配電網高壓保險絲故障原因的仿真分析

南曉強，李群湛

（西南交通大學電氣學院，成都 610031）

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

以往的研究中［1～7］，常把PT高壓側保險絲熔斷的原因歸結為鐵磁諧振，判定系統發生鐵磁諧振現象時產生了過電流，致使保險絲熔斷。但經調研發現并不是這樣。而是在系統故障恢復后電容放電引起的沖擊電流［8～11］，而且PT高壓保險熔斷現象多發生在線路對地電容較大的單相接地故障恢復時。

本文將首先介紹高壓保險絲熔斷的原因，然后用Peterson判據和建模仿真進一步確認故障原因，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系統中，Y0接線的電磁式PT的高壓繞組是系統三相對地的唯一金屬通道。系統發生單相接地故障要經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。當接地故障消失時，非接地相由線電壓恢復到相電壓水平。非接地相在接地期間已經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很大的沖擊電流，將造成PT一次側高壓保險絲熔斷。而且該電流的大小與PT伏安特性有關系，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，而是故障恢復后電容放電引起的沖擊電流。

2 Peterson諧振判據的應用

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，會發生高頻、基頻和分頻諧振；諧振區域與阻抗比XCO／XL有關系（XCO為系統零序容抗，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生諧振；Peterson確認XCO／XL＜0.01系統不會發生鐵磁諧振。

下文應用Peterson判據就某變電站進行驗算，PT型號：JDZX－10，3支全絕緣，固定安裝。首先設定PT飽和特性參數，PT的飽和特性參數設定利用曲線坐標法，將實測得到PT的二次側電壓、電流值轉換到一次側，利用U＝dφ／dt，計算出φ值，再換算為標么值填入互感器參數設置中的飽和特性一欄中。其他參數的設定均按PT的實際值整定［13］。PT相關參數基準值的換算公式如下：

式中：UAC＝10kV；Pn＝100VA；f＝50Hz。

線路參數的確定：

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

根據上述建立的模型和參數，據Peterson諧振判據判斷是否會發生鐵磁諧振。

諧振狀況的判斷計算過程如下：

即此系統不會發生鐵磁諧振，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生的低頻飽和電流，下節將通過仿真進一步驗證這一結論。

3 系統仿真模型的建立

3.1 系統等值電路的建立

系統正常運行時的等值電路如圖2所示，忽略了導線間電容、電容器組、負載變壓器以及負荷，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 電壓互感器的內部等效電路Fig.3 Equivalent circuit of internal voltage transformer

3.3 系統仿真模型的建立

現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PT高壓保險熔斷，嚴重影響了正常的電力供應，最近一次為2008年8月6日雷雨天氣后出現Ⅰ段PT高壓保險兩相熔斷；2008年9月23日雷雨天氣后出現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，準確等級：0.2／0.5／6P級，二次側裝有型號：WXZ196的消諧裝置。

利用Simulink即可搭建由分布參數線路構成的中性點不接地系統的仿真模型如圖4所示。

圖中所示的仿真模型中，用故障發生器來制造瞬時單相接地故障的發生與消失。在接地故障消失后，系統由于電壓互感器電感、導線對地電容的匹配，可能會在零序回路中產生鐵磁諧振。仿真中設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，最大達到7.8A左右，雖較圖6的仿真結果小一些，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了低頻電流。

為進一步說明，下文將通過設置系統參數使其發生鐵磁諧振，用此來區別系統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，以示區別對待。

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

該電流的特點是數值較大，呈某一規律不斷震蕩，與低頻飽和電流的波形有較大區別。因此，在發生高壓次保險絲熔斷現象時，經仿真可以區別故障原因。

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后的電容電流。可以將PT高壓側經電阻接地，該方法效果一般，這里從略。

（2）改變PT接線方式，無論系統正常運行、發生故障還是接地故障恢復后，讓PT所承受的電壓都小于線電壓，減小故障恢復后需要釋放的電荷，即可減小故障恢復后的電容電流對PT高壓保險的沖擊，也就避免了PT高壓保險熔斷現象。基于此方法的考慮，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，二次側剩余繞組組成的開口三角繞組短接。一次側連接成星形，即主PT高壓側中性點再經第4個PT接地，即經零序PT接地，可用以測量零序電壓、接零序電壓繼電器。相當于中性點經較大的感抗接地，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，遠小于高壓保險的熔斷電流，不會對PT一次側保險造成任何的威脅。可見4PT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 結語

本文詳細論述了PT高壓側保險絲熔斷的原因，經Peterson諧振判據和仿真結果證實了系統在單相故障消失時，并未發生鐵磁諧振而是在PT中出現了低頻電流，該電流頻率值極小、數值很大足以將高壓側保險絲熔斷。結合仿真模型提出了有效地防治措施 ——4PT接線，經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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