PT冲击电流抑制装置的研究与设计

袁超，徐近龙，张劲松，王建刚，周阳

(1. 江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211102； 2. 苏州供电公司，江苏 苏州 215004)

0 引言

随着电力系统的不断发展，配电网的规模也越来越大。部分城市的配电网用电缆替代了原有的架空线路，使得系统对地电容增加，若系统中发生单相接地故障，其危害性也在增大。因而许多配网系统采用中性点经消弧线圈接地的方式，以减小故障点电流，避免非故障相电压升高，有效地提升了系统安全运行的可靠性。

相控式消弧线圈能随时检测系统接地故障，并能自动投入运行，故障消失后退出。江苏某变电站在安装了相控式消弧线圈后，其10kV母线PT(电压互感器)因故障冲击电流累积效应，一年内连续烧毁三次，造成区域性停电，严重影响了电力系统安全稳定运行。为了解决该问题，本文研究、设计了一种能抑制PT冲击电流的装置[1-3]。

1 装置原理及结构

1.1 装置原理

PT冲击电流抑制装置主要是应用在中性点经相控式消弧线圈接地的系统中，其原理如图1所示。

图1 PT冲击电流抑制装置原理图

相控式消弧线圈一次绕组接入电网中性点和地之间，二次绕组用双向晶闸管短路，可以通过调节晶闸管的触发角来控制，实现一次侧电感补偿量的连续可控。三次绕组为滤波电路，用来抑制晶闸管导通时产生的谐波电流[4-5]。

正常情况下相控式消弧线圈是不投入运行的，但会随时检测对地电流和中性点电压，当发生接地故障后，消弧线圈的晶闸管导通，起到电感补偿作用。有时由于晶闸管的问题，当线路发生单相接地故障，相控式消弧线圈不能可靠投入，相当于中性点不接地的运行方式，因而系统对地电容电荷只能通过PT泄放，产生冲击电流造成PT损坏。

本装置主要原理是在相控式消弧线圈两端并联接地电阻，其结合了消弧线圈接地和高电阻接地的优点，除了使得接地点残流很小之外，还有效地控制了过电压的水平，同时还可以破坏消弧线圈谐振条件，阻止串联谐振发生[6-8]。

1.2 装置结构

PT冲击电流的装置主要由接地变压器(TM)、单极隔离开关(QS)、接地电阻(R)、零序电流互感器(TA)、套管、风机等组成，其结构如图2所示。

图2 装置结构图

装置各部分主要作用如下：

1) 隔离开关：安装在接地电阻(R)和接地变压器(TM)中性点之间，起到对接地电阻器的隔离作用，便于停电检修设备。当隔离开关分闸时，电阻器可以退出或检修；当隔离开关合闸时，电阻器并入相控式消弧线圈两端运行。

2) 接地电阻器：电阻器接在接地变压器的中性点上，与消弧线圈呈并联结构，主要作用是当发生接地故障且消弧线圈无法正常运行时，可以提供电荷泄放通道，避免PT中出现冲击电流，并降低非故障相过电压的倍数。

3) 电流互感器：用以测量中性点的零序电流，提供给监控装置，记录流过中性点的零序电流。

4) 套管：用于电阻器和隔离开关间隔连接，起到铜排的支撑和绝缘作用。

5) 风机：当电阻器运行时工作，起到辅助散热的作用。

2 装置设计

2.1 电阻器选材设计

本装置的核心元件是接地电阻器。电阻器使用的电阻片采用优质的不锈钢材料，具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性，既保证了保护动作的灵敏性，同时在保护拒动的情况下可以使故障电流得到一定的限制。电阻器各电阻片间及电阻片与固定件间的绝缘件选用瓷质绝缘子，使得电阻具有很高的绝缘水平。

2.2 电阻器结构设计

目前市场上接地电阻器主要有S型和W型两种。S型接地电阻器的电阻片之间首尾连接采用焊接的方式，其焊接处存在易氧化生锈，且当接地电阻器局部损坏时，拆卸更换不便；另外还有一种W型的电阻片，其通流截面小，导致同等功率下的电阻器温升较高，容易烧坏电阻器，影响电阻器的正常工作。

本装置的电阻器采用U型结构设计，如图3所示。单个电阻片的截面是一体成型的带翻边的U型电阻片，解决了现有技术中通流截面积小易烧坏的问题；且电阻片的两端均有连接通孔。相邻的单个电阻片通过连接螺钉首尾连接，并相互平行排列，解决了现有的单个电阻片之间连接采用焊接方式造成易氧化和生锈的问题。该结构设计使电阻每个部位都有很高的强度，可以承受住摆动、振动、温度变化而不会变形。

图3 U型接地电阻片

同时，优化了电阻片的剪裁方式，利用栅格设计，使整个电阻具有宽阔的散热面积，所有一次、二次元件全部隔离，二次元件布置在底部，沿地面走线，安全可靠。装置具有良好的冷却气流通路，散热效果良好，消除了局部高温点和易灼烧点。抗氧化性强，熔点>1 450℃，该电阻还可以使用在热带及比较污秽的环境中。

