配电网高压保险丝故障原因的仿真分析

南晓强，李群湛

（西南交通大学电气学院，成都 610031）

随着城市配电网的发展，架空线路不断增加，电缆线的使用进一步使得系统对地电容有了很大变化。电感、电容值已超出发生铁磁谐振的范围。但在实际运行中仍频繁出现电压互感器PT（potential transformer）高压侧保险丝熔断的现象。

以往的研究中［1～7］，常把PT高压侧保险丝熔断的原因归结为铁磁谐振，判定系统发生铁磁谐振现象时产生了过电流，致使保险丝熔断。但经调研发现并不是这样。而是在系统故障恢复后电容放电引起的冲击电流［8～11］，而且PT高压保险熔断现象多发生在线路对地电容较大的单相接地故障恢复时。

本文将首先介绍高压保险丝熔断的原因，然后用Peterson判据和建模仿真进一步确认故障原因，最后提出有效地抑制措施。

1 PT高压保险熔断的根本原因

由于10kV系统中，Y0接线的电磁式PT的高压绕组是系统三相对地的唯一金属通道。系统发生单相接地故障要经历接地和接地消失两个过程。单相接地时，电流的分布如图1所示。未接地相的电压升高至线电压，其对地电容C0上充以线电压的电荷，电容电流在电源 －导线 －大地间流通。由于PT的励磁阻抗很大，使其中流过的电流很小。当接地故障消失时，非接地相由线电压恢复到相电压水平。非接地相在接地期间已经充电至线电压下的电荷，通过PT高压绕组进入大地［12］。在这一过程中，PT高压绕组中会流过一个很大的电流，会使PT铁芯饱和，在电源电压的作用下会出现很大的冲击电流，将造成PT一次侧高压保险丝熔断。而且该电流的大小与PT伏安特性有关系，PT铁芯越容易饱和，饱和电流就越大，PT高压熔丝就越易熔断。

图1 电网单相接地电流分布Fig.1 Current distribution of single－phase grounding system

综上所述，PT高压保险熔断的主要原因不是铁磁谐振，而是故障恢复后电容放电引起的冲击电流。

2 Peterson谐振判据的应用

H.A.Peterson研究了铁磁谐振，表明谐振随着对地电容和PT励磁电感的变化，会发生高频、基频和分频谐振；谐振区域与阻抗比XCO／XL有关系（XCO为系统零序容抗，XL为PT额定线电压下的感抗）［2］。

1／2分频谐振：XCO／XL值为0.01～0.08。

基频谐振：XCO／XL值为0.08～0.8。

高频谐振：XCO／XL值为0.8～3.0。

如果零序电容过大或过小就不会发生谐振；Peterson确认XCO／XL＜0.01系统不会发生铁磁谐振。

下文应用Peterson判据就某变电站进行验算，PT型号：JDZX－10，3支全绝缘，固定安装。首先设定PT饱和特性参数，PT的饱和特性参数设定利用曲线坐标法，将实测得到PT的二次侧电压、电流值转换到一次侧，利用U＝dφ／dt，计算出φ值，再换算为标么值填入互感器参数设置中的饱和特性一栏中。其他参数的设定均按PT的实际值整定［13］。PT相关参数基准值的换算公式如下：

式中：UAC＝10kV；Pn＝100VA；f＝50Hz。

线路参数的确定：

选择分布参数模型作为线路的数学模型，线路采用YJV22－8.7／10－3＊240型高压电缆，线路长度为20.52km。

根据上述建立的模型和参数，据Peterson谐振判据判断是否会发生铁磁谐振。

谐振状况的判断计算过程如下：

即此系统不会发生铁磁谐振，故PT高压保险熔断的原因不是铁磁谐振。PT高压保险熔断的原因是故障消失时产生的低频饱和电流，下节将通过仿真进一步验证这一结论。

3 系统仿真模型的建立

3.1 系统等值电路的建立

系统正常运行时的等值电路如图2所示，忽略了导线间电容、电容器组、负载变压器以及负荷，UA、UB、UC为三相电源电势；RPT为PT高压绕组的电阻；LPT为电压互感器的励磁电感；C0为各相导线对地电容。

图2 等值电路Fig.2 Equivalent circuit

3.2 PT仿真模型的建立

本文采用 Matlab／Simulink中饱和变压器模块［14］，图3为PT模型的内部等效电路。R1、R2分别为互感器一次和二次电阻，L1、L2是其相应漏抗，Rm是PT的励磁电阻，Lsat为铁心线圈的非线性励磁电感［15］。

