配電網(wǎng)壓變?nèi)劢z熔斷影響因素的分析

古 瓏 趙 飛

（國網(wǎng)山西省電力公司大同供電公司）

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配電網(wǎng)壓變?nèi)劢z熔斷影響因素的分析

古 瓏 趙 飛

（國網(wǎng)山西省電力公司大同供電公司）

摘要：本文對配電網(wǎng)頻繁發(fā)生的壓變?nèi)劢z非正常熔斷的事故原因進(jìn)行了分析，利用ATP-EMTP建立仿真模型，對母線出線長度、壓變勵(lì)磁特性和零序回路阻尼電阻等主要影響因素進(jìn)行了仿真分析，對目前應(yīng)用最為廣泛的壓變?nèi)劢z熔斷的預(yù)防措施進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：壓變；熔絲；鐵磁諧振；ATP-EMTP

0 引言

我國中壓配電網(wǎng)大多為中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式，其母線上通常接有三相五柱式的電磁式電壓互感器（Voltage Transformer，TV，簡稱“壓變”）。當(dāng)雷電天氣、母線空載合閘或單相接地故障消失等情況發(fā)生時(shí)，可能使壓變某相端部對地電壓升高，導(dǎo)致壓變高壓入口處的高壓熔斷器（簡稱“熔絲”）頻繁地不正常熔斷甚至壓變爆炸等事故發(fā)生，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。河北某局2010～2012年間，10kV和35kV配電網(wǎng)壓變?nèi)劢z非正常熔斷和壓變燒毀事故就有22起；2002～2008年間，東北某油田35kV配電網(wǎng)變電站平均每年發(fā)生壓變?nèi)劢z非正常熔斷事故兩百多次。由此可見，配電網(wǎng)壓變?nèi)劢z非正常熔斷問題在我國有一定的普遍性，研究其事故發(fā)生原因、影響因素及其預(yù)防措施具有重大意義。

1 壓變?nèi)劢z熔斷的原因分析

壓變?nèi)劢z在保護(hù)壓變、隔離二次側(cè)事故乃至保證配電網(wǎng)的安全運(yùn)行中都發(fā)揮了積極作用，但其熔絲頻繁熔斷和損壞，顯著降低了配電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。為此，國內(nèi)外不少專家學(xué)者對其非正常熔斷原因進(jìn)行了深入研究[2]。研究表明，引起壓變?nèi)劢z熔斷的原因有很多，如鐵磁諧振、低頻非線性振蕩、雷電波入侵[3]、電網(wǎng)諧波等。其中，由系統(tǒng)對地電容與壓變非線性的勵(lì)磁電感相匹配所引起的鐵磁諧振和低頻非線性振蕩是造成壓變?nèi)劢z非正常熔斷的最主要原因。

2 ATP-EMTP仿真模型

本文采用單相接地故障消除瞬間來激發(fā)諧振過程。由于鐵磁諧振和低頻非線性振蕩只產(chǎn)生于零序回路，此時(shí)各相線電壓維持不變，其余電容器組、各相的相間電容、負(fù)荷側(cè)變壓器以及各類負(fù)荷均不在諧振范圍內(nèi)，因此可不予考慮。

仿真模型如圖1所示，假設(shè)A相發(fā)生單相金屬性接地故障，K為接地開關(guān)，仿真時(shí)間為2s。三相電源電壓等級為110kV，變壓器T采用YN/Δ接線且電壓比為110/10kV，TV為三相五柱式電磁式電壓互感器。假設(shè)三相線路參數(shù)對稱，各相導(dǎo)線對地電容C0=0.005μF/km。

圖1　仿真模型

3 壓變?nèi)劢z熔斷影響因素的仿真分析

3.1 母線出線長度的影響

仿真通過改變系統(tǒng)對地電容的大小來改變母線出線總長度，模擬不同諧振情況。從仿真結(jié)果可知：隨著母線出線長度的增加，系統(tǒng)依次發(fā)生高頻諧振、基頻諧振、分頻諧振和低頻非線性振蕩這四種振蕩狀態(tài)。圖2分別為鐵磁諧振的三種典型狀態(tài)（高頻諧振、基頻諧振、分頻諧振）和低頻非線性振蕩時(shí)的壓變一次側(cè)三相電壓波形?？梢钥闯?，它們的電壓特性各不相同。同時(shí)，各諧振狀態(tài)的電流幅值、頻率和波形與電壓同理，鐵磁諧振過電流幅值較小，而低頻非線性振蕩過電流最大峰值可達(dá)安培級別。因此，可由其電壓波形特征和電流幅值大小來判斷其系統(tǒng)諧振狀態(tài)。

