10 kV電壓互感器熔絲熔斷的仿真計算研究

孫志　孫素娟　王倩

摘 要：基于鐵磁諧振的暫態(tài)發(fā)展機理，利用EMTP-ATP軟件建立10 kV中性點不接地系統(tǒng)模型，對系統(tǒng)中的鐵磁諧振導(dǎo)致母線壓變?nèi)劢z熔斷的故障進行仿真研究。結(jié)果表明，分頻諧振沖擊電流是壓變?nèi)劢z熔斷的主要原因。在PT高壓側(cè)經(jīng)非線性電阻接地，能夠有效抑制鐵磁諧振。

關(guān)鍵詞：鐵磁諧振；EMTP-ATP；電壓互感器；熔絲熔斷

中圖分類號：TM457 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.088

低壓配電網(wǎng)分布面廣，直接面向用戶，為了監(jiān)視每相對地的絕緣情況，便于測量、計量和保護等，變電站母線一般裝設(shè)有電磁式電壓互感器（簡稱“壓變”），以便為上一級變壓器的后備保護、線路保護和測量、計量提供電壓值。在中性點非有效接地的10 kV系統(tǒng)中，通常在壓變高壓側(cè)裝設(shè)熔斷器，防止系統(tǒng)受壓變或其引線上的故障影響，并保護壓變本身。

電力網(wǎng)絡(luò)在某種大的擾動或操作作用下，PT非線性電感元件可能飽和，從而與線路、設(shè)備的對地電容形成單相或三相共振回路，激發(fā)起持續(xù)的較高幅值的過電壓，即鐵磁諧振過電壓。諧振時出現(xiàn)的異常過電壓可能會導(dǎo)致絕緣閃絡(luò)、避雷管爆炸、PT熔絲熔斷等。

1 鐵磁諧振

系統(tǒng)暫態(tài)電流引起熔體發(fā)熱是導(dǎo)致PT高壓熔絲熔斷的直接原因，而鐵磁諧振是PT高壓熔絲產(chǎn)生沖擊電流的主要原因之一。

PT是鐵芯電感元件，在系統(tǒng)遇到開關(guān)操作、雷擊侵入等故障時，PT非線性鐵芯飽和并與線路電容諧振，從而出現(xiàn)過電壓、過電流。圖1為配電網(wǎng)簡化電路圖，其中，EA，EB和EC為三相對稱電源電動勢，LA，LB和Lc為PT各相電感，C0為各相線路的對地電容，它與互感器各相電感并聯(lián)后的綜合導(dǎo)納記為YA，YB和YC。

在系統(tǒng)正常運行的情況下，LA=LB=LC，因此，有YA=YB=YC，三相電路處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)中性點電壓為0. 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某些沖擊性擾動，比如雷擊、斷路器合閘于空載母線、線路單相瞬間接地故障時，就會導(dǎo)致一相或兩相對地電壓瞬時升高。此時，如果PT的三相繞組受到的沖擊程度不同，則三相繞組的飽和程度也不相同，進而導(dǎo)致各相的綜合阻抗不同，使中心點電壓U0發(fā)生位移。如果擾動使一相等值阻抗為容性，另外兩相為感性，則YA+YB+YC將明顯減小，會出現(xiàn)較高的U0，以激發(fā)鐵磁諧振。而三相對地電壓則為各相電動勢E和位移電壓U0的矢量和。由此可知，其中一相、兩相甚至三相對地電壓都可能會升高。

鐵磁諧振導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓和過電流，PT高壓側(cè)熔絲往往因此熔斷。根據(jù)鐵磁諧振的機理，諧振頻率由振蕩回路的電感和電容參數(shù)決定。由于PT勵磁電感的非線性特性，電感值不是常數(shù)，諧振可以是基頻諧振、高頻諧振（3次、5次等），也可以是分頻諧振（1/2，1/3，1/5等）。

2 數(shù)學(xué)模型

忽略線路的相間電容，系統(tǒng)正常運行時的電路方程為：

當(dāng)單相接地故障消失后，不管系統(tǒng)是否發(fā)生鐵磁諧振，其等值電路與系統(tǒng)正常運行時的電路完全相同，因此，方程也是相同的。

3 仿真計算

EMTP 程序主要用于電力系統(tǒng)中電磁暫態(tài)過程的計算。本文以圖2所示的電網(wǎng)簡化模型為例，建立鐵磁諧振仿真模型。

仿真以單相接地故障為激發(fā)條件，分析母線三相電壓、PT高壓側(cè)三相電流的暫態(tài)發(fā)展趨勢。仿真所采用的PT勵磁特性如表1所示。

圖3為故障過程中系統(tǒng)中性點電壓、PT高壓側(cè)三相電壓和電流的波形。

分析仿真結(jié)果可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生分頻諧振時，流過PT的三相電流很大，過電流幅值為正常運行的數(shù)十倍。在如此高的過流作用下，PT熔絲往往瞬間熔斷。這表明分頻諧振對壓變?nèi)劢z危害很大。

4 抑制分析

鐵磁諧振發(fā)生的主要原因是，電網(wǎng)中電感與電容元件之間出現(xiàn)了能量振蕩，因而產(chǎn)生了過電壓和過電流。因此，可以引入電路損耗對振蕩進行阻尼，使系統(tǒng)電源提供的能量不能維持鐵磁諧振的持續(xù)發(fā)生。本文在壓變高壓側(cè)中性點接入非線性電阻（LXQ型），仿真分析對諧振的抑制作用。

仿真時，單相故障的接地時刻與接地消失時刻與之前內(nèi)容相同。在接地消失時，要立即投入非線性電阻，觀察系統(tǒng)中性點電壓、PT高壓側(cè)三相電壓和電流，具體如圖4所示。

對比圖3和圖4，經(jīng)過分析可知，在PT一次側(cè)中性點引入

LXQ型非線性電阻后，當(dāng)單相接地消失后，系統(tǒng)中性點電壓快速降為0，三相電壓快速恢復(fù)正常工作狀態(tài)，流過PT高壓側(cè)的電流也較快降低。電網(wǎng)中不再出現(xiàn)鐵磁諧振故障表明，非線性電阻對諧振有明顯的抑制作用。

5 結(jié)束語

通過對鐵磁諧振的理論分析，并結(jié)合仿真驗證，可以得出以下結(jié)論：①在中性點不接地系統(tǒng)中，導(dǎo)致壓變?nèi)劢z熔斷的主要原因是鐵磁諧振；②分頻諧振導(dǎo)致的PT過電流是壓變?nèi)劢z熔斷的主要原因；③在PT高壓側(cè)中性點接入LXQ型非線性電阻，對鐵磁諧振具有很好的抑制作用，可以有效降低熔斷發(fā)生的概率。

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〔編輯：白潔〕