中性點不接地系統(tǒng)單相故障導(dǎo)致TV熔斷機(jī)理分析

陸　強(qiáng)，滕予非，唐　明

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都　610072)

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中性點不接地系統(tǒng)單相故障導(dǎo)致TV熔斷機(jī)理分析

陸強(qiáng)，滕予非，唐明

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都610072)

摘要：35 kV低壓配電系統(tǒng)中性點一般采用不接地方式，當(dāng)?shù)蛪耗妇€發(fā)生單相短路，在故障消失后低壓母線TV上會產(chǎn)生很高的過電壓，造成鐵心嚴(yán)重飽和, 近而產(chǎn)生很高的過電流，此電流極有可能導(dǎo)致TV熔絲熔斷；針對此問題推導(dǎo)了單相故障消失后TV過電流的物理機(jī)制并提出相應(yīng)的抑制措施，最后通過PSCAD/EMTDC軟件搭建了一個實際電力系統(tǒng)模型，驗證了此物理機(jī)制并證明了抑制措施的可行性。

關(guān)鍵詞：單相接地故障；TV熔斷；中性點不接地系統(tǒng)；PSCAD

Abstract：35 kV distribution network is usually an isolated neutral system, when encountered an single-phase earth fault and after the fault disappears, a high voltage will be produced on TV of low-voltage bus which makes the core saturated seriously, and then a high current will occur, so the TV fuse has a extremely high risk to be fused. Aiming at the problem, the physical mechanism of TV vercurrent after a single-phase earth fault disappears is deduced and the corresponding suppression measures are proposed. At last, the PSCAD/EMTDC software is used to establish a real power system model to test the physical mechanism, and it proves the feasibility of the proposed suppression measures.

Key words：single-phase earth fault; TV fuse; isolated neutral system; PSCAD

0引言

2014年的5月26日、5月30日以及7月1日，四川攀枝花的110 kV白巖子變電站35 kV母線TV別發(fā)生了A相、C相以及B相熔絲熔斷的情況。配電系統(tǒng)TV絲熔斷不僅會影響電費(fèi)的計量，造成很大的損失，嚴(yán)重時甚至燒毀TV[1]。另外，高壓熔斷器本身的熔斷也是一種損失，更換也比較麻煩。還有，當(dāng)TV一次側(cè)高壓熔斷器熔斷時，可引起系統(tǒng)虛假接地，開口三角電壓升高，引起繼電器誤動作，容易造成工作人員的誤判，將其當(dāng)成系統(tǒng)接地，而花費(fèi)很多時間還找不到接地點。這些情況對于電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行都是十分不利的。因此，為保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，電磁式TV壓熔斷器熔斷[2-3]的研究就顯得非常重要[4]。

在10 kV、35 kV中性點不接地配電網(wǎng)[5]中，母線上安裝的電磁式TV常采用的是Y0/Y0的接線方式；由于系統(tǒng)單相接地故障所引起的熔絲熔斷問題時有發(fā)生，嚴(yán)重時甚至燒毀電磁式TV[6]，對其原理的研究將有助于采取有效的措施進(jìn)行抑制。

1事件梳理

根據(jù)攀枝花110 kV白巖子變電站35 kV母線TV絲的多次熔斷事件，利用白巖子變電站錄波文件，可以對7月1日35 kV Ⅲ母TV B相高壓側(cè)熔絲熔斷事件進(jìn)行梳理，通過對該日19:47至20:42近1個小時的波形進(jìn)行梳理?？梢缘玫竭@段時期白巖子35 kV Ⅲ母TV二次側(cè)三相電壓有效值的變化趨勢如圖1所示。

圖1　白巖子35 kVⅢ母TV二次側(cè)三相電壓有效值變化

在19:52前白巖子變電站35 kVⅢ母三相電壓保持基本平衡，而在19:52以后母線B相電壓出現(xiàn)明顯跌落，并在后續(xù)過程中持續(xù)下降。同時錄波波形表明，母線B相電壓畸變率也逐漸增加，三相零序電壓明顯上升。

