刘胜男，张永敏，杨艳，杨章俊，包积花
（国网青海省电力公司营销服务中心,青海 西宁 810000）
电压互感器作为电力系统中不可缺少并且广泛使用的重要电气设备，在电力系统中起着连接电气一、二次回路，实现电气一、二次系统的电气隔离以及将一次回路中的高电压转换为低电压供给继电保护、测量装置的重要作用[1]。电压互感器自身的运行情况将对电力系统产生重要影响，无论是外部原因还是其本身原因，亦或是二次回路引起的互感器故障都将严重危及电力系统的安全稳定运行[2]。
在目前投入运行的诸多电压互感器中，电磁式电压互感器的使用最为普遍。在实际运行中，电磁式电压互感器出现的多种故障时刻威胁着电力系统的安全。首先，由于电磁式电压互感器自身的结构特点在实际运行中易发铁磁谐振故障，产生较高的谐振过电压，甚至引发互感器爆炸和烧毁用电设备等事故，严重威胁电力系统安全[3-4]。为此，国内外学者对于如何抑制或消除互感器铁磁谐振故障做了大量研究。一些消谐措施已经在实际运行中被广泛采用，主要包括：采用励磁特性较好的互感器[5]、减少并联互感器数目[6]、用电容式电压互感器代替电磁式电压互感器[7]、在三相互感器中性点接入单相互感器[8]、中性点经消弧线圈接地[9]、一次侧中性点接非线性电阻[10]、开口三角形处接阻尼电阻[11]等。以上方法均是从破坏谐振条件或消耗谐振能量的角度出发来抑制铁磁谐振，但在实际应用中表现出的消谐效果并不理想，甚至还会带来附加问题。随着电力系统结构、规模的扩大，传统的消谐措施已经无法适应越来越复杂的电力系统结构，急需新的措施来应对复杂环境下的铁磁谐振故障。
得益于电力电子技术的发展，有学者提出了通过控制电力电子器件向中性点注入零序电流来抑制中性点电压偏移[12]或通过电力电子器件控制系统对地阻性电流[13]来抑制铁磁谐振的柔性抑制方法。基于电力电子器件的柔性抑制方法，通过对互感器铁磁谐振特征量的精确判别，能够根据铁磁谐振的故障情况自适应地改变注入电流的大小，以达到最佳消谐效果[14]，在日益复杂的电网结构中其优势越来越明显。
除铁磁谐振故障外，在实际运行中由于电网设计缺陷、绝缘老化、人员操作不规范等原因，电压互感器还经常出现二次回路多点接地、断线以及接线错误的故障情况[15-17]。以上故障均可能导致与电压互感器相连的继电保护设备误动、拒动，给电力系统安全带来巨大隐患。此外，多点接地故障作为隐性故障在正常运行时不易察觉，将进一步威胁电力系统安全[18]。目前采用的针对多点接地与接线错误故障的排查方法多是依靠巡检人员对每一个互感器逐一排查以确定是否有故障发生[19-20]，这不仅费时、费力，而且对故障情况判别的准确度不高。对于断线故障，采用的则是较为保守的退出大部分保护装置的措施[21]，这虽然可以防止保护装置因断线而误动，但是降低了电力系统在互感器断线期间应对其他问题的能力。
本文针对目前电力系统中电磁式电压互感器出现的铁磁谐振、二次侧多点接地、回路断线和接线错误的故障机制及危害进行了详细分析，总结了目前应对铁磁谐振故障的主要措施，深刻剖析了各类消谐措施基本原理以及这些措施存在的优缺点，最后简要分析部分文献中提出的针对互感器多点接地、回路断线和接线错误等隐性故障的防范和应对措施，以期为互感器故障防范和应对措施的改进和发展提供参考。
1.1 铁磁谐振
铁磁谐振是由电压互感器、变压器等铁磁电感因饱和而引起的过电压现象，常出现于电磁式电压互感器中[22]。以中性点不接地系统为例，在该系统中常在发电机或变电站母线上接Y 形接线且中性点直接接地的电磁式电压互感器[23]，其电路原理图如图1 所示，其中E1、E2、E3为三相电源电势，C1、C2、C3为各相线路对地电容，L1、L2、L3为互感器等效励磁电感。
图1 三相PT 接线原理图Fig.1 Schematic diagram of the three-phase PT wiring