2.3 电阻值设计

本文以某变电站发生过PT故障的10 kV配电系统为例进行仿真分析，模拟中性点经电阻接地系统发生单相接地故障时PT中冲击电流的幅值，中性点接地电阻R分别取值为∞、1 000 Ω、800 Ω和600 Ω。

当R=∞时，即中性点不接时，PT中冲击电流波形如图4所示。电流幅值为1.85A，且经3.2s后才衰减至PT极限承受电流以内。

图4 R=∞时PT电流波形

当R=1 000Ω时，PT中冲击电流波形如图5所示。电流幅值为0.66A，经0.4s即衰减至PT极限承受电流以内。

图5 R=1 000 Ω时PT电流波形

从图4和图5对比可以看出，中性点经电阻接地后对PT中冲击电流的抑制效果非常明显。仿真得到了R取值为∞、1 000Ω、800Ω和600Ω下，PT冲击电流与中性点接地电阻值的关系曲线，如图6所示。

图6 PT冲击电流与接地电阻值关系曲线

根据规程要求，当中性点不接地系统发生单相接地时可不必立即停电，允许继续运行2h，且建议加装电阻器的长期运行额定电流不超过10A[9-10]。当电阻值变小时，流过电阻的电流增大，电阻的发热会大大增加，因此需要综合考虑选择合适的接地电阻值，对于该仿真系统，选择了800Ω的接地电阻值。

3 保护控制设计

为了提高本装置的安全性，设计了接地电阻的保护控制回路，用于实时监控接地电阻的运行状态以及配网系统的中性点电压和接地电阻的运行温度；自动保护控制回路的主要器件包括电压继电器、温度控制器、时间继电器、中间继电器、交流接触器、轴流风机等。保护控制回路如图7所示。

图7 保护控制逻辑

电压互感器的二次信号接入的电压继电器，用于驱动保护回路动作。温度控制器为两组，具备两组保护定值，一组用于驱动保护回路动作，一组用于输出跳闸节点，作为接地电阻的后备保护。

KV为电压继电器，KC1、KC2为温度控制器，K1为中间继电器，KT1、KT2为时间继电器，KM为交流接触器，FJ为轴流风机。

设定电压继电器KV在15 V时启动，温度控制器KC1在50 ℃启动；当KV的电压超过15 V，或者KC1的温度超过50 ℃时，KV、KC1的常开节点闭合；此时，中间继电器K1为失电状态，常闭触点闭合，KV或KC1常开节点闭合后，交流接触器KM得电，与KM的常开触点形成自保持回路，并驱动轴流风机进行散热。

保护电路启动后，KM闭合，当电压继电器的电压低于15 V，同时保护温控器的温度<50 ℃时，即KV、KC1的常闭触点闭合，时间继电器KT1得电。设定KT1的启动时间为1 min，则1 min后，KT1闭合，中间继电器K1得电，交流接触器KM失电，关闭轴流散热风机。

设定温度控制器KC2为700 ℃时启动，当KC2的温度超过700 ℃时，KC2的常开接点闭合，时间继电器KT2得电。设定KT2的启动时间为10 s，则10 s后，KT2常开触点闭合，保护系统跳闸，切除接地电阻设备。

4 结语

本文针对中性点经相控式消弧线圈接地的配网系统，设计了一种能抑制PT中冲击电流的装置，总结如下：

1) 经仿真分析，加装该装置后能有效抑制PT中冲击电流的幅值，并且使冲击电流能在短时间内衰减至PT极限电流值以内。

2) 设计了一种不锈钢U型接地电阻，具有较好的力学性能、绝缘性能和散热效果，避免了焊接处易氧化生锈和局部发热的问题。

3) 设计了接地电阻的保护控制回路，用于实时监控接地电阻的运行状态，可有效提高装置运行的可靠性。

参考文献:

[1] 张纬钹,何金良,高玉明. 过电压防护及绝缘配合[M]. 北京：清华大学出版社,2002.

[2] 解广润. 电力系统过电压[M]. 北京：水利电力出版社,1985.

[3] 王军兵. 10kV电网单相接地引起电压互感器损坏的机理研究[D]. 重庆：重庆大学，2012.

[4] GB/T 50064交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范[S].

[5] DL/T 1057-2007自动跟踪补偿消弧线圈成套装置技术条件[S].

[6] 李谦,钟定珠,王晓瑜,等. 变压器铁芯励磁特性拟合方法的探讨[J]. 高电压技术,1997(1):19-21.

[7] 董海波, 史丽萍. 电磁式电压互感器和变压器励磁特性曲线转换方法的分析与应用[J]. 电气应用，1999(2):36-38.

[8] 刘春玲,耿卫星,刘建武,等. 一起电力系统谐振事故分析[J]. 电力系统保护与控制,2010,38(2):108-110,117.

[9] 杨斌文,李文圣. 电压互感器铁磁谐振的产生与消除[J]. 电力系统自动化设备,2010,30(3):134-136,148.

[10] 张玲,郝春娟. 电压互感器铁磁谐振过电压及防止[J]. 电力自动化设备,2000,20(3):29-30.