張頭窩泵站35 kV變電站PT頻繁熔斷分析及解決方案

郭云濤，薛廣闊，楊安徽，張 洋，劉鳳祥

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司天津院，天津 300200；2.寶坻區(qū)水務(wù)局，天津 301800）

電力系統(tǒng)10～35 kV系統(tǒng)采取中性點不接地運行方式，其優(yōu)點是允許系統(tǒng)帶接地故障運行，工作人員可通過報警及時發(fā)現(xiàn)與排除故障，避免停電造成社會經(jīng)濟損失，從而提高供電可靠性。但是，此種運行方式也有不利的地方。由于接地故障或其他電網(wǎng)電壓擾動，易使PT發(fā)生磁飽和從而引發(fā)鐵磁諧振[1，2]。當接地故障消失時，會發(fā)生一次涌流。以上所引起的過電壓與過電流足以使熔斷器熔斷，嚴重時甚至會導致電壓互感器爆炸。

結(jié)合天津市寶坻區(qū)張頭窩35 kV變電站頻繁發(fā)生熔斷器熔斷事故，詳細分析故障發(fā)生原因，并通過故障記錄及錄波情況給出現(xiàn)場分析及解決方案。

1 PT熔斷器熔斷原因分析

35 kV變電站PT保護用高壓熔斷器（XRNP型）額定電流為0.5 A，其內(nèi)置銀熔體與作為滅弧介質(zhì)的高純度石英砂一起密封于熔管內(nèi)，在發(fā)生故障時熔體熔化，產(chǎn)生電弧后石英砂熄滅電弧，斷開故障電流。

高壓熔斷器熔斷的直接原因為產(chǎn)生了過電流。產(chǎn)生過電流的原因主要有以下幾種。

（1）設(shè)備接線與安裝的原因。熔斷器、PT的連接線上存在接虛情況，從而產(chǎn)生過電流。

（2）由于過電壓引起的PT鐵芯不同程度磁飽和發(fā)生鐵磁諧振，引起過電流。①電網(wǎng)電壓波動。如，當電網(wǎng)三相不平衡、開關(guān)設(shè)備不同時合閘、在凌晨或其他電網(wǎng)負荷率較低時、電容投切、諧波等因素所引起的電網(wǎng)過電壓，在極端情況下，多種因素疊加出現(xiàn)短時過電壓使PT鐵芯飽和。②金屬性接地故障。當發(fā)生金屬性接地故障（直接接地）時，接地相電壓變?yōu)?，非故障相電壓升高 3倍，此時會產(chǎn)生過電壓，使PT鐵芯飽和。③間歇性接地故障。當發(fā)生間隙性接地故障時，接地相電壓降低（不為0），非故障相電壓升高，中性點發(fā)生移位，PT各相感抗發(fā)生變化，隨著線路電流的增加導致PT鐵芯逐漸飽和。④雷擊過電壓。當襲來的雷電波幅值大于避雷器的充放電壓時，避雷器將巨大的雷電流經(jīng)閥片和接地電阻泄入大地。若閥片電阻和接地電阻偏大，則瞬態(tài)過電壓會使PT鐵芯飽和。同時，若雷擊閃路引起單相弧光接地，則弧光接地電壓最大可達到3.5 Um（Um為相電壓最大值）[3]，過電壓同樣可使PT鐵芯飽和。

（3）單相接地故障消失引起的一次涌流。當接地故障消失時，因為35 kV為中性點不接地系統(tǒng)，相當于把線路電荷通往大地的電流通路切斷了，而各相對地電壓都將力圖回復到正常運行水平狀態(tài)，非接地相在接地期間已經(jīng)充電至線電壓下的電荷需要向大地泄放通路。此時，PT的中性點接地點為整個系統(tǒng)唯一的電荷泄放通路。三相對地電容（零序電容）中存儲的電荷將通過三相PT高壓繞組放電，相當于直流電源加載在帶鐵芯的電感線圈上，對于接地相來說，更是相當于一個空載變壓器突然合閘，會疊加更大的勵磁涌流。此瞬變過程線路較長，線路電容電流（電容積累的電荷過多）、PT的高壓繞組中會通過一個幅值很高的直流飽和電流，使PT嚴重飽和。

2 PT磁飽和理論分析

根據(jù)以上高壓熔斷器熔斷原因，設(shè)備接線與安裝的原因可在施工時通過人為因素予以避免，因雷擊產(chǎn)生的過電壓可通過選用良好性能的避雷器避免其對熔斷器的影響，其余熔斷器熔斷均是由于不同原因?qū)е碌腜T不同程度的磁飽和引起的。電壓互感器勵磁特性曲線（伏安特性曲線），如圖1所示。

圖1 電壓互感器勵磁特性曲線

如圖1所示，當加在電壓互感器上的電壓小于Um（Um一般為1.9倍額定相電壓）時，PT處于非飽和區(qū)，阻抗較高，一般為幾千歐姆；當電壓發(fā)生擾動電壓大于Um時，PT發(fā)生磁飽和，此時阻抗急劇減小，產(chǎn)生較大勵磁電流。

對于35 kV中性點不接地系統(tǒng)，系統(tǒng)可簡化為圖2所示。其中，E˙A、E˙B、E˙C為電源電勢；C為電力線路對地電容；LA、LB、LC為三相PT電感。35 kV及以下變電站大部分采用電磁式PT，每相PT其勵磁阻抗呈感性，大小為XL；電力線路對地阻抗呈容性，大小為XC。

