近年来,沈阳地铁,南京地铁和深圳地铁等地铁牵引供电系统中的35kV充气柜式电压互感器多次发生运行故障,严重影响了地铁的车辆运行,造成了事故。通过对发生故障的电压互感器进行现场分析,发现该类型电压互感器大多是一次侧发生严重烧毁故障,但二次侧绕组未见明显损伤。由于35kV充气柜式电压互感器的体积限制,导致它的自身容量设计成为了一大技术难题。因此在不增大其体积的前提下,如何提升它的过负荷能力和极限容量以满足地铁牵引供电系统电能质量较差的运行环境,是本论文的主要研究问题。本文针对系统的电能质量问题对电压互感器的影响展开故障机理研究,并根据研究结果对其进行了优化设计。本文首先对地铁35kV供电系统中存在的各种电能质量因素给予了说明,并对可能造成电压互感器发生故障的谐波、直流分量、过电压和线路故障等电能质量问题进行了分析;其次,对该类型电压互感器在不同的电能质量问题影响下发生故障的机理进行了理论分析与计算,并通过MATLAB软件搭建了电压互感器和牵引供电系统的模型,对在不同电能质量问题影响下电压互感器一次侧的电压和电流情况进行了仿真,从而验证了上述理论分析的正确性;然后针对电压互感器不同的故障问题,进行了如下的优化设计:第一种方法是在电压互感器一次侧中性点经消谐器和可饱和电感接地,这种方法不但可以增大其一次侧整体的感抗,而且还可以为其分担一部分零序电压,从而起到降压限流的效果;第二种方法是增大电压互感器一次侧绕组的线径,这样可以增大其极限容量,增强其过电流能力;第三种方法是在电压互感器的铁芯中加装非磁性垫片夹层,它可以有效地滤除铁芯中的剩磁,改善其励磁特性。最后对采取的改进措施进行了仿真验证,证明了其可行性。此外,基于增加一次侧绕组线径与非磁性铁芯夹片策略改进后的35kV充气柜式电压互感器已经在2018年10月投入到了哈尔滨地铁和南京地铁中,岂今为止运行状态良好。