摘要：中压电压互感器运行故障相对校多，其中大部分是由外部原因引起，本文着重就二次线圈短路或过载、铁磁谐振、中性点悬浮等原因引起的中压电压互感器故障原因进行一些归纳，以便抛砖引玉。
1 前言
相较电流互感器(简称CT)而言，电压互感器(简称PT或VT)运行故障较多，尤其是中压电压互感器。这是困扰用户和生产厂家的一个老大难问题。从用户角度出具的故障分析报告大都集中在互感器本身的质量问题上，而且理由也貌似很充分，但却有意无意地忽略了故障原因的真正本质。例如：对于烧毁的电压互感器，用户角度的分析报告只是从线圈烧毁的情况来简单判断是互感器线圈的“匝间短路”或“绝缘损坏”引起，但报告常常忽略了引起匝间短路和绝缘损坏的真正原因：线圈发热致绝缘损坏。众所周知，中压电压互感器额定匝间电压一般不会超过3V，即便在过电压下，也不会超过15V。而互感器一、二次线圈绕制普遍采用的是直径0.12mm及以上的QZ-2漆包线，其耐压强度大于2000V，漆包线的绝缘水平远比互感器匝间电压要高出很多，根本就不在一个数量级上，因此完全能够满足运行要求。除非绕制过程中漆包线发生了刮伤的情况，而且两匝间刮伤部位又刚好碰在了一起，才会发生匝间短路。即便如此，电压互感器有两项出厂试验是可以检测到匝间短路的，就是“感应耐压试验”和“励磁特性试验”，感应耐试验的试验电压是额定电压的3倍以上或更高，如果发生了匝间短路，感应耐压试验将无法通过，而且其后的励磁特性试验也因过流而无法通过。因此，匝间短路在出厂试验时就可检测到，并被排除。另外还有工频耐压试验、局部放电试验等，总之，对于正规的互感器厂家而言，只要互感器有绝缘缺陷，是不可能通过出厂试验的。但事实上，即便是国内互感器的标杆企业，每年也难免遇到几起互感器烧毁事故。
如果已经通过了出厂试验，而在运行中再发生匝间短路和绝缘损坏，那只能推测是其绝缘遭受了新的冲击。而中压电压互感器线圈大都是浇注固化密封，或是由油-纸绝缘密封、高压FS6气体密封成形的，因此机械外力和化学腐蚀的损害基本可以排除，过电压的电的损害也已在出厂试验中排除，剩下的就是热的损害了。只有互感器发生了内部过热，才最有可能对互感器绝缘发生新的冲击，产生损害。互感器二次短路和铁心饱和都有可能发生线圈过流，产生大量的热能损坏绝缘，这才是问题的根本。
从多年经历的售后现场实践看，中压电压互感器运行事故，其中绝大部分是由外部原因引起的。但由于是买方市场，事故现场取证困难等原因，外部原因引起的电压互感器故障问题常常被忽视或有意隐瞒了，以下是一些故障分析及实例。
2 电压互感器二次短路或过载引起的故障
电压互感器二次短路或过载引起的互感器烧毁事故至少占电压互感器烧毁事故的一半以上。据某公司内部统计，2018年度，公司一共接到6起电压互感器烧毁事故反馈，全部是环氧树脂浇注绝缘中压电压互感器。其中有3起已查明是互感器二次接线错误导致烧毁，另有1起由客户主动购买更换，也可确认不是互感器质量原因。剩下2起，其中1起派人去现场未能查明事故原因，主要是现场数据资料不全，产品接线也已变动;另一起未派人去现场，因时间紧急，直接发产品更换。可见，中压电压互感器烧毁的最主要原因还在于互感器二次接线这一外部原因。
电压互感器二次接线错误引起的短路或过载表现在以下几个方面：
2.1 V-V接法电压互感器单相二次回路两点接地致电压互感器二次短路。
三相三线计量箱、计量柜中的电压互感器，或三相三线组合互感器中的PT单元，一般是用两台单相电压互感器采用V-V接法连接。见图1中的VT部分。由于两台电压互感器是完全相同的，一次标识全都为“A、B”，二次标识全都为“a、b”，这样，与A、B相连接的PT1一般没有问题，一、二次标识都能对应，但与B、C相连接的PT2，往往就会出现问题。对于PT2，一次B相是接互感器的A端还是接B端，现场安装时经常会有这样的疑问。其实只要一次和二次接线完全对应，无论接互感器的A端还是接B端都是可以的。如果PT2一次A端接系统B相，则相应的PT2的二次a端要与PT1的二次b端连接。反之，如果PT2一次B端接系统B相，则相应的PT2的二次b端要与PT1的b端连接。但现场接线时，往往会将PT2的一次和二次接成反极性，即一次端A、B-A、B首尾相接，而二次两个b端作为公共端同时接地。
图1 三相三线电能表经互感器接入示意图
