順北油田二區變電站35kV電壓互感器燒毀故障分析

魏 斌 蒲 軍

順北油田二區變電站35kV電壓互感器燒毀故障分析

魏 斌 蒲 軍

（中石化西北油田分公司，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841600）

油田電網運行中，35kV系統和10kV系統為中性點經消弧線圈接地系統或不接地系統，在電網發展時期，系統參數可能處于諧振區，電磁式電壓互感器易發生鐵磁諧振現象，產生過電壓或過電流，嚴重時會燒毀電壓互感器。本文對順北油田二區變電站35kV系統發生的3次電壓互感器燒毀故障開展研究，得出電力系統處于諧振區，電壓互感器鐵磁諧振是造成電壓互感器燒毀的原因。通過采取投入消弧線圈、應用飽和特性好的電壓互感器和4PT改造等措施，有效治理了鐵磁諧振。

鐵磁諧振；消弧線圈；勵磁特性

0 引言

順北油田位于塔克拉瑪干沙漠北部，地下油氣分布為條帶式。在四條帶開發初期，由于地層壓力足，油井多為自噴井，順北二區110kV變電站早于油氣處理站而建設，其35kV配電網處于輕載狀態，容易發生電壓互感器（potential transformer, PT）鐵磁諧振，嚴重時3次造成35kV電壓互感器燒毀 故障。

1 順北油田電網簡介

順北油田電網的電源引自新疆阿克蘇沙雅縣220kV海樓變電站。當前，順北油田電網由3座110kV變電站、110kV輸電網、35kV配電網和10kV配電網組成。110kV輸電網由3級兩回110kV線路串聯，線路長度共計223km。各110kV變電站分35kV線路和10kV線路配電。電網總容量110MV?A，年均負荷26.8MV?A。

1.1 順北二區變電站電網結構

順北二區變電站為110kV預制艙式變電站，兩臺主變容量為20MV?A，均為三圈變壓器，主變聯結組標號為YNyn0D11。

變電站110kV系統為大電流接地系統，35kV系統為經消弧線圈接地系統，10kV系統為不接地系統。

順北二區變電站的35kV系統由變壓器35kV三相繞組、母線、斷路器、電磁式電壓互感器、電力線路、電纜和消弧線圈等組成[1]。順北二區變電站簡化主接線如圖1所示。

圖1 順北二區變電站簡化主接線

1.2 35kV配電網系統參數模型

通過對變電站主要系統元件參數進行整合，建立35kV系統參數模型如圖2所示。

圖2 35kV系統參數模型

若消弧線圈未投入，則電壓互感器繞組同系統對地電容組成串聯回路[2]。若消弧線圈投入，則電壓互感器繞組、系統對地電容并聯后，再與變壓器35kV繞組、主變中性點的消弧線圈繞組組成串聯回路[3]。各元件參數值如下。

1）消弧線圈參數：容量630kV?A，共9檔，補償電流8.8～28A，電抗值774.5～2 525.9W。

2）電壓互感器感抗值：經試驗，電壓互感器的勵磁感抗值為260kW。

3）35kV系統容抗值：35kV系統估算容抗為a/Cz=2 696W，其中系統額定電壓a為37.5kV，Cz為系統總容性電流。

35kV線路有兩條，共長59.3km，估算電容電流為5.93A；出線電纜兩條，共長0.4km，估算電容電流為1.18A，35kV系統容抗值的具體計算如下：

線路電容電流C1=5.93A+1.18A=7.11A，電力設備電容電流C2=0.13×7.11A=0.92A，系統總容性電流Cz=C1+C2=8.03A，系統總容抗C=37 500V÷1.732÷ 8.03A=2 696W。

2 故障過程

2.1 故障前系統運行方式

諧振時順北二區變電站電網運行方式如下：兩臺主變并列運行，110kV母聯合位，35kV母聯合位，主變中性點的35kV消弧線圈退出。兩條35kV線路合計帶載85kW。

2.2 故障經過

1）2022年7月11日，油田電調后臺報順北二區變電站35kV Ⅰ段和Ⅱ段30越限，通知電力值班人員現場巡視。電力值班人員對35kV電壓互感器本體、保護裝置、故障錄波和監控后臺等進行巡視檢查，發現35kV Ⅱ段A相二次電壓已降至40V左右，同時聞到35kV Ⅱ段PT柜有燒焦氣味，停電檢查發現35kV Ⅱ段A相PT燒壞。

2）2022年9月16日，油田電調后臺報順北二區變電站35kV Ⅱ段電壓30電壓異常、A相電壓降低。電力值班人員現場巡視發現，35kV Ⅰ段PT A相熔斷器熔絲熔斷，A相PT燒壞，高壓中性點消諧電阻燒壞。

3）2022年9月27日，油田電調后臺報順北二區變電站35kV C相電壓降低。電力值班人員現場檢查發現，35kV Ⅰ段C相PT匝間短路燒壞，高壓中性點消諧電阻燒壞。

