配電網(wǎng)高壓保險絲故障原因的仿真分析

南曉強，李群湛

（西南交通大學(xué)電氣學(xué)院，成都 610031）

隨著城市配電網(wǎng)的發(fā)展，架空線路不斷增加，電纜線的使用進一步使得系統(tǒng)對地電容有了很大變化。電感、電容值已超出發(fā)生鐵磁諧振的范圍。但在實際運行中仍頻繁出現(xiàn)電壓互感器PT（potential transformer）高壓側(cè)保險絲熔斷的現(xiàn)象。

以往的研究中［1～7］，常把PT高壓側(cè)保險絲熔斷的原因歸結(jié)為鐵磁諧振，判定系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象時產(chǎn)生了過電流，致使保險絲熔斷。但經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)并不是這樣。而是在系統(tǒng)故障恢復(fù)后電容放電引起的沖擊電流［8～11］，而且PT高壓保險熔斷現(xiàn)象多發(fā)生在線路對地電容較大的單相接地故障恢復(fù)時。

本文將首先介紹高壓保險絲熔斷的原因，然后用Peterson判據(jù)和建模仿真進一步確認(rèn)故障原因，最后提出有效地抑制措施。

1 PT高壓保險熔斷的根本原因

由于10kV系統(tǒng)中，Y0接線的電磁式PT的高壓繞組是系統(tǒng)三相對地的唯一金屬通道。系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障要經(jīng)歷接地和接地消失兩個過程。單相接地時，電流的分布如圖1所示。未接地相的電壓升高至線電壓，其對地電容C0上充以線電壓的電荷，電容電流在電源 －導(dǎo)線 －大地間流通。由于PT的勵磁阻抗很大，使其中流過的電流很小。當(dāng)接地故障消失時，非接地相由線電壓恢復(fù)到相電壓水平。非接地相在接地期間已經(jīng)充電至線電壓下的電荷，通過PT高壓繞組進入大地［12］。在這一過程中，PT高壓繞組中會流過一個很大的電流，會使PT鐵芯飽和，在電源電壓的作用下會出現(xiàn)很大的沖擊電流，將造成PT一次側(cè)高壓保險絲熔斷。而且該電流的大小與PT伏安特性有關(guān)系，PT鐵芯越容易飽和，飽和電流就越大，PT高壓熔絲就越易熔斷。

圖1 電網(wǎng)單相接地電流分布Fig.1 Current distribution of single－phase grounding system

綜上所述，PT高壓保險熔斷的主要原因不是鐵磁諧振，而是故障恢復(fù)后電容放電引起的沖擊電流。

2 Peterson諧振判據(jù)的應(yīng)用

H.A.Peterson研究了鐵磁諧振，表明諧振隨著對地電容和PT勵磁電感的變化，會發(fā)生高頻、基頻和分頻諧振；諧振區(qū)域與阻抗比XCO／XL有關(guān)系（XCO為系統(tǒng)零序容抗，XL為PT額定線電壓下的感抗）［2］。

1／2分頻諧振：XCO／XL值為0.01～0.08。

基頻諧振：XCO／XL值為0.08～0.8。

高頻諧振：XCO／XL值為0.8～3.0。

如果零序電容過大或過小就不會發(fā)生諧振；Peterson確認(rèn)XCO／XL＜0.01系統(tǒng)不會發(fā)生鐵磁諧振。

下文應(yīng)用Peterson判據(jù)就某變電站進行驗算，PT型號：JDZX－10，3支全絕緣，固定安裝。首先設(shè)定PT飽和特性參數(shù)，PT的飽和特性參數(shù)設(shè)定利用曲線坐標(biāo)法，將實測得到PT的二次側(cè)電壓、電流值轉(zhuǎn)換到一次側(cè)，利用U＝dφ／dt，計算出φ值，再換算為標(biāo)么值填入互感器參數(shù)設(shè)置中的飽和特性一欄中。其他參數(shù)的設(shè)定均按PT的實際值整定［13］。PT相關(guān)參數(shù)基準(zhǔn)值的換算公式如下：