Figure 1 Schematic diagram of three-phase three-wire energy meteraccess through the transformer
V-V接法的计量PT，其中一台PT反极性连接，还会造成电能表转速变慢、反转或不转[1]，由于二次公共端b是必须接地的，当互感器其中一相极性接反后，如果互感器二次再无接地点，也不会造成互感器二次短路，但如果互感器二次还有另一个接地点，就很容易造成互感器二次因两点同时接地而短路。
案例1：某油田项目组合互感器JLSZV77-10运行一个月烧毁，更换产品后运行不久再度烧毁(图2)，派人去现场查看，发现PT单元C相在试验接线盒部分错误接入电流回路端子中，并因接线盒内电流回路短接片连接而发生短路(图3)。
图2 烧毁的组合互感器
Figure 2 Burnt combined transformer
图3 电压互感器二次短路
Figure 3 Voltage transformer secondary short circuit
图中C相PT短路原因：PT二次线号6(黑线)通过接线盒接短接片连接蓝线后地，线号7(黑色)直接接地。其它还有多处CT、PT接线错误，此略。
该项目故障排除后，运行3年，无质量反馈。
案例2：某铁路项目计量柜电压互感器JDZ9-10开裂：同一个站发生两次，头一次是年检时发现，更换一年后年检再次发现开裂。
图4电压互感器开裂
Figure 4 Voltage transformer cracking
PT在运行中发生开裂的故障都在同一个站，查该站图纸，其进线-计量柜图纸有一个错误：BC相PT二次两点接地(见图5，图6)，这与现场反馈的是BC相PT开裂的情况恰巧相符(图纸中PT标示型号为JDZ10-10，实际采用的是JDZ9-10，正常情况下，JDZ9-10比JDZ10-10容量更大，绝缘强度更好)。
图5
Figure 5
图6
Figure 6
至于为什么都是运行一年后才烧毁，这个原因值得分析。此铁路局本批共购买96台JDZ9-10电压互感器，分别安装在多个不同的变电站中，已运行了两年，只有这个图纸错误的站先后发生过两起PT开裂的事故，而且每次事故都是在电站例行年检后发生。不排除实际接线未按图纸，而年检时发现接线“错误”，按图纸更正接线后造成PT短路这一可能。
事实上，现场售后服务发现，重新更换新产品后，PT二次确实未按图纸接线，输出电压也正常，第三次更换距今已运行近一年，再未有互感器开裂的反馈。
2.2 YN-YnΔ接法电压互感器开口三角短路。
电压互感器开口三角短路造成三相电压互感器同时烧毁的事故，占电压互感器二次短路烧毁的相当大一部分，这方面的分析文章较多[2] [3] [4]。由于三相平衡时，开口三角的电压接近为0，因此开口三角短路时其短路电流较小，并未超过PT的极限输出，可以长期运行，故障可能潜伏较长的时间不被发现，有的甚至超过两年以上。而一旦系统接地故障出现，或系统三相出现严重不平衡，就会造成剩余绕组短路电流超过互感器所能承受的极限，使三台互感器线圈发热，绝缘损坏而烧毁。这就给客户造成了一个误解：他们认为如果PT二次短路，应该运行不久就会烧毁，而如果运行了很长时间才烧毁，就应该是产品质量的问题。
开口三角短路的形式不一而足，有引线破皮短路的，有开口三角输出端同时接地的，有因柜体绝缘检测时接了短路片，检测完成后忘记拆除短路片的，有二次消谐器击穿短路的[5] [6]，还有并列运行时由于其中一组PT单相熔断器熔断，造成开口三角形成短路电流的[7]。
案例3：福建尤溪县某公司项目三台JDZX9-10型电压互感器烧毁事故。KYN28A-12(Z)型开关柜，PT柜手车三台PT同时烧毁，三支高压熔断器也同时熔断(图7)。现场检测发现柜体端子排处(已断开互感器)开口三角电阻几乎为0(图8),往PT端检查发现PT二次引线已烧结（图9）。
图7
Figure 7
图8
Figure 8
图9
Figure 9
该项目故障排除后已运行8年，再无质量反馈。
案例4：陕西榆林某煤矿配电项目三台PT两次烧毁。
开关柜(PT柜)型号：KYN28A-12(Z)。第一次烧毁，成套设备售后服务人员去现场检查，说没有发现接线错误。换上三台新产品后，运行不久，再次烧毁。不得已，互感器公司派出售后服务人员。
