10 kV电网单相接地故障引起电压互感器损坏的原因分析

车卫红, 陈润颖, 刘国荣, 金圆, 王树朋

(1. 国网长沙供电公司，湖南 长沙410015；2. 武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072)



10 kV电网单相接地故障引起电压互感器损坏的原因分析

车卫红1, 陈润颖1, 刘国荣1, 金圆1, 王树朋2

(1. 国网长沙供电公司，湖南 长沙410015；2. 武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072)

摘要：因10 kV电网单相接地造成电压互感器损坏在中性点不接地系统中时有发生，通过构建单相接地故障发生时和消除后两个过渡过程等效电路，介绍单相接地对电压互感器损坏的机理，从而分析引起电压互感器发热影响因素，并进行仿真验证。结果表明：单相接地造成电压互感器发热引起故障的主要影响因素从小到大依次为：故障发生时的初始相角和剩磁及故障消失时的初始相角、线路长度。

关键词：单相接地；电压互感器；过渡过程；影响机理；中性点接地

在10 kV中性点不接地系统中，电压互感器是连接一次与二次系统的重要电气设备，对电网进行测量、监视、保护与控制。当10 kV中性点不接地系统发生单相接地故障时，不用立即切除故障，可继续带电运行2 h[1]，在此期间，电压互感器及其熔断器的损坏事故时有发生，严重影响10 kV电网的安全稳定运行。

电压互感器属于带铁心的电感元件，当电力系统受到某些扰动时，电压互感器的磁通饱和，其铁心绕组的电抗值发生变化，与电力系统的电容构成谐振电路。传统理论认为，由于电压互感器饱和引起铁磁谐振过电压是导致电压互感器损坏的主要原因。只要进一步增大系统对地电容，就可以远离谐振区，避免铁磁谐振的发生[2-3]。

近年来，随着配电网规模扩大和大范围使用电缆来代替传统的架空线路，系统线路的对地电容显著增加，电力系统的参数也远超出了铁磁谐振区域，理论上应该较少发生铁磁谐振，电压互感器故障也应减少，但是，电压互感器故障仍频繁发生[4]，并且电压互感器故障的发生常伴随着线路接地现象。

1单相接地故障发生时的暂态过程

如图1所示，当 V 相发生单相接地故障后，故障相对地电压变为零，非故障相对地电压升为线电压。

图1　V相接地等效电路

车卫红，等：10 kV电网单相接地故障引起电压互感器损坏的原因分析如果图1中的接地故障不稳定，渐变为间歇性接地，则非故障相对地电压将在相电压与线电压之间不停变换。V相故障发生前，U相电压

(1)

式中：uU为电压的瞬时值；Um为电压峰值；α为初始相位角；ω为角频率；t为时间。

当V相单相接地故障发生后，U 相对地电压

(2)

由高压绕组的反电势与电压平衡、磁通与励磁电流线性关系可知：

(3)

式中：N1为U相电压互感器高压绕组匝数；ΦU为U相磁通瞬时值；R1为高压绕组电阻；im为励磁电流；L1为等效电感。

解方程式(3)得U相电压互感器磁通的瞬时值

sin(ωt +α +(π/6)-arctan[(ωL1/R1)] +Ce-(R1/L1)t.

(4)

因R1≪ωL1，则

(5)

(6)

因剩磁Φr的影响，则U相磁通瞬时值

(7)

由(7)式可以看出，当V相接地故障发生后，非故障相电压互感器铁心中的瞬时磁通由稳态磁通和含有衰减因子的暂态磁通构成，而电压互感器一次线圈匝数、端电压、等效电感和等效电阻是定值，因此磁通幅值Φm和R1/L1为定值，所以，对于电压互感器其稳态磁通幅值和衰减时间常数也是定值，影响铁心中瞬时磁通大小的主要参数是发生故障时的初始相角α和剩磁Φr。