3 故障原因查找

故障發生后，電力檢修人員對電壓互感器本體、二次回路等進行檢查，同時調閱消弧線圈裝置與故障錄波器記錄，情況如下。

3.1 電壓二次回路的檢查

進行二次回路電纜的絕緣試驗和短路檢查，試驗合格，排除二次回路故障。

3.2 35kV電壓互感器本體試驗

對未燒毀的電壓互感器進行試驗[4]，試驗數據如下。

1）絕緣、耐壓測試數據

電壓互感器絕緣測試數據見表1，耐壓測試數據見表2。從表1和表2可以看出，絕緣測試數據滿足國家電網DL/T 596—2021《電力設備預防性試驗規程》規定的一次繞組對二次繞組及地絕緣電阻≥2 500MW，二次繞組之間及對地絕緣電阻≥1 000MW；耐壓測試數據滿足出廠試驗值的80%。

表1 電壓互感器絕緣測試數據

表2 電壓互感器耐壓測試數據

2）直流電阻和勵磁感抗測試數據

電壓互感器直流電阻測試數據見表3。電壓互感器的一次繞組分A、B、C三相，采用星形聯結；二次繞組分A、B、C三相，每相有四個繞組，分別為1-1n，2-2n，3-3n，d-dn（=a, b, c），其中d-dn繞組采用開口三角形聯結，其余繞組采用星形聯結。電壓互感器一次繞組的感抗為L=260kW。

直流電阻測試數據滿足國家電網DL/T 596—2021《電力設備預防性試驗規程》規定，感抗值偏小，同等規格電壓互感器感抗值在MW級。

表3 電壓互感器直流電阻測試數據

3）勵磁特性試驗數據

電壓互感器勵磁特性試驗數據見表4。勵磁特性滿足1.9n（n為二次額定電壓100V）電壓無拐點要求，但電壓互感器的額定容量為40V?A，極限容量為100V?A，小于1.9n的實際容量277.41V?A。

表4 電壓互感器勵磁特性試驗數據

3.3 故障錄波調閱

7月11日的故障錄波如圖3所示，其余兩次故障錄波曲線變化特征與之相同。故障錄波數據見 表5。

圖3 7月11日故障錄波

表5 故障錄波數據

從表5可以看出，35kV PT燒壞前，30逐步升高，從4.66kV升高到8.39kV，三相電壓不平衡度逐漸增大。

4 故障分析

4.1 鐵磁諧振產生原理

1）35kV電壓互感器鐵磁諧振原理

PT鐵磁諧振曲線如圖4所示，系統正常運行時，電壓互感器未飽和，感抗大于容抗，工作在a點，此時回路呈感性，電容、電感電壓較低，回路電流較小，是非諧振工作點。當某相電壓互感器過電壓飽和后，感抗降低，并聯回路的工作點從a點上升到b點，由于b點不穩定，跳躍至c點，即穩定的鐵磁諧振點。

圖4 PT鐵磁諧振曲線

2）鐵磁諧振的參數范圍

查閱國內對各種諧波振蕩條件的模擬試驗，隨著系統容抗與系統感抗比值CL的增大，依次發生1/2分次諧波、基波和3次諧波的諧振，同時所需的諧振回路電壓X也逐漸增大，得出諧振范圍為CL＜0.01。

3）鐵磁諧振的激發條件

電網35kV系統出現擾動，如電壓互感器突然合閘、電網中單相接地故障突然消失時，弧光接地自動熄滅、線路斷線和系統電流電壓變化等激發諧振[5]。

4）鐵磁諧振后的電壓電流現象

鐵磁諧振導致中性點位移電壓，35kV電壓不平衡[6]。鐵磁諧振發生后，電壓互感器三相繞組因承受電壓不同，某相鐵心飽和，電感變小，該相對地導納呈感性，電壓互感器另兩相電壓低，呈容性，每相對地總阻抗不相等，且三相對地阻抗不平衡程度越大，n越高，中性點電壓出現偏移，其計算公式如式（1）所示，中性點電壓相量偏移如圖5所示。

圖5 中性點電壓相量偏移

中性點位移電壓升高后，三相導線的對地電壓等于各相電源電勢與中性點位移電壓的相量和。相量疊加的結果是單相電壓降低，兩相電壓升高。電壓降低幅度與不平衡度t有關。

5）鐵磁諧振的危害及現象

諧振分為工頻、高頻、分頻諧振三種形式。工頻和高頻鐵磁諧振過電壓的幅值一般較高，可達額定值的3倍以上，起始暫態過程中的電壓幅值可能更高，危及電氣設備的絕緣結構。工頻諧振過電壓與電網發生單相接地時的現象相似，引起“虛幻接地”現象。分頻鐵磁諧振可導致相電壓低頻擺動，勵磁感抗下降，過電壓并不高，一般在2倍額定值以下，但感抗下降會使勵磁回路嚴重飽和，勵磁電流急劇加大，電流大大超過額定值，導致鐵心劇烈振動，使電壓互感器一次側熔絲過熱燒毀[7]。

