器的迸裂。而电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压是中性点不接地系统中最常见且造成事故最多的一种内部过电压，严重地影响供电安全，必须予以重视[1]。
3.电磁式电压互感器铁磁谐振产生的原因及危害
铁磁谐振的发生一般应具备三个条件。一是电磁式电压互感器的非线性效应，这是产生铁磁谐振的主要原因。二是电压互感器非线性电感要相当大，感抗和容抗的参数匹配要在谐振范围内。三是要有一定的外部激发条件，即系统有某种电压、电流的冲击扰动，如跳、合闸，瞬间短路等。
发电机出口电压互感器二次回路连接有测量回路、保护回路、计量回路、仪表装置回路的电压绕组等负载，是高阻抗回路，二次电流很小，因此电压互感器工作状态相当于空载运行的变压器，实际上就是一种只降电压的被限定结构和使用形式的特殊变压器。正常运行时，电压互感器开口三角的电压（3U0）理论上是0V，在实际中一般也不超过10V。当系统受到一定的激发条件诸如发生瞬时接地故障等现象时，3U0将会迅速升高，当3U0不断升高到一定值时就会形成过电压。当系统上电时，由于电压互感器三相绕组承受电压不同，会在电压互感器中产生很大的谐波电流，导致互感器内部铁心饱和，饱和后的电压互感器励磁电感变小，使二次侧的波形发生畸变。当畸变足够大时，当畸变使得电压互感器的感抗等于容抗时就会形成铁磁谐振。在形成的谐波含量中，三分频（17Hz），二分频（25Hz），三倍频（150Hz）三种谐波的成分比重比较大，其他的分量相对很小，一般可忽略。
铁磁谐振产生的过电流或过电压都有可能造成互感器的损坏，特别是发生低频谐振时，电压互感器相应的励磁阻抗大为降低，最终导致铁心饱和，励磁电流急剧增大，轻者使电磁式电压互感器的高压熔断器熔断、发生匝间短路或爆炸；重者则发生避雷器爆炸、相间短路、保护装置误动作等严重威胁供电系统和电气设备安全稳定运行的事故。而且谐振具有稳定性，若不采取措施消除就会持续存在[2]。
4.铁磁谐振的消除措施及故障处理
在中性点不接地系统中，电磁式电压互感器与母线或线路对地电容形成的回路在一定激发条件下可能发生铁磁谐振而产生过电压和过电流，使电压互感器损坏。想要消除铁磁谐振，就必须破坏谐振条件，保证系统的容性阻抗不能等于感性阻抗。工程应用中可采用的消除措施包括在电压互感器开口三角或互感器中性点与地之间装设专用的消谐器，亦可选用三相防谐振电压互感器，抑或在电压互感器开口三角端子上接入电阻或白炽灯泡等方法，进行强制性地破坏谐振条件。
微机消谐装置是放在电压互感器的二次侧开口三角绕组上（所以也叫二次消谐）用于消除铁磁谐振的仪器。其本质是一种高容量非线性电阻器，起到消耗能量、阻尼和抑制谐振的作用，同时电磁式电压互感器一次绕组涌流也将得到有效抑制，高压熔丝不再因为这种涌流而熔断。它与一次消谐器的区别在于微机消谐是一个消谐仪器，具有分析、记录、打印、上传等功能，能够消除工频、三倍频、二分频、三分频等频率谐振，因而能够避免由于铁磁谐振而时常发生的电压互感器烧毁甚至爆炸的恶性事故。
经与电压互感器厂家核实，最终对本电厂故障采取的应对措施是采用在电压互感器开口三角加装WXZ微机消谐装置。该装置能够实时显示系统时钟及电压互感器开口三角电压四种频率的电压分量，可以区分过电压、铁磁谐振及单相接地故障。并且装置能够实时监测电压互感器开口三角电压，运用DFT算法计算出零序电压四种频率的电压分量。WXZ微机消谐装置的突出特点是其增加了压敏元件，压敏元件的电抗随谐波电压而变化，从而破坏电压互感器铁磁谐振的产生条件。达到了实时在线消除运行过程中瞬态谐振的目的，极大地降低了谐振产生的可能性。如压敏元件未能完全消除电压互感器产生的铁磁谐振，则瞬间启动大功率消谐元件予以消除（消谐装置原理图如图2所示，各圆圈内数字代表装置端子排）。