2单相接地故障消失后的暂态过程

正常情况下，中性点不接地系统中线路对地电容相同，三相电容电流之和为零。当V相接地故障消失后，非故障相多余电荷可通过两个回路进行充放电，如图2所示。

为系统的等效电源；C0为对地电容；LPT为电压互感器高压绕组等效电抗；O1、O2分别为电源中性点和电压互感器中性点。图2　故障消失后充放电回路

因电容电压不能突变，在故障消失瞬间，非故障相电容电压为线电压，V相电容电压为零。非故障W相对地电容与W相电压互感器高压绕组构成放电回路，如图2中的回路1，非故障W相对地电容电压降低，V相故障消失，对地电容恢复，电容电流需恢复到正常运行水平，通过回路2进行充电。两个回路的充放电过程不断进行，直到各相恢复相电压。

当单相接地故障消失后，非故障相的电荷主要在回路1流通。因此，采用故障状态的稳态过程和暂态过程叠加对故障消失后非故障相的电容电流进行充电、放电分析[10]。在故障过程中，利用叠加原理闭合电路的电流表示为

(8)

故障消失后的过程等效为单相接地故障时的稳态电路和故障消失后暂态过程的叠加，如图3和图4所示。

图3　单相接地时稳态电路

图4　单相接地时暂态电路

当V相发生单相接地故障时，不计相间电容的影响，流过故障点的电容电流

3Emej(φ+90°)[ωC0-(1/ωLPT)]=Imej(φ+90°)=

Imsin[ωt+φ+(π/2)].

(9)

式中：φ为故障消失后的初始相位。其中

将图4的电路简化成如图5所示。

图5　暂态电路等效图

其阻抗

电压互感器暂态端电压

Imsin(ωt+φ+90°)×jωLPT/(3-ω2C0LPT).

(10)

把式(10)简化得

U(t)=Emsin(ωt+φ)-Em(cosφsinω′t+

[(ω′/ω)sinφcosω′t]e-δt=Emsin(ωt+φ)

(11)

由于在电压互感器高压绕组中出现频率为ω′的自由振荡分量，则在铁心中产生相同振荡频率的振荡磁通，绕组中会出现相应自由振荡磁链Ψ，磁链

U(Ψ)=d(Ψ)/d(t).

Ψ=∫U(Ψ)d(t)=

sin(ω′t+φ′)e-δtd(t)=

sin(ω′t+φ′+α)e-δt.

(12)

其中α=arccos(δ/(δ2+ω′2)).

3引起电压互感器发热影响因素分析

通过10 kV电网单相接地的两个暂态过程分析可知，单相接地引起电压互感器损坏的影响因素分别为α和Φr、φ及线路长度L。

在单相接地过程中其影响因素主要引起电压互感器发热，其热量的大小对电压互感器产生直接影响，甚至造成电压互感器烧损。其影响因素集中反应在电压互感器铁心磁通上。当励磁特性一定，铁心瞬时磁通

Φ=(Φmcosα+Φr)e-t/τ-Φmcos(ωt+α).

(13)

式中：Φm为磁通幅值，与电压有关，取决于L，L越长，电容越大，受容升影响，电压越高，磁通幅值越大；τ为时间常数。

用指数函数表达电流与磁通的非线性关系，定义等效发热电流

ieq=Φx.

(14)

式中:ieq是等效电流瞬时值；x是反应电压互感器铁芯饱和程度指数，且x>1，其值越大，铁心饱和程度愈高。

在接地故障发生及消失时的暂态过程中，由式(13)和式(14)可知，其影响因素对铁心的暂态过程使磁通增大，铁心饱和，电流突增，导致电压互感器严重发热。

4基于MATLAB单相接地过程中电压互感器发热仿真

4.1仿真计算

根据式(13)和式(14)，采用MATLAB下Simulink模块中的三相饱和变压器来模拟JDZX16-10RG电压互感器的内部结构，额定输出容量20 VA，额定相电压为5.77 kV，铁损500(标幺值)。Simulink模块中电压互感器发热仿真计算公式为Q=∫i2R′dt′(其中i为高压绕组电流；R′为高压绕组发热等效电阻；t′为发热时间)。其影响电压互感器发热因素取值见表1。

表1影响电压互感器发热因素取值

因素取值1取值2取值3α/(°)-303060Φr(标幺值)-303φ/(°)06090L/km50100120

当V相发生三次单相接地故障，各因素组合见表2，不同组合取值下的发热仿真计算结果见表3。

表2各因素组合取值

组合α/(°)Φr(标么值)φ/(°)L/km1-30-30502-300601003-3039012043030100530-360120630090507600012086036050960-390100

