配电网压变熔丝熔断影响因素的分析

古 珑 赵 飞

（国网山西省电力公司大同供电公司）



配电网压变熔丝熔断影响因素的分析

古 珑 赵 飞

（国网山西省电力公司大同供电公司）

摘要：本文对配电网频繁发生的压变熔丝非正常熔断的事故原因进行了分析，利用ATP-EMTP建立仿真模型，对母线出线长度、压变励磁特性和零序回路阻尼电阻等主要影响因素进行了仿真分析，对目前应用最为广泛的压变熔丝熔断的预防措施进行了研究。

关键词：压变；熔丝；铁磁谐振；ATP-EMTP

0 引言

我国中压配电网大多为中性点不接地运行方式，其母线上通常接有三相五柱式的电磁式电压互感器（Voltage Transformer，TV，简称“压变”）。当雷电天气、母线空载合闸或单相接地故障消失等情况发生时，可能使压变某相端部对地电压升高，导致压变高压入口处的高压熔断器（简称“熔丝”）频繁地不正常熔断甚至压变爆炸等事故发生，严重影响系统的稳定运行[1]。河北某局2010～2012年间，10kV和35kV配电网压变熔丝非正常熔断和压变烧毁事故就有22起；2002～2008年间，东北某油田35kV配电网变电站平均每年发生压变熔丝非正常熔断事故两百多次。由此可见，配电网压变熔丝非正常熔断问题在我国有一定的普遍性，研究其事故发生原因、影响因素及其预防措施具有重大意义。

1 压变熔丝熔断的原因分析

压变熔丝在保护压变、隔离二次侧事故乃至保证配电网的安全运行中都发挥了积极作用，但其熔丝频繁熔断和损坏，显著降低了配电系统的运行可靠性。为此，国内外不少专家学者对其非正常熔断原因进行了深入研究[2]。研究表明，引起压变熔丝熔断的原因有很多，如铁磁谐振、低频非线性振荡、雷电波入侵[3]、电网谐波等。其中，由系统对地电容与压变非线性的励磁电感相匹配所引起的铁磁谐振和低频非线性振荡是造成压变熔丝非正常熔断的最主要原因。

2 ATP-EMTP仿真模型

本文采用单相接地故障消除瞬间来激发谐振过程。由于铁磁谐振和低频非线性振荡只产生于零序回路，此时各相线电压维持不变，其余电容器组、各相的相间电容、负荷侧变压器以及各类负荷均不在谐振范围内，因此可不予考虑。

仿真模型如图1所示，假设A相发生单相金属性接地故障，K为接地开关，仿真时间为2s。三相电源电压等级为110kV，变压器T采用YN/Δ接线且电压比为110/10kV，TV为三相五柱式电磁式电压互感器。假设三相线路参数对称，各相导线对地电容C0=0.005μF/km。

图1　仿真模型

3 压变熔丝熔断影响因素的仿真分析

3.1 母线出线长度的影响

仿真通过改变系统对地电容的大小来改变母线出线总长度，模拟不同谐振情况。从仿真结果可知：随着母线出线长度的增加，系统依次发生高频谐振、基频谐振、分频谐振和低频非线性振荡这四种振荡状态。图2分别为铁磁谐振的三种典型状态（高频谐振、基频谐振、分频谐振）和低频非线性振荡时的压变一次侧三相电压波形。可以看出，它们的电压特性各不相同。同时，各谐振状态的电流幅值、频率和波形与电压同理，铁磁谐振过电流幅值较小，而低频非线性振荡过电流最大峰值可达安培级别。因此，可由其电压波形特征和电流幅值大小来判断其系统谐振状态。

图2　四种谐振状态下压变一次侧三相电压波形

3.2 压变励磁特性的影响

采用两组励磁特性参数不同的压变进行对比，其励磁特性曲线如图3所示，压变2的励磁特性明显优于压变1。由表1可知，在不同系统谐振状态下，压变2的一次侧过电流总是小于压变1。励磁特性好的TV，其Ψ/ i特性曲线的线性度较好，不易饱和，同时抑制TV一次侧过电流的效果好，且谐振区域范围缩小，避免压变熔丝熔断事故的发生。

