變電站10kV母線電壓互感器熔斷器頻繁燒損研究及治理

李揚(yáng) 王偉 張繁 張書輝

摘要：通過(guò)對(duì)往年多起的熔斷器熔斷事件的統(tǒng)計(jì)及分析，并利用ATP-EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件模擬低頻振蕩，對(duì)熔斷器熔斷原理進(jìn)行分析，尋找導(dǎo)致熔斷器頻繁熔斷的原因，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)提出初步防范意見。

關(guān)鍵詞：10kVPT;熔斷器;ATP-EMTP仿真軟件;鐵磁諧振;低頻振蕩

引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近5年變電管理一所發(fā)生的10kV電磁式電壓互感器一次側(cè)熔斷器熔端現(xiàn)象多達(dá)60余次，且熔斷頻率有逐年增加的態(tài)勢(shì)。在10kV系統(tǒng)中，PT主要起到監(jiān)測(cè)運(yùn)行中的電源母線及高壓設(shè)備的運(yùn)行情況，同時(shí)也為測(cè)量、保護(hù)和其它相關(guān)安自裝置提供所需的電壓量。故10kV母線PT熔斷器頻繁熔斷將對(duì)上述相應(yīng)功能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至?xí)?dǎo)致某些保護(hù)、備自投的誤動(dòng)作，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性造成巨大危害。因此亟需對(duì)10kVPT熔斷器的頻繁熔斷進(jìn)行研究，并制定行之有效的解決方案。

1 事件數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在2014-2018年五年間，變電管理一所共發(fā)生66次PT一次熔斷器熔斷記錄，根據(jù)不同的系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式、熔斷器額定電流、外界因素的分類，我們可以得到以下統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

至今為止，變電管理一所10kV系統(tǒng)的接地方式大部分已整改為小電阻接地，僅早期少部分變電站仍為消弧線圈接地方式，且整個(gè)深圳已無(wú)不接地的中性點(diǎn)運(yùn)行方式。所以在絕大部分PT熔斷器熔斷事件中，系統(tǒng)的接地方式為中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地。

目前各變電站所使用的10kVPT熔斷器型號(hào)多為XRNP1-0.5A，額定電流為0.5A，且發(fā)生熔斷的熔斷器大部分均為此額定電流的熔斷器。

在多數(shù)PT熔斷器熔斷事件中，往往存在外部故障、操作等因素的誘導(dǎo)，而這些因素中以線路故障為主要。

從以上的事件統(tǒng)計(jì)來(lái)看，10kVPT熔斷器熔斷事件通常發(fā)生在有外部故障、熔斷器額定電流較小、且其10kV系統(tǒng)接地方式為小電阻接地的情況下。所以在本文的分析中，著重針對(duì)該類型的系統(tǒng)及外部條件進(jìn)行研究，并尋求降低PT熔斷器熔斷頻率的方法。

2 熔斷器解體

通常，熔斷器由瓷質(zhì)外殼、金屬端蓋、石英砂填充物及熔體組成。其中，端蓋與PT一次導(dǎo)體直接接觸;瓷質(zhì)外殼起到對(duì)熔體的保護(hù)及絕緣的作用;熔斷器內(nèi)部填充滿小顆粒的石英砂，主要在熔體熔斷時(shí)起到加速冷卻、熄滅電弧的作用;而熔體一般為純銀或銅鍍銀材質(zhì)，成螺旋狀，并均勻分布有2-3個(gè)冶金效應(yīng)點(diǎn)，部分型號(hào)的熔斷器內(nèi)有瓷質(zhì)支柱，熔體固定于支柱上。

在已熔斷的熔斷器內(nèi)，均可以發(fā)現(xiàn)燃弧后產(chǎn)生的金屬與石英砂混合物、冶金效應(yīng)點(diǎn)全部或部分消失，且部分熔斷器內(nèi)存在熔體銅綠嚴(yán)重及端蓋銹蝕的情況。

從熔斷器解體情況來(lái)看，熔斷器內(nèi)部都發(fā)生了燃弧，而根據(jù)部分事件中PT二次電壓緩慢降低的現(xiàn)象判斷：熔體上長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)了低過(guò)載電流，使冶金效應(yīng)點(diǎn)與熔體熔合，生成合金，因合金熔點(diǎn)較低，在過(guò)載電流的熱效應(yīng)作用下逐漸熔斷拉弧。此外，部分熔斷器內(nèi)熔體發(fā)生銹蝕也是熔斷器載流能力降低的原因之一。

3 原因分析

3.1 鐵磁諧振

在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地及經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)中，當(dāng)線路發(fā)生雷擊、接地故障時(shí)，系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓會(huì)有不同程度的抬升，從而會(huì)導(dǎo)致PT一次側(cè)電壓升高。由于PT勵(lì)磁鐵芯的非線性特性，一次電壓的升高將使鐵芯產(chǎn)生不同程度的飽和，此時(shí)若系統(tǒng)參數(shù)在H.A.Peterson諧振區(qū)域范圍范疇曲線內(nèi)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振，導(dǎo)致PT一次側(cè)出現(xiàn)過(guò)電壓與過(guò)電流，進(jìn)而使熔斷器熔斷。