表3三次单相接地发热仿真计算结果10-6J

组合U相V相W相1538165436897247825813462537410120841263747102489039975746211080867263921358754607546110054947885018624160179751448635598

当剩磁为0，线路长度为50 km、100 km、120 km时，接地故障在0.3 s消失，得到W相电压互感器一次绕组中的电流波形如图6至图7所示。

图6　接地故障消失后电流波形(50 km)

图7　接地故障消失后电流波形(100 km)

图8　接地故障消失后电流波形(120 km)

从图6至图8可以看到，故障消失后的冲击电流分别为0.8 A、1.3 A、2 A。因此，线路长度逐渐增加，单相接地故障消失后的最大冲击电流瞬时值也随之增加。随着电容的增大，电流呈非线性增加，对电压互感器铁心的冲击也就越大，铁心更容易饱和，发热越严重。

4.2仿真结果分析

对各影响因素的发热仿真结果进行方差分析，分析各因素对发热的影响程度，对非故障相电压互感器的发热进行方差分析计算，计算结果见表4。

表4非故障相电压互感器的发热方差计算

因素U相电压互感器偏差平方和方差度W相电压互感器偏差平方和方差度α/(°)33568742.33617523612.531Φr(标么值)28564172.13112358742.165φ/(°)38562442.56221589722.783L/km558974233.317248795213.521

从表4的偏差平方和及方差度可以看出，影响发热的因素从小到大依次为：α和Φr、φ及L，而对非故障相电压互感器的发热影响最明显的因素是L，L越长，故障消失后的电容放电电流越大，对电压互感器冲击也越大。故当电网发生单相接地故障时，非故障相电压互感器同时受到接地瞬间的励磁涌流和故障消失后的电容电流的冲击。

5结束语

在10 kV电网单相接地过程中，影响电压互感器发热的主要因素为α和Φr、φ及L，并通过仿真计算进行了验证。根据10 kV电网单相接地对电压互感器影响机理分析可知，防止电压互感器的损坏，可以从消除外部因素和提高自身热稳固性进行：提高配电网的绝缘水平，较少单相接地；加装合适的消弧线圈，抑制间歇性电弧接地的发生；提高电压互感器的励磁特性，降低工作磁密，使电压互感器不易进入饱和区，可以显著降低冲击电流倍数。采用新型耐热材料，增加电压互感器的耐热性能，使其能承受更大的发热而不至于损坏；在设备设计选型时，应按照间歇性单相接地故障所产生的最大电流对电压互感器进行热稳固性校验，使所选择的电压互感器能够承受故障带来的发热。

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车红卫(1966)，女， 湖南长沙人。高级工程师，工学学士，主要从事继电保护及供用电管理方面的工作。

陈润颖(1977)，男，湖南道县人。工程师，工学硕士，主要从事高电压与绝缘技术方面的工作。

刘国荣(1979)，男，湖南长沙人。助理工程师，工学学士， 主要从事高电压与绝缘技术方面的工作。

(编辑王夏慧)

Reason for Voltage Transformer Damage Caused by Single Phase Grounding

Fault of 10 kV Power Grid

CHE Weihong1, CHEN Runying1, LIU Guorong1, JIN Yuan1, WANG Shupeng2

(1. State Grid Changsha Power Supply Bureau Company, Changsha, Hunan 410015, China; 2. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China)

Abstract：Voltage transformer (VT) damage caused by single phase grounding of 10 kV power grid happens occasionally in neutral point ungrounded system. Therefore, this paper introduces influence mechanism of single phase grounding on VT damage by establishing equivalent circuits of two transient processes at the time of single phase grounding fault and after eliminating the fault, so as to analyze influencing factors for causing VT heating and carry out emulation proof. Results indicate that main influencing factors of single phase grounding fault causing VT heating are respectively initial phase angle and remanence at the time of the fault happening, and initial phase angle and line length when the fault disappearing.

Key words：single phase grounding; voltage transformer; transient process; influence mechanism; neutral point grounding

作者简介：

中图分类号：TM451

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)01-0113-06

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.022

收稿日期：2015-06-18修回日期：2015-09-22