在正常运行状态下，三相电源电势相等，各相电压互感器励磁特性相同且各相对地电容相等[24]，此时中性点电位为
式中Yi(i=1、2、3)为A、B和C相对地导纳，表示为
由于C1=C2=C3且L1=L2=L3，因此各相对地导纳也相等，式(1)可表示为
因为E1+E2+E3=0，所以中性点电位UN为0，此时不会发生铁磁谐振。但是一旦电力系统出现扰动，如单相接地故障、空载合闸母线等引起中性点电压发生位移，就可能使互感器饱和，引起铁磁谐振故障[25]。以电力系统中最常见的单相接地故障为例，在中性点不接地系统中，若A相发生金属性接地故障，其电压向量图如图2 所示，此时A相电压为0，中性点电压变为-UA，B、C相电压升高为原来的倍。因此，B、C相电压互感器励磁电流也将随电压升高而突然增大，使铁芯饱和。由于电压互感器的非线性励磁特性，其电感值将随之迅速减小[26]。此时三相之间的电感平衡被打破，将进一步加剧中性点位移。若电感降低时其数值刚好与电路电容相匹配，使得总导纳为0，则会引发谐振，产生较大的谐振过电压[27]。
图2 A 相接地电压向量图Fig.2 Vector plot of the ground voltage of phase A
一般情况下，互感器铁磁谐振均是由互感器铁芯的非线性饱和而引起。根据频率的不同，谐振分为基频谐振、分频谐振以及高频谐振，不同频率的谐振在发生时会表现出不同的特征，应对措施也会根据频率做出适当调整[28-29]。
从上述铁磁谐振的原理不难看出，电力系统发生铁磁谐振时，中性点电压升高，还会产生谐振过电压。较高的过电压不仅会导致电压互感器保险熔断，甚至烧毁电压互感器或者出现互感器爆炸事故，严重危及电力系统中的其他设备，造成重大安全事故。
1.2 二次侧多点接地
为防止电力系统一、二次绝缘损坏或击穿，危及电力设备及人身安全，电压互感器二次回路通常有且只有一个接地点[30]，属于保护性接地。但是一旦存在2 个或2 个以上接地点时，2 个接地点之间出现的电压、电流可能会使互感器电压异常[31]，导致继电保护装置出现误动或拒动。
以互感器二次侧两点接地为例，电气原理图如图3 所示。当前电力系统中变压器二次回路接地点通常接在保护装置中性点，即图3 的O点。假设此时因其他原因在二次回路出现另一接地点f，若两接地点距离过远或地网中有电流流过，f、O两点间便会出现电压差UfO，其方向与电流i同相。此时，保护装置测得电压为：
图3 互感器二次侧两点接地原理图Fig.3 Schematic diagram of the two-point grounding on the secondary side of the transformer
从式(4)不难看出，此时保护装置得到的电压已不再是互感器二次侧测得的电压，而是增加了一个附加电压UfO。因此，当前电压已经无法客观反映出系统的真实运行状况，当然也就不能再做出正确反应，即发生误动或是拒动。
1.3 回路断线
相比于电流互感器，电压互感器更容易受过电压、过电流的影响，导致二次回路出现断线故障，使得继电保护装置测得的电压降低或消失，致使阻抗继电器失压误动[32]。根据断线情况不同，电压互感器二次侧通常会出现一相断线、两相断线。现以一相断线为例分析其故障机制。
图4 示出电压互感器二次侧负载接线图，其中Zab、Zbc和Zac为互感器二次侧相间负载，Za、Zb和Zc为互感器二次侧相负载，、和为互感器二次侧电压。
图4 电压互感器二次侧负载接线图Fig.4 Wiring diagram of the secondary side load of the voltage transformer
此时若a相发生断线故障，由叠加定理可得
式中k1、k2为分压系数。通常情况下，互感器二次侧负载阻抗角相同，k1、k2为实数，表示为：
根据式(5)可做出a相断线后电压向量图，如图5 所示。