WXZ消谐装置在消谐过程中，使用了最优决策算法寻找合理的消除点。因为谐波电压中三分频17Hz，二分频25Hz，三倍频150Hz谐波分量叠加在工频50Hz的基波上，将使基波波形发生严重畸变，在消谐元件出口消谐时，如不区分具体的消除点，就很容易造成电压互感器运行的不安全。所以装置能够根据最优决策理论找出合理的消除点（如图3所示），这样既可以消除谐波，又能保证基波不受或少受影响[3]。
5.结束语
综上所述，本文通过对该电厂发电机定子接地保护动作及发电机出口电压互感器的损坏现象进行诊断，分析了故障产生的原因，采用了在发电机出口电压互感器开口三角绕组处加装WXZ微机消谐装置使问题得到了圆满解决。
参考文献：
[1]励磁特性试验在电压互感器故障诊断中的应用[J].李宪栋，石月春，李强，韩法玲.水电与抽水蓄能.2018（03）
[2]从一起电压互感器烧毁事故谈铁磁谐振的防范[J].杨德浩. 农村电工.2017（04）
[3]浅析电压互感器选择[J].王宁.煤.2018（03）
关键词：发电机；电压互感器； 故障
引言
随着电力事业的飞速发展，一些国家和地区开始呈现出小电网大机组的特征，再加之单机容量的不断增大，使得定子接地保护越来越重要。同时，由于电压互感器能够将高低压隔离，能够为仪表装置等提供统一标准的二次电压。因此，有必要加大对发电机定子接地保护动作和出口电压互感器故障的研究。
1.故障情况
2017年5月22日斐济某水电站现场电气保护触发了发电机95%定子接地故障保护误动故障。该水电站发电机保护装置由我公司负责设计并供货。现场保护动作后，经斐方相关人员检查发现，发电机定子绝缘正常，保护二次回路定值和动作逻辑均符合要求，但发电机出口一个电压互感器外壳出现了迸裂。该发电机出口电压互感器采用的是国产JDZX3—20型号的电磁式电压互感器。由于该电气保护误动故障，严重影响电气设备的安全和机组稳定的运行。对于如何避免该类故障的重复发生，提高机组运行的可靠性已成为亟待解决的问题。
2.电压互感器参数及故障设备照片
因本故障发生而造成迸裂的电压互感器，其二次侧带有开口三角绕组，详细的规格参数如表1所示。
斐方人员将出现迸裂的电压互感器从现场拆下来并拍照传给我司（如图1所示），并要求我司对此故障现象进行分析并采取有效可行的应对措施。故障原因分析从图1设备照片可清晰地看出表面的裂痕，从该表面现象初步分析判断引起此次发电机定子接地保护误动故障的原因可能有以下两个方面：
铁磁谐振引起的故障，在中性点非直接接地系统中，当系统运行状态发生突变时，电磁式电压互感器有可能发生铁磁谐振。高压侧的铁磁谐振使得电压互感器承受了超过标准的过电压，铁心迅速饱和，流过电压互感器一次绕组的电流很大，从而导致绕组绝缘过热，最终发生爆裂。
电压互感器二次侧发生短路，而二次侧的保险未及时动作，导致高压熔断器的熔断和电压互感器的損坏。
从现场反馈的情况知，电压互感器一次侧熔丝并未熔断，因此可排除故障发生的第二种原因。由此可推断故障引发的原因应为第一种，即铁磁谐振触发了电气保护误动，并造成了电压互感器的迸裂。而电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压是中性点不接地系统中最常见且造成事故最多的一种内部过电压，严重地影响供电安全，必须予以重视[1]。
3.电磁式电压互感器铁磁谐振产生的原因及危害
铁磁谐振的发生一般应具备三个条件。一是电磁式电压互感器的非线性效应，这是产生铁磁谐振的主要原因。二是电压互感器非线性电感要相当大，感抗和容抗的参数匹配要在谐振范围内。三是要有一定的外部激发条件，即系统有某种电压、电流的冲击扰动，如跳、合闸，瞬间短路等。