故障现象：PT三相均有不同程度的损伤，接在三台互感器中性点的一次消谐器引线被烧断，三个高压熔管也被烧断(见图10，图11)。检测发现实际接线与图纸不符：图纸要求端子排XT：36引出线L640接入小母线JM：11;端子排XT：37引出线N640接入小母线JM：10。而实际接线恰好相反：XT：36引出线L640接入了小母线JM：10(此为接地线);XT：37引出线N640接入了小母线JM：11。N640已通过接入XT：37的另一根接地线接地(图13)。这样2段PT的开口三角实际已通过地连接!(图12)。
图10
Figure 10
图11
Figure 11
图12
Figure 12
图13
Figure 13
故障排除后，运行至今，已有10年，再未收到过PT故障的反馈。
2.3 PT二次回路过载致产品烧毁。
这种情况多发生在PT用作小容量供电电源时。由于开关柜中的断路器储能电机、加热器、照明灯、自动化仪表等均需要220V电源，而用户又不愿另外投入一台所用变作为电源，一些成套设备的设计人员就创造性地采用了电压互感器作为供电电源。这本无不可，电压互感器就是特殊的变压器，只要不超过互感器的极限输出，PT作为临时或长期供电电源都是没有问题的，问题出在电源负荷能力的匹配上。一般情况下，一个小型的变电站配电房至少会有10个间隔的开关柜，平均每个开关柜需要的电源功率在150W～300W之间。互感器的极限输出也在300W～500W左右，如果仅作为一个开关柜的电源是没有问题的，但有些成套设备设计人员却忽视了互感器的极限输出问题，常常用一台互感器作为电源对10个以上的开关柜供电，同时，为了使供电能够持续，他们在互感器与开关柜之间还加装了一个2000W～3000W，8h的UPS不间断电源，想当然地认为，可以用小容量的PT对UPS不间断地充电，然后由UPS对开关柜供电。这里面忽视了一个最基本的原理：能量守恒定律。根据能量守恒定律，输出的能量与输入的能量是要相等的。如果PT的极限输出只有500W，而UPS的输出有2000W以上，那么PT的输出也应该要达到2000W以上，特别是在设备运行的初期，开关柜需要电能进行启动，UPS也需要电能进行充电，PT的实际负荷几乎要翻倍。仅用一个小容量的PT对设备供电，是不匹配的，运行不久，PT即会烧毁。案例5很好地说明了这一个问题。
案例5：辽宁领先国际城配电项目PT烧毁。
PT型号：JDZ10-10B，电压比：10000V/220V;额定输出及相应准确级：300VA，3级;互感器极限输出：500VA。
故障现象：两台互感器均从中部横向断裂，并从裂缝中流出黑色胶状物，显然是环氧树脂在高温熔化并炭化后形成(见图14)。其中一台是送电后3小时烧毁，另一台是送电24小时后烧毁。
图14
Figure 14
检查互感器的二次接线及其回路，二次线圈直接短路的现象不存在。
但每台故障互感器的二次输出都是分别接有一个2000VA的UPS不间断电源(见图15)。
图15
Figure 15
两台互感器故障发生时间的长短不同，与实际的分析也是相符合的。当UPS电源尚未充电即投运时，因为互感器要同时为UPS充电，还要为加热电源及储能电机等供电，两个大负荷使互感器绕组不堪重负，在短期内(约3小时)即烧毁;而当UPS通过其它电源充满电后，再接入原系统，这时因为UPS已基本不需要互感器供电，所以互感器还能在单个较大负荷下维持较长的时间(约24小时)。将UPS用外接电源供电后，再未发生互烧毁事故。
通过多地出现同类事故后，现在成套设备设计人员普遍认清了这个问题，将PT的极限输出提高到3000VA，此后再未发生此类事故。
2.4 PT二次同期回路接线错误。
这种情况发生很少，网上也有极个别的报道，曾遇到过两次的B相PT烧毁也比较符合这一状况。这主要是由于安装不正确造成的。见图16，电压互感器二次同期回路一般情况下是星形接法中的b相通过熔断器F2接后地，中性点通过击穿保险JRD接地，正常运行时，击穿保险端是悬浮的，不会造成b相两端都接地，如果击穿保险击穿时，就会造成b相两端都接地，b相通过地短路，此时熔断器会熔断以切断短路回路。但如果安装时熔断器F2没有安装在绕组端，而是安装在接地点之后(图16中F2’的位置)，b相短路将不能切除，最终会导致B相PT烧毁。
图16
Figure 16
2.5 半绝缘PT中性点N端悬浮。