類似的，分合開關(guān)、主變調(diào)檔帶來(lái)的操作過(guò)電壓也會(huì)使PT勵(lì)磁鐵芯發(fā)生飽和，引發(fā)鐵磁諧振。諧振區(qū)域與阻抗比有直接關(guān)系，（是線路對(duì)地容抗，是PT額定線電壓下的勵(lì)磁感抗），其中1/2分頻諧振區(qū)域的約為0.01～0.08;基頻諧振區(qū)域的約為0.08～0.8;高頻諧振區(qū)域的約為0.6～3.0，如果對(duì)地電容過(guò)大或過(guò)小就可脫離諧振區(qū)域即不發(fā)生諧振。

3.2低頻振蕩

線路發(fā)生接地故障時(shí)，不但可能會(huì)引起PT鐵磁諧振，同時(shí)在接地故障消失瞬間，正常相對(duì)地儲(chǔ)存的電荷將會(huì)從PT勵(lì)磁繞組釋放，產(chǎn)生振蕩電流。振蕩電流將使PT快速達(dá)到飽和，在一次側(cè)產(chǎn)生過(guò)電流，流過(guò)PT一次側(cè)的電流量如下：

其中，，，、分別為PT的損耗電阻和飽和電感;為每相對(duì)地電容，電容上電壓為，電弧熄滅時(shí)刻電壓為，等值零序回路電流為。

從上式可以看出振蕩頻率取決于對(duì)地電容和電感，振蕩時(shí)間取決于回路電阻的損耗，而振蕩電流的大小主要與對(duì)地電容相關(guān)，對(duì)地電容值越大，發(fā)生接地故障時(shí)累積的電荷就越多，在PT一次側(cè)流過(guò)的沖擊電流就越大，越容易使PT鐵芯發(fā)生飽和，使熔斷器熔斷。

同時(shí)，發(fā)生接地故障時(shí)，因?yàn)殡娀∠鐣r(shí)間有隨機(jī)性，故熄弧時(shí)刻電壓幅值不一定處于最大值。故并不是每次線路發(fā)生接地故障時(shí)都會(huì)產(chǎn)生低頻振蕩，而且低頻振蕩的沖擊電流也與PT鐵芯勵(lì)磁特性有關(guān)，鐵芯勵(lì)磁特性越差，鐵芯越容易發(fā)生飽和，低頻振蕩的沖擊電流就越大。

通過(guò)ATP-EMTP軟件對(duì)單相接地故障進(jìn)行模擬仿真，用非線性電感與線性電阻電感的組合來(lái)模擬PT模型，其中非線性電感通過(guò)勵(lì)磁曲線通過(guò)等效擬合。并將線路電纜、架空線簡(jiǎn)化為對(duì)地電容，負(fù)載簡(jiǎn)化為電阻電感，可以得到10kV系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型。

所以通過(guò)上述，在系統(tǒng)電容足夠大時(shí)，單相接地故障的消失會(huì)引發(fā)低頻振蕩，幅值與對(duì)地電容值有關(guān)。故在10kV出線電纜比例較高城市線路，對(duì)地電容相對(duì)架空出線要大很多，更容易發(fā)生低頻振蕩，進(jìn)而使熔斷器熔斷。

3.3 其它原因

在PT熔斷器解體的過(guò)程中，可以注意到部分熔斷相熔斷器熔體銹蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)了大量的銅綠，熔體變脆易斷，而對(duì)比正常相熔體則表面光澤，韌性良好。同時(shí)根據(jù)高壓熔斷器相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)熔斷器有相應(yīng)密封性要求。所以可以推測(cè)熔斷器密封性降低，內(nèi)部熔體受潮導(dǎo)致載流能力下降，在通過(guò)低于額定值的電流時(shí)便發(fā)生熔斷。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，10kV電磁式電壓互感器熔斷器熔斷受多種因素影響：

1. PT的勵(lì)磁特性太差，三相PT勵(lì)磁曲線相差太多，都會(huì)導(dǎo)致PT鐵芯易飽和，產(chǎn)生鐵磁諧振，使熔斷器熔斷。
2. 系統(tǒng)對(duì)地電容較大，接地故障消失時(shí)電荷的重新分配可能會(huì)產(chǎn)生低頻振蕩，振蕩沖擊電流過(guò)大使熔斷器熔斷。
3. 熔斷器本身質(zhì)量問(wèn)題，密封性不良使熔斷器內(nèi)部受潮，熔體載流能力達(dá)不到原本額定要求，在正常電流波動(dòng)時(shí)便發(fā)生熔斷。

結(jié)合熔斷器熔斷的各種原因，為防止熔斷器頻繁熔斷，本文建議選取勵(lì)磁特性較好的PT，同時(shí)要盡量減少同組PT相間特性的偏差;提高熔斷器的額定電流，減少熔斷概率并且不失去對(duì)PT的保護(hù)作用;使用正溫度系數(shù)的一次消諧裝置，可有效限制鐵磁諧振的發(fā)生;嚴(yán)格把關(guān)熔斷器的入網(wǎng)檢查，保證熔斷器質(zhì)量過(guò)關(guān)。

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作者簡(jiǎn)介：

李揚(yáng)，西安交通大學(xué)本科生，2016年入職，深圳供電局有限公司檢修部檢修四班班員。

王偉，湖南大學(xué)本科，2012年入職，變電管理一所檢修四班班長(zhǎng)。