图5 电压互感器二次a 相断线电压向量图Fig.5 Vector plot of the secondary a phase break voltage of the voltage transformer
从图5 可以看出，由于互感器二次侧存在相间负载，二次侧a相断线后U˙a仅是幅值降低而非减为0，其相位变化了180°，于是，U˙ab、U˙ac的相位和幅值也将发生改变。这会导致继电保护装置的继电器接收到非正常电压而产生误动，将电力系统一次回路正常运行的线路或设备切除，发生不必要的停电事故。
1.4 接线错误
由于装设互感器人员的疏忽或者电网运行方式改变经常会导致互感器接线出错，并且这种错误的接线方式较难察觉，可能造成重大事故[33]。以目前电力系统中常用的互感器Y-Y 接线与V-V 接线为例进行分析。
图6 Y-Y A 相极性反接原理图Fig.6 Schematic of the polar backconnection of phase A Y-Y
图7 Y-Y A 相极性反接电压向量图Fig.7 Voltage vector plot of the polar inversion of phase A Y-Y
Ua相位旋转180°，幅值未改变，Uab与Uca幅值则变为原来的倍。
三相极性全反接时，二次侧电压相位全部旋转180°，幅值不变，也正因其幅值未发生改变，常规监测方法很难发现其错误。
2) V-V 接法。互感器二次侧额定电压取100 V。以一相反接为例，图8 为A相反接时接线原理图。
图8 V-V A 相反接原理图Fig.8 Schematic of the reverse connection of phase A V-V
根据图9 所示的电压向量图，可得：
图9 V-V A 相极性反接电压向量图Fig.9 Voltage vector plot of the polar inversion of phase A V-V
Uab与接线正确时相比，相位旋转了180°，幅值不变，而Uac的幅值则变为原来的倍，已不再是系统的正常电压。
V-V 接法两相极性全反接时，二次侧电压幅值不变，相位均变化180°。与Y-Y 接法三相极性全反接的情况相同，常规监测方法同样很难察觉此错误，使得电力系统存在重大隐患。
通过对电磁式电压互感器针铁磁谐振、二次侧多点接地、回路断线和接线错误故障机制的分析，不难发现，电磁式电压互感器出现的4 种常见故障产生的机制不同，所造成的危害也有差异。表1 给出了上述4 种故障情况的特点及危害。
表1 电磁式电压互感器常见故障及危害Tab.1 Common faults and hazards of electromagnetic voltage transformer
2.1 消除铁磁谐振的主要措施
电磁式电压互感器发生的铁磁谐振故障是互感器常见故障中危害最大也是最易发生的故障。如何抑制或消除互感器铁磁谐振是电网设计、运行中一个不得不考虑的问题。文献[34-37]研究了目前一系列抑制铁磁谐振的举措。
1）从铁磁谐振的产生机制出发，通过改变系统的参数从而破坏铁磁谐振产生的条件。具体措施如下。
①选用励磁特性较好的互感器。从铁磁谐振产生的根源看，发生谐振主要是由于互感器励磁特性差，铁芯在受到电网扰动后容易发生饱和而产生铁磁谐振，所以可以选用励磁特性好的互感器避免这个问题。但是此方法仅仅降低了谐振发生的概率，并不能完全避免铁磁谐振的产生。当电网受到的扰动过大时，谐振仍然不可避免，并且此时扰动较大，其故障后果往往更加严重。此外，如果并联的互感器台数较多，其励磁特性也会变差。因此，仅通过采用励磁特性较好的互感器来消除铁磁谐振是远远不够的。
②减少并联的互感器数目。当系统中并联的互感器数目较多时，互感器的励磁特性将会变差，更容易因系统扰动而达到饱和以致发生谐振故障。文献[36]通过仿真分析发现，当系统并联互感器数目减少时，其他消谐措施能起到更好的效果。此方法在取得一定抑制谐振效果的同时，还减少了互感器的数目，也减少了日常维护的花费，有着良好的经济性。但如果仅采取此方法其效果并不可观，最好将此方法作为其他消谐措施的辅助手段。
