配網(wǎng)PT熔斷器故障分析及故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

李 兵 丁順清 徐 峰 楊 義 劉 杰

（國(guó)網(wǎng)重慶彭水縣供電有限責(zé)任公司，重慶 409600）

配網(wǎng)PT熔斷器故障分析及故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

李 兵 丁順清 徐 峰 楊 義 劉 杰

（國(guó)網(wǎng)重慶彭水縣供電有限責(zé)任公司，重慶 409600）

PT熔斷器是電力系統(tǒng)中重要設(shè)備，針對(duì)PT熔斷器故障造成的原因，提出一種新的電壓、電流雙檢測(cè)的方法。通過(guò)Matlab/Simulink建立熔斷器故障模型進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了PT熔斷器故障電壓電流與故障原因之間的關(guān)系，并對(duì)熔斷器故障的診斷技術(shù)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，鐵磁諧振故障和系統(tǒng)中的低頻飽和電流是造成PT熔斷器熔斷故障的主要原因。因此，檢測(cè)電壓、電流特征值對(duì)PT熔斷器故障的診斷具有重要意義。

PT熔斷器；電流檢測(cè)；故障診斷

PT熔斷器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備［1］，PT熔斷器熔斷頻繁異常，會(huì)嚴(yán)重影響變壓器和計(jì)量?jī)x表等供電設(shè)備的正常工作［2-3］，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致大面積停電事故，影響整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全，給社會(huì)帶來(lái)很多不必要的經(jīng)濟(jì)損失［4］。

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，由于 PT熔斷器故障所引起的停電事故，占平時(shí)各類故障的大多數(shù)［5-9］。熔斷器故障的引發(fā)原因眾多，系統(tǒng)原因造成熔斷器熔斷、電壓互感器自身原因造成熔斷器熔斷、熔斷器自身原因造成熔斷器熔斷、操作故障造成熔斷器熔斷和環(huán)境原因造成的熔斷器熔斷等［10-11］。因此，針對(duì)熔斷器故障這一問(wèn)題展開(kāi)研究，并從理論上分析造成PT熔斷器熔斷的原因有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

針對(duì)引起 PT熔斷器故障的因素進(jìn)行有效的分析，通過(guò)Matlab/Simulink軟件對(duì)熔斷器建立模型，并進(jìn)行仿真，從理論上來(lái)分析 PT熔斷器故障的產(chǎn)生原因。通過(guò)仿真，記錄相應(yīng)的電流電壓數(shù)據(jù)，并分析所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，由于各種原因所造成的鐵磁諧振是造成 PT熔斷器熔斷故障的主要原因。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)，提出相應(yīng)的故障診斷和檢測(cè)技術(shù)，并從根本上解決這一問(wèn)題，將對(duì)提高電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠性具有重要的意義。

1 PT熔斷器故障仿真模型

在電力系統(tǒng)中需要用到的熔斷器數(shù)量繁多，電力系統(tǒng)PT熔斷器和電壓互感器模型［12］如圖1所示，Rf為熔斷器的仿真模型中的一個(gè)定值電阻，Rv、Rv1為電壓互感器一次二次側(cè)直流電阻，Lv、Lv1，分別是其相應(yīng)的漏電抗，Rm是電壓互感器的勵(lì)磁電阻，ZL為電壓互感器的負(fù)載，Ls是鐵心線圈的非線性勵(lì)磁電感。

圖1 電壓互感器與熔斷器仿真模型

二次側(cè)折算到原邊阻抗為

折算后輸入阻抗為

正常運(yùn)行時(shí)，流過(guò)熔斷器的電流為

1.1 單相接地故障模型

為了便于分析鐵磁諧振對(duì) PT熔斷器的影響，用電阻與電感來(lái)模擬電壓互感器，R1、R2、R3為電壓互感器的電阻，阻值均為150Ω；L1、L2、L3為電壓互感器的電感，其值大小均為85.6mH。鐵磁諧振的仿真模型如圖2所示。R4—R7為小電阻，阻值均為106.5Ω；C1—C3為系統(tǒng)中的三相電容，其值大小約為32.5μF。

圖2 鐵磁諧振仿真電路

系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相線路熔斷器電流接近短路，非故障相電壓變?yōu)榫€電壓負(fù)載流過(guò)熔斷器電流為