发电机出口电压互感器二次回路连接有测量回路、保护回路、计量回路、仪表装置回路的电压绕组等负载，是高阻抗回路，二次电流很小，因此电压互感器工作状态相当于空载运行的变压器，实际上就是一种只降电压的被限定结构和使用形式的特殊变压器。正常运行时，电压互感器开口三角的电压（3U0）理论上是0V，在实际中一般也不超过10V。当系统受到一定的激发条件诸如发生瞬时接地故障等现象时，3U0将会迅速升高，当3U0不断升高到一定值时就会形成过电压。当系统上电时，由于电压互感器三相绕组承受电压不同，会在电压互感器中产生很大的谐波电流，导致互感器内部铁心饱和，饱和后的电压互感器励磁电感变小，使二次侧的波形发生畸变。当畸变足够大时，当畸变使得电压互感器的感抗等于容抗时就会形成铁磁谐振。在形成的谐波含量中，三分频（17Hz），二分频（25Hz），三倍频（150Hz）三种谐波的成分比重比较大，其他的分量相对很小，一般可忽略。
铁磁谐振产生的过电流或过电压都有可能造成互感器的损坏，特别是发生低频谐振时，电压互感器相应的励磁阻抗大为降低，最终导致铁心饱和，励磁电流急剧增大，轻者使电磁式电压互感器的高压熔断器熔断、发生匝间短路或爆炸；重者则发生避雷器爆炸、相间短路、保护装置误动作等严重威胁供电系统和电气设备安全稳定运行的事故。而且谐振具有稳定性，若不采取措施消除就会持续存在[2]。
4.铁磁谐振的消除措施及故障处理
在中性点不接地系统中，电磁式电压互感器与母线或线路对地电容形成的回路在一定激发条件下可能发生铁磁谐振而产生过电压和过电流，使电压互感器损坏。想要消除铁磁谐振，就必须破坏谐振条件，保证系统的容性阻抗不能等于感性阻抗。工程应用中可采用的消除措施包括在电压互感器开口三角或互感器中性点与地之间装设专用的消谐器，亦可选用三相防谐振电压互感器，抑或在电压互感器开口三角端子上接入电阻或白炽灯泡等方法，进行强制性地破坏谐振条件。
微机消谐装置是放在电压互感器的二次侧开口三角绕组上（所以也叫二次消谐）用于消除铁磁谐振的仪器。其本质是一种高容量非线性电阻器，起到消耗能量、阻尼和抑制谐振的作用，同时电磁式电压互感器一次绕组涌流也将得到有效抑制，高压熔丝不再因为这种涌流而熔断。它与一次消谐器的区别在于微机消谐是一个消谐仪器，具有分析、记录、打印、上传等功能，能够消除工频、三倍频、二分频、三分频等频率谐振，因而能够避免由于铁磁谐振而时常发生的电压互感器烧毁甚至爆炸的恶性事故。
经与电压互感器厂家核实，最终对本电厂故障采取的应对措施是采用在电压互感器开口三角加装WXZ微机消谐装置。该装置能够实时显示系统时钟及电压互感器开口三角电压四种频率的电压分量，可以区分过电压、铁磁谐振及单相接地故障。并且装置能够实时监测电压互感器开口三角电压，运用DFT算法计算出零序电压四种频率的电压分量。WXZ微机消谐装置的突出特点是其增加了压敏元件，压敏元件的电抗随谐波电压而变化，从而破坏电压互感器铁磁谐振的产生条件。达到了实时在线消除运行过程中瞬态谐振的目的，极大地降低了谐振产生的可能性。如压敏元件未能完全消除电压互感器产生的铁磁谐振，则瞬间启动大功率消谐元件予以消除（消谐装置原理图如图2所示，各圆圈内数字代表装置端子排）。
WXZ消谐装置在消谐过程中，使用了最优决策算法寻找合理的消除点。因为谐波电压中三分频17Hz，二分频25Hz，三倍频150Hz谐波分量叠加在工频50Hz的基波上，将使基波波形发生严重畸变，在消谐元件出口消谐时，如不区分具体的消除点，就很容易造成电压互感器运行的不安全。所以装置能够根据最优决策理论找出合理的消除点（如图3所示），这样既可以消除谐波，又能保证基波不受或少受影响[3]。
5.结束语
综上所述，本文通过对该电厂发电机定子接地保护动作及发电机出口电压互感器的损坏现象进行诊断，分析了故障产生的原因，采用了在发电机出口电压互感器开口三角绕组处加装WXZ微机消谐装置使问题得到了圆满解决。
参考文献：
[1]励磁特性试验在电压互感器故障诊断中的应用[J].李宪栋，石月春，李强，韩法玲.水电与抽水蓄能.2018（03）
[2]从一起电压互感器烧毁事故谈铁磁谐振的防范[J].杨德浩. 农村电工.2017（04）
[3]浅析电压互感器选择[J].王宁.煤.2018（03）