圖2所示是7月1日23:44:49白巖子35 kVⅢ母TV二次側(cè)三相電壓波形，如圖可知，此時35 kVⅢ母B相電壓的基波有效值已經(jīng)跌落至20 V，而A、C兩相電壓則保持正常。同時，通過錄波可以發(fā)現(xiàn)此時B相電壓畸變嚴(yán)重，三相零序電壓有效值達(dá)到25 V以上。通過與攀枝花供電公司相關(guān)工作人員交流，認(rèn)為該現(xiàn)象即為熔絲熔斷現(xiàn)象。因此根據(jù)上述分析可以初步判斷，7月1日所發(fā)生的110 kV白巖子變電站35 kVⅢ母TV B相熔絲熔斷發(fā)生的初始時刻即為19:52。

圖2　23:44:49白巖子35 kVⅢ母TV二次側(cè)三相電壓波形

2014年7月1日19∶52∶03開始記錄的白巖子35 kV母線電壓波形如圖3所示。

圖3　白巖子35 kVⅢ母TV二次側(cè)三相電壓波形

由圖3可知，19:52:03:847 白巖子35 kV側(cè)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了一次短時的C相接地故障，持續(xù)時間約為8 ms。故障期間C相電壓有明顯下跌，而A、B兩相電壓則有明顯的升高。故障發(fā)生前后，35 kVⅢ母TV的B相電壓有效值從61.572 V下降至59.67 V。綜合圖1與圖3可以初步判斷，19:52:03在白巖子35 kV側(cè)網(wǎng)絡(luò)上所發(fā)生的C相接地故障，是導(dǎo)致35 kVⅢ母TV B相高壓側(cè)熔絲熔斷的直接原因。

2熔斷機(jī)理分析

經(jīng)過分析，初步認(rèn)為白巖子變電站7月1日35 kV TV高壓側(cè)熔絲熔斷事件是由低壓側(cè)單相接地短路故障消失后導(dǎo)致的，下面分析其機(jī)理。

對于中性點不接地系統(tǒng)，當(dāng)一相接地時，另兩相電壓升高到線電壓，它們的對地電容上也就充上了和線電壓相適應(yīng)的電荷。然而，當(dāng)接地故障消失后，為了保持系統(tǒng)平衡，各相對地電壓則力圖恢復(fù)到正常運(yùn)行的相電壓的水平。在此過程中，故障期間在非故障相上所積累的電荷則需要一個釋放的過程，即需要找到出路泄往大地。然而，由于系統(tǒng)中沒有其他的泄流通路，自由電荷只好通過互感器的一次繞組泄往大地。在此過程中，極有可能引起TV鐵心的飽和。具有過飽和鐵心的電壓互感器，在工頻電源電壓作用下也將出現(xiàn)很大的沖擊電流。泄流電流與工頻沖擊電流共同作用，則可能造成熔斷器熔斷。

下面對其熔斷原因進(jìn)行數(shù)學(xué)方面的分析，此處采用注入虛擬補(bǔ)償電量法[7]對此問題進(jìn)行分析。注入虛擬補(bǔ)償電量計算方法的主要思路是:對于一個給定的電路,開關(guān)的通斷操作認(rèn)為是由兩個等效過程疊加而成的,通斷操作前電路中的穩(wěn)態(tài)過程與由通斷操作所引起的暫態(tài)過程“在開關(guān)的通斷操作過程中,接通時電路會有回路電流出現(xiàn),分?jǐn)鄷r斷口兩端會有端電壓出現(xiàn)”，利用疊加原理，可以表達(dá)為

(1)

為此，將3TV接法時的單相接地故障等效電路看作是電路圖4與圖5的疊加，其中圖4所示電路相當(dāng)于接地短路還在持續(xù)的工作狀態(tài)，即單相接地故障的穩(wěn)態(tài)等效電路。圖5所示電路則相當(dāng)于接地故障消除后的等效電路，由虛擬補(bǔ)償電量法可知，接地故障的消除就相當(dāng)在接地點又并接一個與原電流Id0方向相反的電流源。