该模型考虑到了PT的铁损和漏抗，比较接近PT的真实情况。

图3 电压互感器的内部等效电路Fig.3 Equivalent circuit of internal voltage transformer

3.3 系统仿真模型的建立

现以某变电站实际工况进行建模仿真。该变电站历年来常出现PT高压保险熔断，严重影响了正常的电力供应，最近一次为2008年8月6日雷雨天气后出现Ⅰ段PT高压保险两相熔断；2008年9月23日雷雨天气后出现10kVⅡ段高压保险两相熔断，PT型号介绍如下：型号：JDZX－10，3支全绝缘，固定安装，准确等级：0.2／0.5／6P级，二次侧装有型号：WXZ196的消谐装置。

利用Simulink即可搭建由分布参数线路构成的中性点不接地系统的仿真模型如图4所示。

图中所示的仿真模型中，用故障发生器来制造瞬时单相接地故障的发生与消失。在接地故障消失后，系统由于电压互感器电感、导线对地电容的匹配，可能会在零序回路中产生铁磁谐振。仿真中设A相接地，观察中性点电压的波形及流过互感器一次绕组（PT高压保险丝）的电流波形，得到PT高压绕组C相的电流如图5所示。

图4 仿真模型Fig.4 Simulation Model

图5 PT绕组C相电流波形Fig.5 C－phase current waveform of PT winding

从图5可以看出，PT高压绕组C相电流的最大值达到12.5A左右，频率约为2.5Hz，这是典型的低频振荡电流的波形，且这个波形没有任何铁磁谐振波形的特点，而PT一次侧的保险丝的熔断电流一般为0.5A，这么大的电流，足以使其熔断。

为证明该故障不是铁磁谐振所致，进行了PT开口三角侧接消谐器的仿真［16］，此时PT绕组C相电流的波形如图6所示。

图6 C相电流波形Fig.6 C－phase current waveform

从图6可以看出，在故障消失时投入消谐器，PT高压绕组的电流仍旧较大，最大达到7.8A左右，虽较图6的仿真结果小一些，但这么大的电流仍然可以使PT高压保险熔断。因此可以判定故障原因是故障消失时出现了低频电流。

为进一步说明，下文将通过设置系统参数使其发生铁磁谐振，用此来区别系统中低频饱和电流的情形。以往的文献中［1～3，7］，也有类似的介绍，在此仍给出C相电流的波形图，见图7，以示区别对待。

图7 发生铁磁谐振时C相电流波形Fig.7 C－phase current waveform at the occurrence of ferroresonance

该电流的特点是数值较大，呈某一规律不断震荡，与低频饱和电流的波形有较大区别。因此，在发生高压次保险丝熔断现象时，经仿真可以区别故障原因。

4 抑制措施

PT高压保险熔断故障的防治方法，根本上是要减小故障恢复后的电容电流，可从以下两个方面考虑：

（1）加一个旁路，线路对地电容的储能通过中性点对地线路释放，从而大大减小故障恢复后的电容电流。可以将PT高压侧经电阻接地，该方法效果一般，这里从略。

（2）改变PT接线方式，无论系统正常运行、发生故障还是接地故障恢复后，让PT所承受的电压都小于线电压，减小故障恢复后需要释放的电荷，即可减小故障恢复后的电容电流对PT高压保险的冲击，也就避免了PT高压保险熔断现象。基于此方法的考虑，本文采用一种4PT接线方式，原理接线图见图8，图中虚线框内为加装的第四个PT。

图8 4PT接线图Fig.8 4PT wiring

由4台单相PT组成，其中，主PT由其中三台组成，二次侧剩余绕组组成的开口三角绕组短接。一次侧连接成星形，即主PT高压侧中性点再经第4个PT接地，即经零序PT接地，可用以测量零序电压、接零序电压继电器。相当于中性点经较大的感抗接地，能够补偿线路对地的容抗，破坏了各次谐波的谐振条件，零序PT的三倍感抗就是零序感抗，同时很好地抑制低频饱和电流。当中性点接4PT时流过PT高压绕组C相的电流波形如图9所示。

图9 C相电流波形Fig.9 C－phase current waveform

从图9可以看出，此时流过PT高压绕组的电流在微安级，远小于高压保险的熔断电流，不会对PT一次侧保险造成任何的威胁。可见4PT接线方式能很好的抑制低频饱和电流，因此，4PT接线方式可谓是一种极为有效的抑制PT高压保险熔断的方法。

5 结语

本文详细论述了PT高压侧保险丝熔断的原因，经Peterson谐振判据和仿真结果证实了系统在单相故障消失时，并未发生铁磁谐振而是在PT中出现了低频电流，该电流频率值极小、数值很大足以将高压侧保险丝熔断。结合仿真模型提出了有效地防治措施 ——4PT接线，经仿真证实了该方法的有效性，具有一定的实用价值。

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