中性点不接地系统单相故障导致TV熔断机理分析

陆　强，滕予非，唐　明

(国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都　610072)



中性点不接地系统单相故障导致TV熔断机理分析

陆强，滕予非，唐明

(国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都610072)

摘要：35 kV低压配电系统中性点一般采用不接地方式，当低压母线发生单相短路，在故障消失后低压母线TV上会产生很高的过电压，造成铁心严重饱和, 近而产生很高的过电流，此电流极有可能导致TV熔丝熔断；针对此问题推导了单相故障消失后TV过电流的物理机制并提出相应的抑制措施，最后通过PSCAD/EMTDC软件搭建了一个实际电力系统模型，验证了此物理机制并证明了抑制措施的可行性。

关键词：单相接地故障；TV熔断；中性点不接地系统；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白岩子变电站35 kV母线TV别发生了A相、C相以及B相熔丝熔断的情况。配电系统TV丝熔断不仅会影响电费的计量，造成很大的损失，严重时甚至烧毁TV[1]。另外，高压熔断器本身的熔断也是一种损失，更换也比较麻烦。还有，当TV一次侧高压熔断器熔断时，可引起系统虚假接地，开口三角电压升高，引起继电器误动作，容易造成工作人员的误判，将其当成系统接地，而花费很多时间还找不到接地点。这些情况对于电力系统安全、稳定、可靠的运行都是十分不利的。因此，为保证电力系统的正常运行，电磁式TV压熔断器熔断[2-3]的研究就显得非常重要[4]。

在10 kV、35 kV中性点不接地配电网[5]中，母线上安装的电磁式TV常采用的是Y0/Y0的接线方式；由于系统单相接地故障所引起的熔丝熔断问题时有发生，严重时甚至烧毁电磁式TV[6]，对其原理的研究将有助于采取有效的措施进行抑制。

1事件梳理

根据攀枝花110 kV白岩子变电站35 kV母线TV丝的多次熔断事件，利用白岩子变电站录波文件，可以对7月1日35 kV Ⅲ母TV B相高压侧熔丝熔断事件进行梳理，通过对该日19:47至20:42近1个小时的波形进行梳理。可以得到这段时期白岩子35 kV Ⅲ母TV二次侧三相电压有效值的变化趋势如图1所示。

图1　白岩子35 kVⅢ母TV二次侧三相电压有效值变化

在19:52前白岩子变电站35 kVⅢ母三相电压保持基本平衡，而在19:52以后母线B相电压出现明显跌落，并在后续过程中持续下降。同时录波波形表明，母线B相电压畸变率也逐渐增加，三相零序电压明显上升。

图2所示是7月1日23:44:49白岩子35 kVⅢ母TV二次侧三相电压波形，如图可知，此时35 kVⅢ母B相电压的基波有效值已经跌落至20 V，而A、C两相电压则保持正常。同时，通过录波可以发现此时B相电压畸变严重，三相零序电压有效值达到25 V以上。通过与攀枝花供电公司相关工作人员交流，认为该现象即为熔丝熔断现象。因此根据上述分析可以初步判断，7月1日所发生的110 kV白岩子变电站35 kVⅢ母TV B相熔丝熔断发生的初始时刻即为19:52。

图2　23:44:49白岩子35 kVⅢ母TV二次侧三相电压波形

2014年7月1日19∶52∶03开始记录的白岩子35 kV母线电压波形如图3所示。

图3　白岩子35 kVⅢ母TV二次侧三相电压波形

由图3可知，19:52:03:847 白岩子35 kV侧网络出现了一次短时的C相接地故障，持续时间约为8 ms。故障期间C相电压有明显下跌，而A、B两相电压则有明显的升高。故障发生前后，35 kVⅢ母TV的B相电压有效值从61.572 V下降至59.67 V。综合图1与图3可以初步判断，19:52:03在白岩子35 kV侧网络上所发生的C相接地故障，是导致35 kVⅢ母TV B相高压侧熔丝熔断的直接原因。