式中：UAC＝10kV；Pn＝100VA；f＝50Hz。

線路參數(shù)的確定：

選擇分布參數(shù)模型作為線路的數(shù)學(xué)模型，線路采用YJV22－8.7／10－3＊240型高壓電纜，線路長度為20.52km。

根據(jù)上述建立的模型和參數(shù)，據(jù)Peterson諧振判據(jù)判斷是否會發(fā)生鐵磁諧振。

諧振狀況的判斷計算過程如下：

即此系統(tǒng)不會發(fā)生鐵磁諧振，故PT高壓保險熔斷的原因不是鐵磁諧振。PT高壓保險熔斷的原因是故障消失時產(chǎn)生的低頻飽和電流，下節(jié)將通過仿真進一步驗證這一結(jié)論。

3 系統(tǒng)仿真模型的建立

3.1 系統(tǒng)等值電路的建立

系統(tǒng)正常運行時的等值電路如圖2所示，忽略了導(dǎo)線間電容、電容器組、負(fù)載變壓器以及負(fù)荷，UA、UB、UC為三相電源電勢；RPT為PT高壓繞組的電阻；LPT為電壓互感器的勵磁電感；C0為各相導(dǎo)線對地電容。

圖2 等值電路Fig.2 Equivalent circuit

3.2 PT仿真模型的建立

本文采用 Matlab／Simulink中飽和變壓器模塊［14］，圖3為PT模型的內(nèi)部等效電路。R1、R2分別為互感器一次和二次電阻，L1、L2是其相應(yīng)漏抗，Rm是PT的勵磁電阻，Lsat為鐵心線圈的非線性勵磁電感［15］。

該模型考慮到了PT的鐵損和漏抗，比較接近PT的真實情況。

圖3 電壓互感器的內(nèi)部等效電路Fig.3 Equivalent circuit of internal voltage transformer

3.3 系統(tǒng)仿真模型的建立

現(xiàn)以某變電站實際工況進行建模仿真。該變電站歷年來常出現(xiàn)PT高壓保險熔斷，嚴(yán)重影響了正常的電力供應(yīng)，最近一次為2008年8月6日雷雨天氣后出現(xiàn)Ⅰ段PT高壓保險兩相熔斷；2008年9月23日雷雨天氣后出現(xiàn)10kVⅡ段高壓保險兩相熔斷，PT型號介紹如下：型號：JDZX－10，3支全絕緣，固定安裝，準(zhǔn)確等級：0.2／0.5／6P級，二次側(cè)裝有型號：WXZ196的消諧裝置。

利用Simulink即可搭建由分布參數(shù)線路構(gòu)成的中性點不接地系統(tǒng)的仿真模型如圖4所示。

圖中所示的仿真模型中，用故障發(fā)生器來制造瞬時單相接地故障的發(fā)生與消失。在接地故障消失后，系統(tǒng)由于電壓互感器電感、導(dǎo)線對地電容的匹配，可能會在零序回路中產(chǎn)生鐵磁諧振。仿真中設(shè)A相接地，觀察中性點電壓的波形及流過互感器一次繞組（PT高壓保險絲）的電流波形，得到PT高壓繞組C相的電流如圖5所示。

圖4 仿真模型Fig.4 Simulation Model

圖5 PT繞組C相電流波形Fig.5 C－phase current waveform of PT winding

從圖5可以看出，PT高壓繞組C相電流的最大值達(dá)到12.5A左右，頻率約為2.5Hz，這是典型的低頻振蕩電流的波形，且這個波形沒有任何鐵磁諧振波形的特點，而PT一次側(cè)的保險絲的熔斷電流一般為0.5A，這么大的電流，足以使其熔斷。

