10 kV电压互感器熔丝熔断的仿真计算研究

孙志　孙素娟　王倩

摘 要：基于铁磁谐振的暂态发展机理，利用EMTP-ATP软件建立10 kV中性点不接地系统模型，对系统中的铁磁谐振导致母线压变熔丝熔断的故障进行仿真研究。结果表明，分频谐振冲击电流是压变熔丝熔断的主要原因。在PT高压侧经非线性电阻接地，能够有效抑制铁磁谐振。

关键词：铁磁谐振；EMTP-ATP；电压互感器；熔丝熔断

中图分类号：TM457 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.088

低压配电网分布面广，直接面向用户，为了监视每相对地的绝缘情况，便于测量、计量和保护等，变电站母线一般装设有电磁式电压互感器（简称“压变”），以便为上一级变压器的后备保护、线路保护和测量、计量提供电压值。在中性点非有效接地的10 kV系统中，通常在压变高压侧装设熔断器，防止系统受压变或其引线上的故障影响，并保护压变本身。

电力网络在某种大的扰动或操作作用下，PT非线性电感元件可能饱和，从而与线路、设备的对地电容形成单相或三相共振回路，激发起持续的较高幅值的过电压，即铁磁谐振过电压。谐振时出现的异常过电压可能会导致绝缘闪络、避雷管爆炸、PT熔丝熔断等。

1 铁磁谐振

系统暂态电流引起熔体发热是导致PT高压熔丝熔断的直接原因，而铁磁谐振是PT高压熔丝产生冲击电流的主要原因之一。

PT是铁芯电感元件，在系统遇到开关操作、雷击侵入等故障时，PT非线性铁芯饱和并与线路电容谐振，从而出现过电压、过电流。图1为配电网简化电路图，其中，EA，EB和EC为三相对称电源电动势，LA，LB和Lc为PT各相电感，C0为各相线路的对地电容，它与互感器各相电感并联后的综合导纳记为YA，YB和YC。

在系统正常运行的情况下，LA=LB=LC，因此，有YA=YB=YC，三相电路处于平衡状态，系统中性点电压为0. 当系统发生某些冲击性扰动，比如雷击、断路器合闸于空载母线、线路单相瞬间接地故障时，就会导致一相或两相对地电压瞬时升高。此时，如果PT的三相绕组受到的冲击程度不同，则三相绕组的饱和程度也不相同，进而导致各相的综合阻抗不同，使中心点电压U0发生位移。如果扰动使一相等值阻抗为容性，另外两相为感性，则YA+YB+YC将明显减小，会出现较高的U0，以激发铁磁谐振。而三相对地电压则为各相电动势E和位移电压U0的矢量和。由此可知，其中一相、两相甚至三相对地电压都可能会升高。

铁磁谐振导致系统出现过电压和过电流，PT高压侧熔丝往往因此熔断。根据铁磁谐振的机理，谐振频率由振荡回路的电感和电容参数决定。由于PT励磁电感的非线性特性，电感值不是常数，谐振可以是基频谐振、高频谐振（3次、5次等），也可以是分频谐振（1/2，1/3，1/5等）。

2 数学模型

忽略线路的相间电容，系统正常运行时的电路方程为：

当单相接地故障消失后，不管系统是否发生铁磁谐振，其等值电路与系统正常运行时的电路完全相同，因此，方程也是相同的。

3 仿真计算

EMTP 程序主要用于电力系统中电磁暂态过程的计算。本文以图2所示的电网简化模型为例，建立铁磁谐振仿真模型。

仿真以单相接地故障为激发条件，分析母线三相电压、PT高压侧三相电流的暂态发展趋势。仿真所采用的PT励磁特性如表1所示。

图3为故障过程中系统中性点电压、PT高压侧三相电压和电流的波形。

分析仿真结果可知，当系统发生分频谐振时，流过PT的三相电流很大，过电流幅值为正常运行的数十倍。在如此高的过流作用下，PT熔丝往往瞬间熔断。这表明分频谐振对压变熔丝危害很大。

4 抑制分析

铁磁谐振发生的主要原因是，电网中电感与电容元件之间出现了能量振荡，因而产生了过电压和过电流。因此，可以引入电路损耗对振荡进行阻尼，使系统电源提供的能量不能维持铁磁谐振的持续发生。本文在压变高压侧中性点接入非线性电阻（LXQ型），仿真分析对谐振的抑制作用。

仿真时，单相故障的接地时刻与接地消失时刻与之前内容相同。在接地消失时，要立即投入非线性电阻，观察系统中性点电压、PT高压侧三相电压和电流，具体如图4所示。

对比图3和图4，经过分析可知，在PT一次侧中性点引入

LXQ型非线性电阻后，当单相接地消失后，系统中性点电压快速降为0，三相电压快速恢复正常工作状态，流过PT高压侧的电流也较快降低。电网中不再出现铁磁谐振故障表明，非线性电阻对谐振有明显的抑制作用。

5 结束语

通过对铁磁谐振的理论分析，并结合仿真验证，可以得出以下结论：①在中性点不接地系统中，导致压变熔丝熔断的主要原因是铁磁谐振；②分频谐振导致的PT过电流是压变熔丝熔断的主要原因；③在PT高压侧中性点接入LXQ型非线性电阻，对铁磁谐振具有很好的抑制作用，可以有效降低熔断发生的概率。

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〔编辑：白洁〕