2熔断机理分析

经过分析，初步认为白岩子变电站7月1日35 kV TV高压侧熔丝熔断事件是由低压侧单相接地短路故障消失后导致的，下面分析其机理。

对于中性点不接地系统，当一相接地时，另两相电压升高到线电压，它们的对地电容上也就充上了和线电压相适应的电荷。然而，当接地故障消失后，为了保持系统平衡，各相对地电压则力图恢复到正常运行的相电压的水平。在此过程中，故障期间在非故障相上所积累的电荷则需要一个释放的过程，即需要找到出路泄往大地。然而，由于系统中没有其他的泄流通路，自由电荷只好通过互感器的一次绕组泄往大地。在此过程中，极有可能引起TV铁心的饱和。具有过饱和铁心的电压互感器，在工频电源电压作用下也将出现很大的冲击电流。泄流电流与工频冲击电流共同作用，则可能造成熔断器熔断。

下面对其熔断原因进行数学方面的分析，此处采用注入虚拟补偿电量法[7]对此问题进行分析。注入虚拟补偿电量计算方法的主要思路是:对于一个给定的电路,开关的通断操作认为是由两个等效过程叠加而成的,通断操作前电路中的稳态过程与由通断操作所引起的暂态过程“在开关的通断操作过程中,接通时电路会有回路电流出现,分断时断口两端会有端电压出现”，利用叠加原理，可以表达为

(1)

为此，将3TV接法时的单相接地故障等效电路看作是电路图4与图5的叠加，其中图4所示电路相当于接地短路还在持续的工作状态，即单相接地故障的稳态等效电路。图5所示电路则相当于接地故障消除后的等效电路，由虚拟补偿电量法可知，接地故障的消除就相当在接地点又并接一个与原电流Id0方向相反的电流源。

图4　单相接地故障等效的稳态图

由图4设A相金属接地，忽略相间电容影响，戴维南等效图可求出单相故障时的稳态短路电流为

(2)

式中：L0为TV各相电感值；C0为各相对地电容。

ea=Emsin(ωt+φ)

可得短路电流的瞬时值为

id0=(ωC0-1/ωL0)×3jEmsin(ωt+φ)

=Imsin(ωt+φ+90°)

式中，Im=(ωC0-1/ωC0)×3Em

图5　单相接地故障消除后的等效的暂态电路图

再根据图5，可以推导当单相故障消失后，并考虑衰减因数的影响，可得此时加在TV两高压绕组两端的电压为

U(t)=Emsin(ωt+φ)-Eme-δt(cosφsinωt+

×e-δtsin(ω′t+φ′)

(3)

等式(3)中第一项为电压的强制分量，它是不衰减的，而后一项则为电压的自由分量，是振荡衰减的，并且其幅值是初相角φ的函数，通常系统的ω′<ω。

由于在高压绕组中出现频率为ω′的电压自由振荡分量，则在铁心中同样会有相同频率的自由振荡磁通，绕组中就会出现相应的自由振荡磁链Φ。由磁链关系U(Φ)=dΦ/dt可得

(4)

由式(4)可知其幅值|Φ|与初相角φ及ω′均有关系。馈线越长，对应的零序C0越大，自由振荡频率ω′越小，但对应的|Φ|越大。在此振荡的作用下，互感器铁心半个周期将出现一次饱和，每次饱和相应的对应一次ω′频率的冲击电流，此冲击电流很有可能导致TV熔断。

3仿真分析

利用PSCAD搭建白岩子变电站35 kV电网的电磁暂态示意模型。设置t=0.5 s时，35 kV网络内C相出现短时单相接地故障，持续时间8 ms，接地阻抗1 000 Ω。由此，可以得到在熔丝不熔断的情况下，白岩子站35 kV母线TV二次侧电压与高压侧电流如图 6所示。

图6　仿真结果

由图 6可知，在C相单相短路结束后，白岩子35 kV母线上出现了一个低频的自由衰减分量，该分量导致TV出现饱和。仿真表明，该工况下35 kV TV高压侧电流达到2.0 A，超过了熔丝的额定电流0.5 A，熔丝熔断概率较高。