由上式可以看出，單相接地故障時(shí)，故障相電流變大，非故障相電壓變?yōu)橄嚯妷旱?.7倍。

1.2 電壓互感器自身內(nèi)部故障模型

如圖所示，ZL1—ZL3為100VA三相線路負(fù)載，三相電源經(jīng)消弧線圈L4接地，PT1—PT3為線路電壓互感器，F(xiàn)u1—Fu3為線路的PT熔斷器。閉合 K1模擬電壓互感器自身故障時(shí)所導(dǎo)致的二次短路故障的情況。

圖3 電壓互感器二次側(cè)短路故障仿真電路

當(dāng)電壓互感器二次側(cè)短路時(shí)，即K1短路造成的Fu3熔斷，設(shè)中性點(diǎn)電壓為Uo，Z1、Z2、Z3為互感器內(nèi)阻抗，流過(guò)熔斷器電流為

由上式可知，電壓互感器二次側(cè)短路將造成流過(guò)PT熔斷器電流激增，系統(tǒng)發(fā)生故障。

2 PT熔斷器故障仿真

2.1 單相接地故障仿真分析

系統(tǒng)由于單相接地故障引發(fā)鐵磁諧振后，到指定互感器勵(lì)磁阻抗減小，中性點(diǎn)電壓偏移，流過(guò)中性點(diǎn)電流過(guò)大，熔斷器發(fā)生熔斷。如圖4所示，0.1s發(fā)生單相接地，故障后在0.2s切斷電源后B相電壓波形。

發(fā)生單相故障后圖 4（a）、（b）分別為斷開(kāi)電源和未斷開(kāi)電源情況，B相電壓變?yōu)榫€電壓，電壓值約為正常運(yùn)行電壓的1.75～2.5倍，使線路電壓超過(guò)額定電壓，引發(fā)鐵磁諧振，其諧振電壓與基頻電壓疊加形成一個(gè)更高的電壓，導(dǎo)致電力系統(tǒng)電壓過(guò)載，造成PT熔斷器熔斷。

圖4 單相接地故障B相電壓波形

通過(guò)圖5看出，單相接地故障造成系統(tǒng)故障電流約為正常運(yùn)行電流的1.75～2.5倍左右，PT繞組中將會(huì)流過(guò)一個(gè)幅值很高的低頻飽和電流，電流過(guò)大造成熔斷器因短時(shí)熱積累而熔斷。而系統(tǒng)對(duì)地電容和電壓互感器電感相匹配的情況下，會(huì)發(fā)生線路鐵磁諧振過(guò)電壓，造成PT熔斷器熔斷。因此，以單相接地故障導(dǎo)致的鐵磁諧振故障是導(dǎo)致 PT熔斷器熔斷的主要原因。

圖5 單相接地故障后B相電流

2.2 電壓互感器自身故障仿真分析

電壓互感器內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，仿真B相電壓波形如圖6所示，通過(guò)故障波形可以看出當(dāng)電壓互感器發(fā)生短路故障時(shí)，故障相會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)過(guò)電壓，使PT熔斷器熔斷。

圖6 電壓互感器故障電壓波形

當(dāng)電壓互感器負(fù)載過(guò)重時(shí)，如圖7所示，電壓互感器自身故障會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)部短路，系統(tǒng)電流約為正常運(yùn)行電流的 2～5倍時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了額定電流，這樣的短時(shí)過(guò)電流流過(guò)熔斷器時(shí)，就會(huì)造成PT熔斷器過(guò)熱熔斷。

圖7 電壓互感器故障電流波形

2.3 其他原因造成熔斷器故障分析

熔斷器故障有多種原因，制造過(guò)程中，造成質(zhì)量問(wèn)題，或者安裝過(guò)程中，接觸不良造成性能降低，自然老化等原因都會(huì)造成PT熔斷器故障［14-15］。

1）在安裝過(guò)程中，操作失誤引起PT熔斷器故障；或者在施工過(guò)程中錯(cuò)誤接線，這些都可以造成PT熔斷器熔斷。

2）系統(tǒng)過(guò)載造成熔斷器故障。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載突然增大時(shí)，系統(tǒng)的電流過(guò)負(fù)荷，造成熔斷器因電流過(guò)載熱熔斷。