图3　压变1和压变2励磁特性曲线图

表1　压变1和压变2对系统影响的对比分析

3.3 零序回路阻尼电阻的影响

假设母线出线长度为200km，分别取不同阻值的零序回路阻尼电阻进行仿真，得到了不同阻尼电阻对零序电压、压变一次侧电流和系统谐振状态的影响。从表2可知，零序回路阻尼电阻对铁磁谐振的零序电压和过电流有一定的抑制效果，但其谐振状态仍自保持；对低频非线性振荡的零序电压和过电流的抑制效果显著，使其振荡频率降低且衰减加快。所以，这种增加零序回路阻尼电阻的方式，消耗谐振能量，抑制过电流效果较好，有利于预防压变熔丝非正常熔断事故的发生。目前应用最为广泛的消谐器就是这个原理。

表2　零序回路阻尼电阻对系统的影响

4 压变熔丝熔断的预防措施分析

为了预防压变熔丝非正常熔断甚至压变爆炸等事故的发生，最根本的是要选用励磁特性好的压变，但因目前技术水平有限且成本较高，此方法在实际生产中很难实现。目前，现有预防措施的原理一般分为两种：通过改变系统电感、电容参数来破坏谐振条件，或是通过阻尼作用消耗谐振能量[4]。目前较为常用的预防措施有：系统中性点经消弧线圈接地、压变一次侧中性点经消谐器接地、压变一次侧中性点经零序电压互感器接地和压变开口三角绕组接阻尼电阻等。其中，应用最为广泛的为压变一次侧中性点经消谐器接地。

本文假设母线出线长度为200km，针对压变一次侧中性点经消谐器接地这种预防措施进行仿真，研究其对压变一次侧过电压、过电流的抑制效果，仿真结果如图4～5所示。

图4　使用消谐器时的压变一次侧电压波形

图5　使用消谐器时的压变一次侧电流波形

消谐器是一种非线性电阻器，起到增加零序回路阻尼、消耗谐振能量的作用，其非线性特性可使谐振在初始阶段不易发展。从图中可知，压变一次侧中性点经消谐器接地后，压变一次侧电压振荡迅速衰减，压变一次侧过电流峰值与压变一次侧中性点直接接地相比，从1.13A降到了0.52A，且迅速衰减，总体上抑制过电流的效果较好，是目前预防压变熔丝熔断最常用的方法。

5 结束语

本文针对中性点不接地运行的配电网中时常发生的压变熔丝非正常熔断事故，首先分析了造成事故发生的主要原因，然后利用ATP-EMTP建立仿真模型，对母线出线长度、压变励磁特性和零序回路阻尼电阻这三种压变熔丝熔断的主要影响因素进行了仿真分析，介绍了目前应用最为广泛的压变一次侧中性点经消谐器接地的预防措施。现有的压变熔丝熔断的预防措施种类较多，综合消谐效果及应用现状来说，压变一次侧中性点经消谐器接地的方式，不但抑制过电流达到安全水平，而且安装方便、附加设备少，应用效果最好。

参考文献

[1] 吕鲜艳.35kV系统铁磁谐振过电压的分析与抑制[D].北京:华北电力大学，2008．

[2] 鲁铁成.电力系统过电压[M].北京:中国水利水电出版社,2009．

[3] 袁庚.雷击时10-35kV电压互感器多相熔丝熔断的原因分析[J].电力设备,2004,03:45-48．

[4] 梁志瑞,董维,刘文轩,等.电磁式电压互感器的铁磁谐振仿真研究[J].高压电器,2012,48(11):18-23．

[5] 娄欣.配电网压变熔丝熔断的研究[D].北京:华北电力大学,2013．

收稿日期：（2015-11-18）