圖2 中性點不接地系統(tǒng)簡化圖

H.A.Peterson通過大量實驗繪制諧振區(qū)域圖并得出如下結(jié)論[4]。

正常情況下，XL遠大于XC，系統(tǒng)為容性。XC/XL趨近于0時，不發(fā)生諧振；XC/XL=0.01～0.07時，發(fā)生分頻諧振；XC/XL=0.07～0.55時，發(fā)生基頻諧振；XC/XL=0.55～2.8時，發(fā)生高頻諧振；XC/XL＞2.8時，不發(fā)生諧振。以電網(wǎng)中性點O為中心及以PT中性點O’為中心可分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。一般情況下，系統(tǒng)要發(fā)生串聯(lián)諧振必先要越過其并聯(lián)諧振點，并聯(lián)諧振先于串聯(lián)諧振發(fā)生，因此并聯(lián)諧振能更好地反映實際情況[5]。

下面分析在電壓出現(xiàn)擾動情況下，過電壓對產(chǎn)生勵磁涌流的影響。

式中：UA、UB、UC為三相電壓（V）；Um為相電壓最大值（V）；ω為角頻率（rad/s）；α為起始角（rad）；t為時間（s）。

當出現(xiàn)電壓擾動時，以非故障相A相為例，相電壓變?yōu)椋?/p>

式中：γ為擾動系數(shù)，當單相接地故障時取 3；其余變量含義同上。

由PT高壓繞組的反電動勢與電壓平衡關(guān)系、磁通與勵磁電流的關(guān)系可得：

式中：N為PT高壓繞組匝數(shù)（圈）；φA為A相磁通瞬時值（Wb）；R為高壓繞組電阻（Ω）；iA為A相勵磁電流（A）；其余變量含義同上。

解式（3）并考慮R＜＜ωLA，得：

式中：φm= 3Um/Nω；其余變量含義同上。

考慮電壓互感器剩磁的影響，計算A相剩磁φr及A相勵磁電流iA，得：

由式（5）可知，當電網(wǎng)電壓發(fā)生擾動時，非故障相PT鐵芯中的瞬時磁通及勵磁電流由穩(wěn)態(tài)部分及帶衰減因子的暫態(tài)部分組成，其勵磁電流大小與起始角α、剩磁φr、因PT飽和勵磁電感LA的減小程度有關(guān)。常見的典型故障所產(chǎn)生的影響詳見表1，實際電壓擾動情況可能是其中2種或多種情況的組合。

表1 典型故障所形成的影響

3 工程實際情況及分析

天津市寶坻區(qū)張頭窩35 kV變電站電源由35 kV架空線引接天津市寶坻區(qū)歡喜莊110 kV變電站，引接距離15.81 km。經(jīng)計算，線路的單相對地電容估算值為0.12uF，單相對地阻抗為1/26.5 kΩ。

電壓互感器選用型號為JDZX9-35，其出廠時勵磁特性實驗數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 電壓互感器出廠時提供的勵磁試驗數(shù)據(jù)

經(jīng)過計算，擬合后電壓互感器勵磁特性曲線如圖3所示。正常情況下，PT的阻抗值約為2 750 kΩ。XC/XL=0.009，不會發(fā)生諧振，但距離諧振區(qū)已經(jīng)較接近，當電網(wǎng)出現(xiàn)擾動時PT發(fā)生飽和情況，就較容易發(fā)生諧振。

圖3 擬合電壓互感器勵磁特性曲線

張頭窩35 kV變電站在2017年3月—2018年4月發(fā)生多次諧振及接地報警，表3為挑選出來的幾次有代表性的諧振數(shù)據(jù)。

圖4為故障情況下的母線電壓錄波，可以較好地說明系統(tǒng)發(fā)生諧振情況。

表3 故障報警

圖4 三相電壓故障錄波波形

4 解決方案

根據(jù)以上的鐵磁諧振產(chǎn)生原因分析，從選用電壓互感器（不發(fā)生或不易發(fā)生諧振條件）、提高電壓互感器的阻抗以及發(fā)生諧振后抑制和消除的角度，提出以下方案：①方案一。選用勵磁飽和點較高的電壓互感器。當出現(xiàn)電壓擾動時，PT不飽和，一直呈高阻抗狀態(tài)，故不易形成諧振。②方案二。選用電容式PT，因為互感器阻抗呈現(xiàn)容性，線路阻抗也為容性，故形不成諧振。③方案三。在原電壓互感器的中性點與地之間串入零序電壓互感器，零序PT的高阻抗對原PT有分壓作用，使在電壓發(fā)生擾動時原PT不飽和。④方案四。在PT一次中性點與地之間裝設(shè)一次消諧器（阻尼電阻），一次消諧器在正常運行時呈高阻狀態(tài)可起到抑制諧振的作用，當發(fā)生諧振時電阻降低，可抑制涌流。⑤方案五。在PT開口三角處接入二次消諧器，對開口三角電壓檢測，當發(fā)生諧振時，接通開口三角以增二次負載，增大一次側(cè)阻抗，從而破壞諧振。各種方案優(yōu)缺點及比較，詳見表4。

表4 解決方案對比

5 結(jié)語

通過天津市寶坻區(qū)張頭窩35 kV變電站PT熔斷器頻繁燒毀事件，詳細分析了導致熔斷器燒壞原因，并分析不同原因狀態(tài)下的故障電壓表現(xiàn)。最后，結(jié)合變電站報警記錄及錄波情況給出解決方案，并比較各種方案的優(yōu)缺點及適用范圍。