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.黃河勘測規劃設計研究院有限公司天津院，天津 300200；2.寶坻區水務局，天津 301800）

電力系統10～35 kV系統采取中性點不接地運行方式，其優點是允許系統帶接地故障運行，工作人員可通過報警及時發現與排除故障，避免停電造成社會經濟損失，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電壓擾動，易使PT發生磁飽和從而引發鐵磁諧振[1，2]。當接地故障消失時，會發生一次涌流。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。

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

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，其內置銀熔體與作為滅弧介質的高純度石英砂一起密封于熔管內，在發生故障時熔體熔化，產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生了過電流。產生過電流的原因主要有以下幾種。

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

（2）由于過電壓引起的PT鐵芯不同程度磁飽和發生鐵磁諧振，引起過電流。①電網電壓波動。如，當電網三相不平衡、開關設備不同時合閘、在凌晨或其他電網負荷率較低時、電容投切、諧波等因素所引起的電網過電壓，在極端情況下，多種因素疊加出現短時過電壓使PT鐵芯飽和。②金屬性接地故障。當發生金屬性接地故障（直接接地）時，接地相電壓變為0，非故障相電壓升高 3倍，此時會產生過電壓，使PT鐵芯飽和。③間歇性接地故障。當發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，中性點發生移位，PT各相感抗發生變化，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，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，非接地相在接地期間已經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

根據以上高壓熔斷器熔斷原因，設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導致的PT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，阻抗較高，一般為幾千歐姆；當電壓發生擾動電壓大于Um時，PT發生磁飽和，此時阻抗急劇減小，產生較大勵磁電流。

對于35 kV中性點不接地系統，系統可簡化為圖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 中性點不接地系統簡化圖

H.A.Peterson通過大量實驗繪制諧振區域圖并得出如下結論[4]。

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

下面分析在電壓出現擾動情況下，過電壓對產生勵磁涌流的影響。

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）。

當出現電壓擾動時，以非故障相A相為例，相電壓變為：

式中：γ為擾動系數，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系、磁通與勵磁電流的關系可得：

式中：N為PT高壓繞組匝數（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，當電網電壓發生擾動時，非故障相PT鐵芯中的瞬時磁通及勵磁電流由穩態部分及帶衰減因子的暫態部分組成，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。常見的典型故障所產生的影響詳見表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

天津市寶坻區張頭窩35 kV變電站電源由35 kV架空線引接天津市寶坻區歡喜莊110 kV變電站，引接距離15.81 km。經計算，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據詳見表2。

表2 電壓互感器出廠時提供的勵磁試驗數據

經過計算，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，不會發生諧振，但距離諧振區已經較接近，當電網出現擾動時PT發生飽和情況，就較容易發生諧振。

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據。

圖4為故障情況下的母線電壓錄波，可以較好地說明系統發生諧振情況。

表3 故障報警

圖4 三相電壓故障錄波波形

4 解決方案

根據以上的鐵磁諧振產生原因分析，從選用電壓互感器（不發生或不易發生諧振條件）、提高電壓互感器的阻抗以及發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。當出現電壓擾動時，PT不飽和，一直呈高阻抗狀態，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可起到抑制諧振的作用，當發生諧振時電阻降低，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，當發生諧振時，接通開口三角以增二次負載，增大一次側阻抗，從而破壞諧振。各種方案優缺點及比較，詳見表4。

表4 解決方案對比

5 結語

通過天津市寶坻區張頭窩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下的故障電壓表現。最后，結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缺點及適用范圍。