③用电容式电压互感器代替传统的电磁式电压互感器。电容式电压互感器的主要组成部件包括电容分压器、中压变压器、阻尼器等电磁元件，因其组成元件与结构的特点，电容式电压互感器对外呈容性，从而有效避免了与电网参数配合而产生的铁磁谐振。但是，电容式电压互感器内部就同时存在电容与非线性电感，自身具备了产生谐振的条件，在一定诱因下可能形成自身内部谐振产生大幅过电压[38]。虽然电容式电压互感器在110 kV 以上的电力系统中已取得广泛应用，但相比于电磁式互感器，其测量准确性较差、二次侧带负荷能力较弱，想要在实际应用中完全取代电磁式互感器，还有待自身结构及其性能的进一步提升。
④在中性点接入单相互感器。一方面，总体的励磁电抗增加，励磁特性得到改善，在很大程度上降低了谐振发生的可能性；
另一方面，在系统发生单相接地故障时，零序电压主要加在单相互感器上，有效降低了其余互感器的电压，防止铁芯饱和而产生谐振。目前在三相互感器中性点接入单相互感器的方法已广泛应用于中低压配电网中，具体的接线方式主要有2 种。
第1 种方法是将互感器二次三角绕组短接，如图10 所示。此接线方式简单，由单相互感器测量零序电压，并且可以有效抑制三次谐波，提高了互感器的测量精度。但是由于二次侧三角绕组短接，在系统发生单相接地故障后容易在三角绕组内部形成较大环流。
图10 三角绕组短路接线方式Fig.10 Short-circuit wiring mode of the triangle winding
第2 种方法是将单相互感器串接于二次侧三角绕组上，如图11 所示。该方法虽然有效避免了三角回路中的环流，但是其测量精度和消除谐振速度均有所下降。
图11 三角绕组开路接线方式Fig.11 Open-circuit wiring mode of the triangle winding
实际应用发现，采用在三相互感器中性点接入单相互感器的方法大大降低了系统发生铁磁谐振的概率。但是由于第4 个互感器的接入，破坏了系统参数的对称性，导致了电压的失衡以及测量电压波形的畸变[39]。针对此问题，文献[39]提出了一种自动投切单相互感器的方法，将系统零序电压作为系统单相接地故障的故障判据，在系统发生单相接地故障后，自动投入单相互感器，以消除因该故障带来的铁磁谐振，待故障消除后，再将单相互感器从系统中切除，从而保证了互感器在系统正常运行时的测量精度。
⑤系统中性点经消弧线圈接地。一般来说，消弧线圈的电感值要远远小于互感器的励磁电感。接入消弧线圈后，将破坏零序回路中的参数匹配关系，从而达到抑制铁磁谐振的效果。为了能在不断扩大的电网规模中保证一定的脱谐度，消弧线圈的电感值应当减小，较小的电感值使回路时间常数也相应减小，消谐进程也得到缩短，从而提升了抑制谐振的效果。此方法接线简单并且具有较好的全局性，只需要在系统中性点安装一台消弧线圈，便能取得良好的消谐效果，这也是此方法的一个突出优点。
2）在谐振产生后，通过消除谐振产生的能量，以达到抑制甚至消除谐振的目的。具体措施如下。
①互感器一次侧中性点接非线性电阻或消谐器。在互感器一次侧中性点接入非线性电阻后，增加了零序回路阻尼，能够起到消除谐振能量进而抑制谐振的效果[40]，其接线图如图12 所示。
图12 一次侧中性点接非线性电阻Fig.12 Neutral points on the primary side connect the nonlinear resistance
从理论上来说，所接入的非线性电阻的阻值越大，起到的抑制效果越好。但在实际运行中，过高的阻值不仅会引起电阻发热，还会在很大程度上影响零序电压的测量结果，若系统发生单相接地故障，可能还会影响保护装置的正确动作。因此需要根据不同网络的情况来配置接入非线性电阻的参数。虽然此方法消谐效果可观，并且具有一定的全局性，但是如果系统侧中性点直接接地的互感器数量较多，可能会使零序电压升高。