对于中性点不接地系统，当一相接地时，正常相电压将升高到线电压。当接地故障消失后，为了保持系统平衡，各相对地电压则力图恢复到正常运行的相电压的水平。在此过程中，正常相则会出现电荷释放的物理过程。由于中性点不接地系统中没有其他的泄流通路，自由电荷仅能通过互感器的一次绕组泄往大地。由于自由电荷释放过程的振荡频率偏低，因此在释放过程中极有可能引起TV铁心的饱和。具有过饱和铁心的电压互感器，在工频电源电压作用下也将出现很大的冲击电流。泄流电流与工频冲击电流共同作用，则可能造成熔断器熔断。

4抑制措施

前面的分析表明，攀枝花变电站35 kV TV高压侧熔丝熔断可能是由于35 kV电网出现单相短路后，正常相的电压在从线电压恢复到相电压的过程中，自由电荷经TV高压侧绕组释放并导致TV铁心饱和所造成的。根据这一机理，可提出以下两条抑制方法建议：

1)变压器中性点加装消弧线圈

当在变压器中性点加装消弧线圈后，在35 kV电网单相故障恢复期间，自由电荷将增加一条释放通道，流经TV铁心的自由电荷将明显减小，铁心饱和将得以抑制。因此，利用在变压器中性点加装消弧线圈[8]可以有效地抑制35 kV TV高压侧熔丝的熔断问题。

同样利用PSCAD仿真软件，对白岩子变电站35 kV电网的电磁暂态进行仿真。与前面的仿真工况不同的是，前面模型中在白岩子主变压器35 kV侧中性点装设了消弧线圈，而此处则在主变压器35 kV侧中性点装设了消弧线圈，线圈电感值刚好实现35 kV电网过补偿。依然设置t=0.5 s时，35 kV网络内C相出现短时单相接地故障，持续时间8 ms，接地阻抗1 000 Ω。可以得到在熔丝不熔断的情况下，白岩子站35 kV母线TV二次侧电压与高压侧电流如图7所示。

对比图 6与图7可知，系统装设消弧线圈后，由于C相单相短路消失后，在35 kV TV高压侧产生的电流由2.0A下降至0.007A，大幅度地降低了TV熔丝熔断的可能性。由此，验证了消弧线圈可以有效抑制TV高压侧熔丝熔断的结论。

2)扰动原因排查

图7　装设消弧线圈后的仿真结果

由于TV高压侧熔丝熔断原因是由于低压侧电网单相短路等扰动造成的，因此，消除扰动则可以在根本上解决TV高压侧熔丝熔断的原因。

因此建议，国网攀枝花供电公司对35 kV、10 kV电网的绝缘情况进行排查，重点梳理在风偏情况下非绝缘架空线路与周边树木的距离；同时关注雷击、冲击负荷等因素对低压电网电压扰动的影响。

5结论

通过对110 kV白岩子变电站7月1日35 kV TV高压侧熔丝熔断事件进行分析，得到如下结论：通过录波数据，推断导致35 kV TV高压熔断的原因为单相接地短路消失产生在TV上的冲击电流。

1)推导了中性点不接地系统单相短路消失后流过TV一次侧的电流值以及磁链的大小，并解释了导致TV熔断的原因；

2)通过算例仿真分析了单相短路接地消失后导致TV一次侧电流值增大的现象；

3)分析了抑制中性点不接地系统单相短路故障消失后TV的过流措施，并通过仿真进行了验证。

参考文献

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[2]N．Berbic，A．Nuhanovic，V．Madzarevic．Analysis of the Insulated Powergrid Transient Behavior after Faulted Phase Tripping[C]．IEEE MELECON 2004：106-109

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[4]王季梅. 高压交流熔断器[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2000:60-85.

[5]韩涛.电磁式PT一次侧熔断器熔断原因分析及防治措施的研究[D].保定:华北电力大学，2006.

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[8]E. 斯拉麦卡，W.瓦特西(西德).高低压电网中的暂态过程计算原理[M]. 北京：机械工业出版社，1983:11-20.

中图分类号：TM713

文献标志码：A

文章编号：1003-6954(2016)02-0054-05

作者简介：

陆强(1988)，硕士，助理工程师，主要从事电力系统稳定分析与控制的研究。

(收稿日期：2015-12-04)