半绝缘电压互感器是指一次绕组两个出线端绝缘水平不同的互感器。其高压端A端绝缘水平是正常的额定绝缘水平，中性点N端的绝缘水平为3kV或5kV，属降低绝缘水平。当N端悬浮时，一方面使中性点电位偏移，影响相电压的测量[8]，另一方面，其产生的高压有可能超过N端的耐压承受能力，造成N端对地击穿和对二次线圈击穿。击穿产生的局部过热，直接损伤二次线圈的绝缘，使二次线圈发生匝间短路或对地短路，最终导致互感器烧毁[9]。
半绝缘电压互感器中性点悬浮多半是人为原因造成的。有的是安装时连接中性点后没有安装接地线;有的是把接地线的安装在防锈漆上面，造成了中性点的悬浮;还有的是因中性点连接一次消谐器选型不当，一次消谐器运行电压超过了N端的耐受电压。
案例6：贵州毕节某电站项目JDZXW-10C1型户外电压互感器A、C相烧毁（图17）。
图17
Figure 17
现场检查发现PT底板及一次末端N端未接地，其中三台PT的N端通过线连接后，接到了A相PT的底板上。但底板没有专门的接地线(图18)，支架有防锈漆。
图18
Figure 18
案例7：内蒙古纳林希里某变电站两台PT烧毁（图19）。
图19
Figure 19
现场检查发现PT一次消谐器型号不匹配，型号为LXQ-II-35不带放电管，只适用于全绝缘电压互感器（图20）。正常型号应该为LXQ(D)-II-35，这种消谐器带放电管(图21)，可以适用于半绝缘电压互感器。
图20
Figure 20
图21
Figure 21
3 铁磁谐振引起的PT故障
铁磁谐振也是PT烧毁的重要原因，这方面的分析文章比较多[10] [11] [12][13] [14] [15] [16]。如果PT接线没有错误，那么烧毁的原因大多是铁磁谐振引起。
严格来说，铁磁谐振与PT本身的励磁性能是有一定关系的，但是，责任不在互感器本身。因为互感器出厂试验报告都有励磁特性曲线，作为电力系统的设计者应该考虑互感器的固有参数，采取措施，选择适当的线路参数，选择合适的互感器，以避免互感器与线路发生铁磁谐振。
铁磁谐振中对互感器损害最大的是分频谐振[17] [18] [19]。因为分频谐振发生时，其频率会降至额定频率的1/2或1/3，此时铁心将严重饱和，励磁电流急剧增加，线圈发热，绝缘损坏，最终致产品烧毁。
案例8：内蒙古巴彦淖尔某变电站两台JDZXW9-35烧毁（图22）。
图22
Figure 22
8月9日收到现场反馈，B相故障。更换新产品后。9月20日，现场又反馈回来发现A相电阻异常。从消谐记录看，8月7日，系统多次发生了严重的低频谐振。特别是8月7日18时2分至3分间，25Hz谐振过电压最高已经达到了105V（图23）。
图23
Figure 23
4 PT三相电压输出不平衡问题探讨
YN-YnΔ接法电压互感器三相电压输出不平衡问题，是在PT一次中性点加装了一次消谐器或加装一台消谐互感器之后发生的，这方面的分析文章也较多。主流观点主要集中在电压互感器励磁特性的一致性上面[20] [21]，这当然是有道理的。但是，因为铁心加工中的退火工艺并没有达到精细化，所以PT成品铁心励磁特性的分散性还是比较大的，要保证铁心励磁特性一致，自然会给PT制造上增加了不少的成本。从另一方面来说，即便PT铁心励磁特性都完全一致，但一次回路中其它元件参数并不一致，也不一定能保证PT二次输出的电压是均衡的。文献[22]就提出了一个新的促使PT三相输出平衡的方法，也是值得借鉴的。
笔者在售后实践中，也尝试了一些互感器之外的方法，也收到了一定的效果。
案例8：内蒙乌海某有机硅项目JDZX10-10三相电压互感器不平衡。开口三角电压3.2V，用户以标准要求需2V以下，不愿通过检测。产品在手车式PT柜中，PT手车除了装有三台PT以外，还装有三支熔断器和三支避雷器。考虑到避雷器是容性负荷，与PT的感性负荷必会产生相互的影响，因此将手车移出后，首先把A、C相避雷器进行了对调，然后推入手车运行，此时开口三角电压已降至2.4V左右，再移出手车，将A、C相PT再对调后，开口三角电压已降至1.9V，达到了客户的要求。
从上述案例可见，影响PT二次输出的不仅仅与PT的励磁特性有关，也与其它元器件的配置以及主回路其它参数均有关。
5 结语
外部原因造成中压电压互感器故障情况很多，另有一些比较特殊的二次短路由于只是业内传闻，没有列入，如PT二次因进小动物而短路，因进水而短路等。由于水平及条件所限，本综述也许难免有些片面和偏颇，望行业技术专家批评指正。