②互感器开口三角处接阻尼电阻。此方法电气原理图，如图13 所示。
图13 开口三角处接阻尼电阻Fig.13 Connect the damping resistance at the open triangle
在系统正常运行时，三角绕组开口处电压为三相电压之和，其值为零。当系统发生单相接地故障引发谐振后，三角绕组开口处出现3 倍的零序电压，用接入电阻的方法来消耗此时的谐振能量，以实现抑制谐振的效果。
从理论上讲，所接入电阻阻值越小，其消耗能量的能力越强，抑制谐振的效果也就越明显。但是若电阻值过小，在系统发生故障后，三角绕组中将会产生很大的环流，不仅会烧毁电阻本身、熔断高压熔丝，甚至还可能烧毁互感器[41]。在实际应用中，常常出现因接入电阻阻值设置不当而引发的电阻烧毁、互感器绕组过载等诸多问题[42]。针对此问题，文献[42]提出用单相可控电阻元件来代替传统的固定阻值电阻，并根据系统中性点的电压偏移量来调节电阻阻值。这样既能够在系统发生谐振时消耗谐振能量，抑制谐振，又能避免因电阻阻值过小而导致的互感器过载。虽然在阻尼电阻参数配置较好的情况下，在互感器开口三角接阻尼电阻的方法能取得可观的谐振抑制效果，但是在中性点直接接地的变电站中，该方法却不能有效消除铁磁谐振[43]。
3）柔性抑制策略。
虽然目前在工程实际中已经广泛采用了上述几种措施来抑制铁磁谐振，但是由于电力系统的复杂性、多样性，在应用中仍然存在各种各样的问题。对此，学者提出了通过实时检测配电网零序电压、三相电压的幅值来判断是否发生铁磁谐振故障，并控制电力电子设备向中性点注入零序电流来钳制中性点电位，吸收故障时的零序能量，以实现抑制铁磁谐振的柔性消谐方法，具体实现流程如图14 所示。
图14 铁磁谐振零序抑制流程图Fig.14 Flow chart of the zero-order suppression of the ferromagnetic resonance
文献[44]将电网零序电压中的高频、分频含量以及系统对地泄漏电阻的大小作为故障判据，以判断系统谐振频率，并在此基础上采用电压、电流PI 双闭环控制有源逆变装置的方法实时跟踪系统零序电压，调节向系统注入零序电流的大小，吸收零序能量，以达到消除铁磁谐振的目的。文献[45]通过信号注入的故障识别方法判断系统是否发生铁磁谐振及谐振频率，并在此基础上设计了结合PWM 与电压、电流PI 双闭环控制全桥电压源换流器的控制系统，根据系统所发生谐振情况实时改变注入系统零序电压的大小，钳制系统中性点电位为零，以消除铁磁谐振。
虽然传统的通过改变接线方式、改变互感器结构或添加消谐电阻等铁磁谐振故障应对措施实施简便、处理故障时直截了当，但因其结构固定无法根据电力系统结构、运行方式的改变而及时做出调整，缺乏灵活性，难以满足复杂电网的故障处理需求，也不符合电网的智能化发展要求。相比于传统的谐振抑制方法，通过微机控制电力电子装置的柔性抑制策略不仅具有更为良好的经济性，还可以根据故障的情况随时调整注入电流的大小，在应对越来越复杂的电网故障时更加灵活，同时顺应了电力系统智能化发展的趋势。表2 示出了不同消谐措施的优劣。
表2 不同消谐措施的比较Tab.2 Comparison of different harmonic measures
2.2 二次侧多点接地防范措施
互感器二次侧多点接地故障多是由线路绝缘老化或施工时疏忽导致。针对此故障，除了加强施工建设时的监管和日常检查维护工作外，更主要的是提升对互感器接地故障的查找方法，及时发现故障位置以便采取相应措施。目前对互感器多点接地的查找方法主要有电阻法和电压法2 种[46-47]。电阻法是通过在继保室电缆与接地点之间串联可变电阻，通过改变电阻值并观察电流大小来判断接地情况是否存在异常；