圖4　單相接地故障等效的穩(wěn)態(tài)圖

由圖4設(shè)A相金屬接地，忽略相間電容影響，戴維南等效圖可求出單相故障時的穩(wěn)態(tài)短路電流為

(2)

式中：L0為TV各相電感值；C0為各相對地電容。

ea=Emsin(ωt+φ)

可得短路電流的瞬時值為

id0=(ωC0-1/ωL0)×3jEmsin(ωt+φ)

=Imsin(ωt+φ+90°)

式中，Im=(ωC0-1/ωC0)×3Em

圖5　單相接地故障消除后的等效的暫態(tài)電路圖

再根據(jù)圖5，可以推導(dǎo)當(dāng)單相故障消失后，并考慮衰減因數(shù)的影響，可得此時加在TV兩高壓繞組兩端的電壓為

U(t)=Emsin(ωt+φ)-Eme-δt(cosφsinωt+

×e-δtsin(ω′t+φ′)

(3)

等式(3)中第一項為電壓的強(qiáng)制分量，它是不衰減的，而后一項則為電壓的自由分量，是振蕩衰減的，并且其幅值是初相角φ的函數(shù)，通常系統(tǒng)的ω′<ω。

由于在高壓繞組中出現(xiàn)頻率為ω′的電壓自由振蕩分量，則在鐵心中同樣會有相同頻率的自由振蕩磁通，繞組中就會出現(xiàn)相應(yīng)的自由振蕩磁鏈Φ。由磁鏈關(guān)系U(Φ)=dΦ/dt可得

(4)

由式(4)可知其幅值|Φ|與初相角φ及ω′均有關(guān)系。饋線越長，對應(yīng)的零序C0越大，自由振蕩頻率ω′越小，但對應(yīng)的|Φ|越大。在此振蕩的作用下，互感器鐵心半個周期將出現(xiàn)一次飽和，每次飽和相應(yīng)的對應(yīng)一次ω′頻率的沖擊電流，此沖擊電流很有可能導(dǎo)致TV熔斷。

3仿真分析

利用PSCAD搭建白巖子變電站35 kV電網(wǎng)的電磁暫態(tài)示意模型。設(shè)置t=0.5 s時，35 kV網(wǎng)絡(luò)內(nèi)C相出現(xiàn)短時單相接地故障，持續(xù)時間8 ms，接地阻抗1 000 Ω。由此，可以得到在熔絲不熔斷的情況下，白巖子站35 kV母線TV二次側(cè)電壓與高壓側(cè)電流如圖 6所示。

圖6　仿真結(jié)果

由圖 6可知，在C相單相短路結(jié)束后，白巖子35 kV母線上出現(xiàn)了一個低頻的自由衰減分量，該分量導(dǎo)致TV出現(xiàn)飽和。仿真表明，該工況下35 kV TV高壓側(cè)電流達(dá)到2.0 A，超過了熔絲的額定電流0.5 A，熔絲熔斷概率較高。

對于中性點不接地系統(tǒng)，當(dāng)一相接地時，正常相電壓將升高到線電壓。當(dāng)接地故障消失后，為了保持系統(tǒng)平衡，各相對地電壓則力圖恢復(fù)到正常運(yùn)行的相電壓的水平。在此過程中，正常相則會出現(xiàn)電荷釋放的物理過程。由于中性點不接地系統(tǒng)中沒有其他的泄流通路，自由電荷僅能通過互感器的一次繞組泄往大地。由于自由電荷釋放過程的振蕩頻率偏低，因此在釋放過程中極有可能引起TV鐵心的飽和。具有過飽和鐵心的電壓互感器，在工頻電源電壓作用下也將出現(xiàn)很大的沖擊電流。泄流電流與工頻沖擊電流共同作用，則可能造成熔斷器熔斷。