4.2 電壓互感器燒毀原因分析

1）首先根據1.2節的35kV配電網系統參數模型，在故障前與故障后的運行方式下，估算系統元件參數值，判斷35kV系統是否處于諧振區。

順北二區35kV系統在電壓互感器燒毀期間，未投入消弧線圈，電壓互感器和系統對地電容組成串聯回路。根據PT勵磁感抗L為260kW，系統容抗C為2.7kW，C/L=0.01，剛好進入諧振區[8]。

2）其次查找電網是否有諧振激發條件：查閱順北電力運維班組的運維記錄，3次電壓互感器燒毀前，電網有兩次單相接地恢復，有一次倒閘操作，說明故障前35kV系統具備擾動條件。

再結合3.3節的故障錄波可知：電壓互感器燒毀前，30逐步升高，最高到10.83kV，三相電壓不平衡。以上現象符合電壓互感器飽和發生鐵磁諧振過電壓的特征，即35kV電壓互感器勵磁飽和，感抗降低，中性點電壓升高。

3）電壓互感器鐵磁諧振發生期間，順北35kV線路有功功率為225kW，無功功率為326kvar，電流為5.8A，回路損耗很小，阻尼小，滿足系統空載和輕載容易發生諧振的條件。

綜合以上數據和分析，可以得出順北二區變電站35kV電壓互感器燒毀是因為鐵磁諧振，發生鐵磁諧振同系統運行方式處于諧振區、系統處于輕載運行狀態和電網具備諧振激發條件有關。

另外，該變電站為預制艙式變電站，35kV開關柜為SF6充氣柜，柜體尺寸較真空斷路器柜體尺寸小。35kV電壓互感器受限于柜體尺寸，結構緊湊，發生鐵磁諧振后，熱量不易散發，導致電壓互感器和保險同時燒毀。

5 鐵磁諧振治理措施

根據上述分析結論，先后采取如下措施：

1）首先聯系電調改變35kV系統中性點接地方式，投入35kV消弧線圈[9]。由于消弧線圈為預補償，35kV系統從串聯諧振回路變為電壓互感器繞組同系統對地電容并聯后，再與變壓器35kV繞組和主變中性點的消弧線圈組成串聯回路，打破了串聯諧振條件，同時系統單相接地有擾動時，能提前補償電容電流，消除弧光短路，消除諧振激發條件。

2）聯系廠家更換飽和特性好的電壓互感器，阻抗為MW級，勵磁特性拐點＞1.9n，伏安極限輸出＞300V?A；同時研究將電磁式電壓互感器改造成電容互感器[10]，從諧振發生原理上消除諧振可能。

3）研究并進行電壓互感器4PT聯結改造[11]，增大回路電抗，打破C/L＜0.01的諧振條件。

4）通知倒閘班，優化倒閘操作方式，即投空母聯時，先將PT退出，投入母聯后，再投入PT，防止滿足激發條件[12]。

5）同電調自動化班聯系，加強系統監控手段，根據電壓互感器鐵磁諧振發生前，35kV系統會產生零序電壓越限和相電壓不平衡等現象，在電調系統設置遙測越限報警，實現早發現早干預。

綜合采取以上治理措施后，經過1年多的運行檢驗，順北二區變電站35kV系統未再發生電壓互感器因鐵磁諧振燒毀的故障。

6 結論

在油田電網建設時期，部分變電站的35kV系統或10kV系統每年新建電力線路，電網參數處于變化狀態，可能進入諧振區，且接地方式為不接地或經消弧線圈接地，容易激發電壓互感器鐵磁諧振，如塔河油田發電一廠35kV系統的電壓互感器一次保險頻繁熔斷。同新疆喀什地方電網、阿克蘇地方電網交流，部分電網在輕載時，容易發生電壓互感器鐵磁諧振故障。

因此，在變電站設計階段應考慮此問題，估算線路參數，提前采取預防措施，如使用電容式電壓互感器，使用成熟的4PT以增大感抗，35kV母線安裝電容進行系統參數調整等措施。

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Analysis on the burning fault of 35kV voltage transformer in the second district of Shunbei oilfield

WEI Bin PU Jun

(Sinopec Northwest China Petroleum Bureau, Bayingolin Mongolian Autonomous Prefecture, Xinjiang 841600)

During the operation of power grid in the oilfield, the 35kV and 10kV systems are neutral grounded or ungrounded systems through arc suppression coils. During the development period of the power grid, the system parameters may be in the resonance zone, and electromagnetic voltage transformers are prone to ferromagnetic resonance, generating overvoltage or overcurrent. In severe cases, the voltage transformers may be burned out. In this paper, three voltage transformer burn-out faults occurred in Shunbei No.2 substation are studied. The conclusion is drawn that the power system is in the resonant region, and the ferromagnetic resonance of voltage transformer is the cause of voltage transformer burn-out. By adopting measures such as investing arc suppression coils, applying voltage transformers with good saturation characteristics, and renovating 4PT, ferromagnetic resonance is effectively controlled.

ferromagnetic resonance; arc suppression coil; excitation characteristic

2023-10-09

2023-12-17

魏 斌（1975—），男，甘肅省天水市人，本科，高級工程師，主要從事油田電網運維管理工作。