10 kV TV高壓熔絲熔斷原因分析及防止措施

蔡 源，傅劍文，饒 源

（新安江水力發(fā)電廠，浙江 建德 311608）

新安江電廠新10 kV系統(tǒng)如圖1所示，配變采用干式變，中性點(diǎn)不接地；10 kV TV采用JDZX-10單相澆注電磁式TV，一次側(cè)高壓熔絲整定值為0.5 A。電磁式TV伏安特性過電壓倍數(shù)≤1.9，即電壓超過額定電壓1.9倍TV就飽和。投入運(yùn)行以來，已發(fā)生 10多次TV高壓熔絲熔斷故障。相關(guān)研究表明，鐵磁諧振過電壓可以使電磁式TV鐵心飽和而造成10 kV TV高壓熔絲熔斷，下面就此加以分析。

1 10 kV TV高壓熔絲熔斷原因分析

1.1 鐵磁諧振過電壓

運(yùn)行經(jīng)驗證明，在中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地以及中性點(diǎn)直接接地的3～220 kV電網(wǎng)中，都曾發(fā)生過由于電磁式TV鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓。其中以在中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)中出現(xiàn)較為頻繁。

圖1 新安江電廠10 kV系統(tǒng)原理接線圖

當(dāng)這種過電壓發(fā)生時，由于互感器的鐵心飽和，導(dǎo)致其繞組的勵磁電流大大增加，嚴(yán)重時可達(dá)其額定勵磁電流的百倍以上，從而引起互感器的熔斷器熔斷、繞組燒毀甚至爆炸。在有些情況下，這種過電壓可能很高，最大為相電壓的3.0倍左右，會引起絕緣閃絡(luò)或避雷器爆炸。另外，當(dāng)過電壓發(fā)生時，還會出現(xiàn)虛假接地現(xiàn)象，造成運(yùn)行值班人員錯誤判斷。

1.2 暫態(tài)涌流

如果6～35 kV電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地，其母線上Yo接線的電磁式TV一次繞組成為中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)對地的唯一金屬通道，是電網(wǎng)相對地電容的充、放電途徑，這種慢變過程使TV鐵心深度飽和，因此在電網(wǎng)接地消失時會在TV一次繞組中出現(xiàn)幅值為數(shù)安培的涌流，將TV 0.5 A高壓熔絲熔斷。

2 鐵磁諧振產(chǎn)生的原因

2.1 TV結(jié)構(gòu)及參數(shù)變化

3臺單相TV組與三相五柱TV的諧振激發(fā)方式不同。試驗研究表明，單相TV組的起振電壓較三相五柱TV低，也就是說，單相TV組容易激發(fā)諧振。這主要是由于兩者磁路結(jié)構(gòu)有差異，造成零序阻抗不同所致。

三相五柱互感器和單相互感器組的磁路如圖2所示，單相互感器組零序磁通的磁路和正序磁通的磁路一樣，每相都有自己的閉合回路，因而零序阻抗等于正序阻抗。對三相五柱TV，由于零序磁通經(jīng)過兩個邊柱返回，所以其磁路長，而且鐵心截面小，因而其零序磁通磁阻較單相互感器組要大得多。由上所述，諧振是由于零序磁通造成的，三相五柱互感器零序磁通遇到的磁阻大，諧振就不容易產(chǎn)生。

新安江電廠在10 kV系統(tǒng)未改造之前，TV使用的是油浸三相五柱互感器，運(yùn)行20多年未發(fā)生諧振過電壓造成TV一次高壓熔絲熔斷就是一個很好的說明。

圖2 TV零序磁通經(jīng)過鐵心閉合的回路

2.2 電網(wǎng)參數(shù)變化

研究表明，諧振區(qū)域與阻抗比XCO/XL有直接關(guān)系，1/2分頻諧振區(qū)阻抗比XCO/XL約為0.01～0.08；基波諧振區(qū)的 XCO/XL約為 0.08～0.8；高頻諧振區(qū)的XCO/XL約為0.6～3.0。當(dāng)改變電網(wǎng)零序電容時，XCO/XL隨之改變，可能會由一種諧振轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N諧振狀態(tài)。如果零序電容過大或過小，就可以脫離諧振區(qū)域，諧振就不會發(fā)生。

因此，若XCO/XL＜0.01，一般來說諧振就不會發(fā)生，相應(yīng)的線路長度經(jīng)驗公式為：

式中：l為輸電線路長度。

根據(jù)以上經(jīng)驗公式，計算出新安江電廠10 kV系統(tǒng)可能存在的諧振范圍和輸電線路應(yīng)避免諧振的最小距離見表1。

結(jié)合圖1各線路的距離和表1的統(tǒng)計，除灘頭塢101線、羅桐埠104線滿足要求外 （不包括與開關(guān)站102線聯(lián)絡(luò)運(yùn)行特殊方式），新安江電廠10 kV系統(tǒng)TV參數(shù)的選配都滿足諧振的條件。

3 防止產(chǎn)生諧振的措施

配電網(wǎng)中消除諧振過電壓的措施很多，可以歸納為兩類：一類是改變參數(shù)，破壞產(chǎn)生諧振的條件；另一類是接入阻尼電阻，增大回路的阻尼效應(yīng)?，F(xiàn)就抑制諧振的常用的3種方法加以分析。