电压法则是通过测量设备保护屏或端子箱中零相电压小母线(N600)的对地电压值大小来判断是否存在接地点。虽然上述2 种方法，接线简单，操作简便，但是需要对每一条N600支路或每一个设备保护屏进行逐一排查，耗费大量时间与人力。
针对传统查找方法存在的问题，文献[48]基于电阻法，在每个互感器中性线末端上安装监控电流互感器 (current transformer,CT)，并实现与主机的通信，通过微机控制接地电阻的大小，若某一CT 检测到电流大小发生变化则判断该支路出现接地故障，进而报警。此方法弥补了传统电阻法费时、费力的缺点，提升了故障的查找效率。但是采用此方法需在每一个互感器中性线均安装CT 以实时监测电流大小，仍要耗费大量资源。
在实际中采用的电阻法、电压法等虽然检测准确率较高，但仍需要人工进行逐一排查。虽有一些浅显的研究，但所提方法无实际的进展反而带来一些额外的问题。目前，对多点接地故障的检测还缺少优秀的故障辨识手段。
2.3 互感器回路断线应对措施
互感器二次回路断线是电力系统运行时的常见故障，其危害主要是会引起保护装置误动或拒动。在实际运行中，检测到断线故障时，通常会将其他保护装置闭锁，以防止保护装置误动[49]。其基本原理是通过判断三相电压之和的大小，来识别是否发生断线故障。若检测到发生断线故障则退出大部分保护装置，只保留工频变化量距离保护，并适当提升其制动电压，以防在大部分保护装置退出时系统发生短路故障。
这些方法仅仅实现了断线故障的判断，而无法对断线的位置进行精确定位，也就无法对断线故障进行快速处理。此外，若在大部分保护装置退出的情况下，系统发生其他故障，则无法做到快速切除，从而导致严重后果。虽然2 种故障同时发生的概率较小，但这无疑是电网运行中的一个巨大隐患。
2.4 互感器接线错误防范措施
电压互感器的接线错误主要是工作人员在安装互感器时的疏忽导致。首先，应当提高工作人员的专业素养，加强审核与验收工作，最大程度地防范接线错误引起的事故。其次，应当严格按照相应规程定期对互感器进行巡检。最后，当前采用的仅仅凭借互感器电压的相序来判断其接线是否正确是远远不够的，若互感器极性全反接，此方法并不能判断其错误[50]。虽然极性全反接的情况较少，但仍须寻找良好的、能准确判断互感器接线情况的措施。
对于电磁式电压互感器的铁磁谐振故障，当前所采取的主要应对措施虽然有一定的消谐效果，但是均在实际应用中表现出或多或少的问题。在面对日趋复杂的电力系统结构时，现有方法所呈现出的效果并不乐观。虽然学者研究了基于电力电子器件的柔性抑制方法，并在仿真环境下取得了良好的谐振抑制效果，它也能更好地适应复杂的电网结构，同时也表现出逐渐取代传统消谐措施成为主要的谐振应对手段的趋势，但是，柔性抑制所依赖的铁磁谐振故障的诊断方法还存在特征量获取困难和对故障的判别具有一定延迟等问题，仍然有待进一步研究。
此外，对于多点接地、回路断线和接线错误的研究较少，大多只是在一些事故案例分析之中有所涉及，所提应对措施也多是从加强管理制度、提高人员素质的角度出发，几乎没有进一步的强化措施。因此，未来的研究方向应当聚焦于如何挖掘此类故障的故障特征，并结合目前智能化的电力数据检测手段，从复杂的电力系统参数中分离出相应的故障变量，以达到对故障准确识别的目标，并进一步实现故障的精确定位。
鉴于目前应对电磁式电压互感器故障的相应措施仍存在无法实现故障的精确诊断的不足，后续的研究可致力于弥补此方面的缺陷，进一步分析电压互感器的故障特点，找出能够准确判别故障情况的特征量。此外，随着电网运行数据记录、存储等技术的不断完善，如何利用大数据与人工智能技术从海量的电网运行数据中挖掘故障相关特征，实现电压互感器的故障辨识、预测，以提升互感器故障的防治效率也是一个值得深入研究的问题。
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