圖2　四種諧振狀態(tài)下壓變一次側(cè)三相電壓波形

3.2 壓變勵(lì)磁特性的影響

采用兩組勵(lì)磁特性參數(shù)不同的壓變進(jìn)行對比，其勵(lì)磁特性曲線如圖3所示，壓變2的勵(lì)磁特性明顯優(yōu)于壓變1。由表1可知，在不同系統(tǒng)諧振狀態(tài)下，壓變2的一次側(cè)過電流總是小于壓變1。勵(lì)磁特性好的TV，其Ψ/ i特性曲線的線性度較好，不易飽和，同時(shí)抑制TV一次側(cè)過電流的效果好，且諧振區(qū)域范圍縮小，避免壓變?nèi)劢z熔斷事故的發(fā)生。

圖3　壓變1和壓變2勵(lì)磁特性曲線圖

表1　壓變1和壓變2對系統(tǒng)影響的對比分析

3.3 零序回路阻尼電阻的影響

假設(shè)母線出線長度為200km，分別取不同阻值的零序回路阻尼電阻進(jìn)行仿真，得到了不同阻尼電阻對零序電壓、壓變一次側(cè)電流和系統(tǒng)諧振狀態(tài)的影響。從表2可知，零序回路阻尼電阻對鐵磁諧振的零序電壓和過電流有一定的抑制效果，但其諧振狀態(tài)仍自保持；對低頻非線性振蕩的零序電壓和過電流的抑制效果顯著，使其振蕩頻率降低且衰減加快。所以，這種增加零序回路阻尼電阻的方式，消耗諧振能量，抑制過電流效果較好，有利于預(yù)防壓變?nèi)劢z非正常熔斷事故的發(fā)生。目前應(yīng)用最為廣泛的消諧器就是這個(gè)原理。

表2　零序回路阻尼電阻對系統(tǒng)的影響

4 壓變?nèi)劢z熔斷的預(yù)防措施分析

為了預(yù)防壓變?nèi)劢z非正常熔斷甚至壓變爆炸等事故的發(fā)生，最根本的是要選用勵(lì)磁特性好的壓變，但因目前技術(shù)水平有限且成本較高，此方法在實(shí)際生產(chǎn)中很難實(shí)現(xiàn)。目前，現(xiàn)有預(yù)防措施的原理一般分為兩種：通過改變系統(tǒng)電感、電容參數(shù)來破壞諧振條件，或是通過阻尼作用消耗諧振能量[4]。目前較為常用的預(yù)防措施有：系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地、壓變一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)消諧器接地、壓變一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)零序電壓互感器接地和壓變開口三角繞組接阻尼電阻等。其中，應(yīng)用最為廣泛的為壓變一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)消諧器接地。

本文假設(shè)母線出線長度為200km，針對壓變一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)消諧器接地這種預(yù)防措施進(jìn)行仿真，研究其對壓變一次側(cè)過電壓、過電流的抑制效果，仿真結(jié)果如圖4～5所示。

圖4　使用消諧器時(shí)的壓變一次側(cè)電壓波形

圖5　使用消諧器時(shí)的壓變一次側(cè)電流波形

消諧器是一種非線性電阻器，起到增加零序回路阻尼、消耗諧振能量的作用，其非線性特性可使諧振在初始階段不易發(fā)展。從圖中可知，壓變一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)消諧器接地后，壓變一次側(cè)電壓振蕩迅速衰減，壓變一次側(cè)過電流峰值與壓變一次側(cè)中性點(diǎn)直接接地相比，從1.13A降到了0.52A，且迅速衰減，總體上抑制過電流的效果較好，是目前預(yù)防壓變?nèi)劢z熔斷最常用的方法。

5 結(jié)束語

本文針對中性點(diǎn)不接地運(yùn)行的配電網(wǎng)中時(shí)常發(fā)生的壓變?nèi)劢z非正常熔斷事故，首先分析了造成事故發(fā)生的主要原因，然后利用ATP-EMTP建立仿真模型，對母線出線長度、壓變勵(lì)磁特性和零序回路阻尼電阻這三種壓變?nèi)劢z熔斷的主要影響因素進(jìn)行了仿真分析，介紹了目前應(yīng)用最為廣泛的壓變一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)消諧器接地的預(yù)防措施?，F(xiàn)有的壓變?nèi)劢z熔斷的預(yù)防措施種類較多，綜合消諧效果及應(yīng)用現(xiàn)狀來說，壓變一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)消諧器接地的方式，不但抑制過電流達(dá)到安全水平，而且安裝方便、附加設(shè)備少，應(yīng)用效果最好。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂鮮艷.35kV系統(tǒng)鐵磁諧振過電壓的分析與抑制[D].北京:華北電力大學(xué)，2008．

[2] 魯鐵成.電力系統(tǒng)過電壓[M].北京:中國水利水電出版社,2009．

[3] 袁庚.雷擊時(shí)10-35kV電壓互感器多相熔絲熔斷的原因分析[J].電力設(shè)備,2004,03:45-48．

[4] 梁志瑞,董維,劉文軒,等.電磁式電壓互感器的鐵磁諧振仿真研究[J].高壓電器,2012,48(11):18-23．

[5] 婁欣.配電網(wǎng)壓變?nèi)劢z熔斷的研究[D].北京:華北電力大學(xué),2013．

收稿日期：（2015-11-18）