為證明該故障不是鐵磁諧振所致，進行了PT開口三角側(cè)接消諧器的仿真［16］，此時PT繞組C相電流的波形如圖6所示。

圖6 C相電流波形Fig.6 C－phase current waveform

從圖6可以看出，在故障消失時投入消諧器，PT高壓繞組的電流仍舊較大，最大達(dá)到7.8A左右，雖較圖6的仿真結(jié)果小一些，但這么大的電流仍然可以使PT高壓保險熔斷。因此可以判定故障原因是故障消失時出現(xiàn)了低頻電流。

為進一步說明，下文將通過設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)使其發(fā)生鐵磁諧振，用此來區(qū)別系統(tǒng)中低頻飽和電流的情形。以往的文獻中［1～3，7］，也有類似的介紹，在此仍給出C相電流的波形圖，見圖7，以示區(qū)別對待。

圖7 發(fā)生鐵磁諧振時C相電流波形Fig.7 C－phase current waveform at the occurrence of ferroresonance

該電流的特點是數(shù)值較大，呈某一規(guī)律不斷震蕩，與低頻飽和電流的波形有較大區(qū)別。因此，在發(fā)生高壓次保險絲熔斷現(xiàn)象時，經(jīng)仿真可以區(qū)別故障原因。

4 抑制措施

PT高壓保險熔斷故障的防治方法，根本上是要減小故障恢復(fù)后的電容電流，可從以下兩個方面考慮：

（1）加一個旁路，線路對地電容的儲能通過中性點對地線路釋放，從而大大減小故障恢復(fù)后的電容電流?？梢詫T高壓側(cè)經(jīng)電阻接地，該方法效果一般，這里從略。

（2）改變PT接線方式，無論系統(tǒng)正常運行、發(fā)生故障還是接地故障恢復(fù)后，讓PT所承受的電壓都小于線電壓，減小故障恢復(fù)后需要釋放的電荷，即可減小故障恢復(fù)后的電容電流對PT高壓保險的沖擊，也就避免了PT高壓保險熔斷現(xiàn)象?；诖朔椒ǖ目紤]，本文采用一種4PT接線方式，原理接線圖見圖8，圖中虛線框內(nèi)為加裝的第四個PT。

圖8 4PT接線圖Fig.8 4PT wiring

由4臺單相PT組成，其中，主PT由其中三臺組成，二次側(cè)剩余繞組組成的開口三角繞組短接。一次側(cè)連接成星形，即主PT高壓側(cè)中性點再經(jīng)第4個PT接地，即經(jīng)零序PT接地，可用以測量零序電壓、接零序電壓繼電器。相當(dāng)于中性點經(jīng)較大的感抗接地，能夠補償線路對地的容抗，破壞了各次諧波的諧振條件，零序PT的三倍感抗就是零序感抗，同時很好地抑制低頻飽和電流。當(dāng)中性點接4PT時流過PT高壓繞組C相的電流波形如圖9所示。

圖9 C相電流波形Fig.9 C－phase current waveform

從圖9可以看出，此時流過PT高壓繞組的電流在微安級，遠(yuǎn)小于高壓保險的熔斷電流，不會對PT一次側(cè)保險造成任何的威脅?？梢?PT接線方式能很好的抑制低頻飽和電流，因此，4PT接線方式可謂是一種極為有效的抑制PT高壓保險熔斷的方法。

5 結(jié)語

本文詳細(xì)論述了PT高壓側(cè)保險絲熔斷的原因，經(jīng)Peterson諧振判據(jù)和仿真結(jié)果證實了系統(tǒng)在單相故障消失時，并未發(fā)生鐵磁諧振而是在PT中出現(xiàn)了低頻電流，該電流頻率值極小、數(shù)值很大足以將高壓側(cè)保險絲熔斷。結(jié)合仿真模型提出了有效地防治措施 ——4PT接線，經(jīng)仿真證實了該方法的有效性，具有一定的實用價值。

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