4抑制措施

前面的分析表明，攀枝花變電站35 kV TV高壓側(cè)熔絲熔斷可能是由于35 kV電網(wǎng)出現(xiàn)單相短路后，正常相的電壓在從線電壓恢復(fù)到相電壓的過程中，自由電荷經(jīng)TV高壓側(cè)繞組釋放并導(dǎo)致TV鐵心飽和所造成的。根據(jù)這一機(jī)理，可提出以下兩條抑制方法建議：

1)變壓器中性點加裝消弧線圈

當(dāng)在變壓器中性點加裝消弧線圈后，在35 kV電網(wǎng)單相故障恢復(fù)期間，自由電荷將增加一條釋放通道，流經(jīng)TV鐵心的自由電荷將明顯減小，鐵心飽和將得以抑制。因此，利用在變壓器中性點加裝消弧線圈[8]可以有效地抑制35 kV TV高壓側(cè)熔絲的熔斷問題。

同樣利用PSCAD仿真軟件，對白巖子變電站35 kV電網(wǎng)的電磁暫態(tài)進(jìn)行仿真。與前面的仿真工況不同的是，前面模型中在白巖子主變壓器35 kV側(cè)中性點裝設(shè)了消弧線圈，而此處則在主變壓器35 kV側(cè)中性點裝設(shè)了消弧線圈，線圈電感值剛好實現(xiàn)35 kV電網(wǎng)過補(bǔ)償。依然設(shè)置t=0.5 s時，35 kV網(wǎng)絡(luò)內(nèi)C相出現(xiàn)短時單相接地故障，持續(xù)時間8 ms，接地阻抗1 000 Ω。可以得到在熔絲不熔斷的情況下，白巖子站35 kV母線TV二次側(cè)電壓與高壓側(cè)電流如圖7所示。

對比圖 6與圖7可知，系統(tǒng)裝設(shè)消弧線圈后，由于C相單相短路消失后，在35 kV TV高壓側(cè)產(chǎn)生的電流由2.0A下降至0.007A，大幅度地降低了TV熔絲熔斷的可能性。由此，驗證了消弧線圈可以有效抑制TV高壓側(cè)熔絲熔斷的結(jié)論。

2)擾動原因排查

圖7　裝設(shè)消弧線圈后的仿真結(jié)果

由于TV高壓側(cè)熔絲熔斷原因是由于低壓側(cè)電網(wǎng)單相短路等擾動造成的，因此，消除擾動則可以在根本上解決TV高壓側(cè)熔絲熔斷的原因。

因此建議，國網(wǎng)攀枝花供電公司對35 kV、10 kV電網(wǎng)的絕緣情況進(jìn)行排查，重點梳理在風(fēng)偏情況下非絕緣架空線路與周邊樹木的距離；同時關(guān)注雷擊、沖擊負(fù)荷等因素對低壓電網(wǎng)電壓擾動的影響。

5結(jié)論

通過對110 kV白巖子變電站7月1日35 kV TV高壓側(cè)熔絲熔斷事件進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：通過錄波數(shù)據(jù)，推斷導(dǎo)致35 kV TV高壓熔斷的原因為單相接地短路消失產(chǎn)生在TV上的沖擊電流。

1)推導(dǎo)了中性點不接地系統(tǒng)單相短路消失后流過TV一次側(cè)的電流值以及磁鏈的大小，并解釋了導(dǎo)致TV熔斷的原因；

2)通過算例仿真分析了單相短路接地消失后導(dǎo)致TV一次側(cè)電流值增大的現(xiàn)象；

3)分析了抑制中性點不接地系統(tǒng)單相短路故障消失后TV的過流措施，并通過仿真進(jìn)行了驗證。

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中圖分類號：TM713

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-6954(2016)02-0054-05

作者簡介：

陸強(qiáng)(1988)，碩士，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制的研究。

(收稿日期：2015-12-04)