3.1 二次側(cè)開口三角串入消諧電阻（燈泡）

該電阻相當(dāng)于直接接到電源變壓器的中性點(diǎn)上，故其電阻越小，越能抑制諧振的發(fā)生。當(dāng)阻值為零時，即將開口三角兩端短接，相當(dāng)于電網(wǎng)中性點(diǎn)直接接地，諧振就不會發(fā)生。

表1 10 kV系統(tǒng)TV避免諧振的最小距離

優(yōu)點(diǎn)是有一定消諧能力且消諧燈泡單價便宜。該方法的缺點(diǎn)是：

（1）采用白熾燈泡時，由于諧振經(jīng)常在單相接地消失后產(chǎn)生，白熾燈泡因發(fā)熱而使其電阻顯著增大，所以此時不起消諧作用。

（2）理論上，阻值越小越好，可是實(shí)際上當(dāng)阻值很小時，卻因為功率大于TV熱容量而容易發(fā)生燒TV問題。

（3）使用過程中發(fā)現(xiàn)消諧燈泡壽命往往不長，經(jīng)常需要更換。

（4）裝于二次側(cè)，無法抑制一次側(cè)暫態(tài)涌流，TV熔絲仍然容易熔斷。

因為消諧燈泡有種種局限性，所以近幾年來已經(jīng)很少使用。

3.2 二次側(cè)加裝電子消諧裝置

正常情況下消諧裝置不動作。當(dāng)發(fā)生諧振時，微電腦控制可控硅瞬間短接TV二次側(cè)，諧振消失后斷開電路。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是消除諧振功能較好；相對于二次側(cè)消諧燈泡只在諧振發(fā)生時短接TV，安全性更高。該方法的缺點(diǎn)是：

（1）無法分辨電網(wǎng)斷線諧振。當(dāng)電網(wǎng)線路中一相導(dǎo)線斷線，斷線相的對地電容與變壓器電感發(fā)生工頻諧振。此諧振可導(dǎo)致斷開相對地有三倍工頻相電壓，會造成消諧裝置動作，TV一次繞組承受很高電壓，飽和很嚴(yán)重，再加上二次繞組被可控硅短路，電流更成倍增長，會在較短時間內(nèi)燒毀該相TV。

（2）早期消諧裝置為了提高抑制工頻諧振的能力，往往把工頻啟動電壓設(shè)置偏低，遇到頻繁接地等現(xiàn)象時有可能頻繁動作，因此容易燒毀健全相TV。

（3）裝于二次側(cè)，無法抑制一次側(cè)暫態(tài)涌流，TV熔絲仍然容易熔斷。

3.3 加裝一次側(cè)消諧器

該裝置采用在TV一次中性點(diǎn)與地之間接入一個大容量非線性電阻體，見圖3。中性點(diǎn)串入的電阻等價于每相對地接入電阻，能夠起到消耗能量、阻尼和抑制諧波的作用。在線路單相接地時，由于中性點(diǎn)O對地帶有一定電位，故能相應(yīng)減少非故障相TV繞組的電壓，使TV的飽和程度降低，不至于發(fā)生鐵磁諧振。由于消諧器安裝在一次側(cè)，具有良好的阻尼和限流效果，故很少會將TV熔絲熔斷。

圖3 LXQ（D）Ⅱ型消諧器接入示意圖

該方法的優(yōu)點(diǎn)是抑制諧振效果好；抑制高壓涌流效果好，安裝后很少出現(xiàn)TV熔絲熔斷的問題。該方法的缺點(diǎn)是：

（1）大容量的非線性電阻不容易燒制，消諧器只能通過250 mA電流。而TV高壓熔絲是0.5 A的，所以往往在TV出現(xiàn)故障、高壓熔絲熔斷之前消諧器就已燒壞，擴(kuò)大事故。

（2）目前的TV多為弱絕緣，中性點(diǎn)絕緣程度低，而消諧器安裝在中性點(diǎn)，大電流流過時，消諧器上會產(chǎn)生一個較高的電壓，可能會損壞TV中性點(diǎn)絕緣。

3.4 消諧器選用

消諧器的選擇與TV高壓繞組X端（尾端）的絕緣等級有關(guān)。由于消諧器是串在TV一次繞組中性點(diǎn)與地之間的非線性阻尼電阻，其非線性特征使得消諧器在正常工作電流段具有一定的阻值，從而有效限制了暫態(tài)涌流產(chǎn)生的鐵磁諧振。但當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)異常大電流 （如雷擊、電網(wǎng)斷線諧振）時，會產(chǎn)生一個比較大的電壓，如果TV尾端絕緣等級不強(qiáng)（俗稱弱絕緣TV，其高壓尾端與二次側(cè)一同輸出），就有可能損壞TV X端絕緣。針對上述情況，選用LXQ（D）Ⅱ型消諧器，其D參數(shù)元件能有效限制消諧器兩端電壓，使其在弱絕緣TV的絕緣耐受水平之下，從而有效保護(hù)中性點(diǎn)絕緣。

在I段TV消諧器安裝后的諧波試驗中，發(fā)現(xiàn)消諧后比消諧前3次諧波明顯增大，但對電氣設(shè)備無影響。

新安江電廠10 kV系統(tǒng)加裝消諧器投入至今，未再發(fā)生10 kV系統(tǒng)TV熔絲熔斷問題。

4 結(jié)語

電磁式TV鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓,是新安江電廠10 kV TV高壓熔絲熔斷的主要原因，而引起鐵磁諧振過電壓的原因是多方面的。消除電磁式TV鐵磁諧振過電壓的措施有許多，在TV高壓繞組中性點(diǎn)串入消諧器是切實(shí)可行的方法。

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