3）環(huán)境原因造成PT熔斷器故障，長(zhǎng)期在野外環(huán)境中風(fēng)吹日曬以及環(huán)境污染等條件，導(dǎo)致熔斷器接點(diǎn)損壞，從而造成故障。以及雷雨天氣中雷擊過(guò)電流造成熔斷器故障。

3 PT熔斷器的故障抑制措施

由仿真分析可以得出，鐵磁故障和低頻飽和電流時(shí)PT熔斷器熔斷的主要原因。PT的熔斷原因歸根揭底是由于電流過(guò)大，造成熔斷器熱熔斷［16］。因此，防止鐵磁諧振故障的措施有以下幾個(gè):

1）中性點(diǎn)加裝非線性電阻。PT高壓側(cè)經(jīng)電阻接地，從根本上抑制低頻飽和電流，限制流過(guò)高壓繞組的過(guò)電流防止PT熔斷器故障。

2）系統(tǒng)加裝電容，破壞PT的諧振條件抑制鐵磁諧振，從而防止過(guò)電壓造成PT熔斷器熔斷。

另外，采用質(zhì)量較好的電壓互感器及熔斷器，并應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)程操作，防止由于質(zhì)量原因和操作不當(dāng)造成的故障；可以降低系統(tǒng)的電感，破壞鐵磁諧振發(fā)生的條件；高壓側(cè)裝設(shè)避雷器來(lái)防止雷擊過(guò)電壓導(dǎo)致的熔斷器熔斷故障［17］。

4 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)包括電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)模塊，濾波放大模塊，無(wú)線模塊，處理器以及電源和報(bào)警系統(tǒng)。

圖8 硬件電路總體結(jié)構(gòu)

通過(guò)電壓檢測(cè)和電流檢測(cè)分別對(duì) PT熔斷器的電壓、電流信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采集，由濾波放大模塊分別對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理，然后送到處理器與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)電壓值超過(guò)正常運(yùn)行電壓的1.5倍，同時(shí)電流值超過(guò)正常運(yùn)行電流的2倍時(shí)，報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警，對(duì) PT熔斷器的運(yùn)行狀況做出故障診斷。由無(wú)線模塊與管理系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)PT熔斷器的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和信息控制。系統(tǒng)電源供電由外部電源和蓄電池雙供電，使系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

5 結(jié)論

分析總結(jié)了導(dǎo)致熔斷器故障的原因，通過(guò)Matlab/Simulink建立熔斷器故障模型，分析了 PT熔斷器故障電壓電流與故障原因之間的關(guān)系，當(dāng)單相接地故障時(shí)系統(tǒng)電壓是正常運(yùn)行電壓的1.75倍，同時(shí)系統(tǒng)電流是正常運(yùn)行電流的2～5倍左右，系統(tǒng)同時(shí)出現(xiàn)過(guò)電壓和過(guò)電流現(xiàn)象。因此通過(guò)電壓、電流雙檢測(cè)方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì) PT熔斷器故障的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，避免了熔斷器故障的誤判。對(duì)PT熔斷器故障的診斷技術(shù)展開(kāi)研究，并提出抑制鐵磁諧振和低頻飽和電流的措施，從根本上解決 PT熔斷器故障，為智能電網(wǎng)中抑制 PT熔斷器故障措施提供重要理論依據(jù)。

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李 兵（1969-），工程師，男，漢族，重慶，主要從事于電力系統(tǒng)運(yùn)行。

Fault Analysis and Fault Monitoring System Development of the PT Fuses in Distribution Network

Li Bing Ding Shunqing Xu Feng Yang Yi Liu Jie
（State Grid Chongqing Pengshui County Power Supply Co.，Ltd，Chongqing 409600）

PT Fuse is an important power system equipment.For the reason of the PT fuse failure，we proposed a new method of voltage and current double detection.We establish Matlab/Simulink fuse failure model to analyze the relationship between current and voltage PT fuse failure between the cause of the failure，and simulation calculation of diagnostic techniques fuse failure were studied.The results showed that the ferromagnetic resonance of low frequency faults and saturation current system is the main cause of PT fuse blown fault.Therefore，the detection of the voltage and current characteristic value，has important implications for the diagnosis of PT fuse failure.

PT fuses；current detection；malfunction diagnosis