变电站10kV母线电压互感器熔断器频繁烧损研究及治理

李扬 王伟 张繁 张书辉

摘要：通过对往年多起的熔断器熔断事件的统计及分析，并利用ATP-EMTP电磁暂态仿真软件模拟低频振荡，对熔断器熔断原理进行分析，寻找导致熔断器频繁熔断的原因，并结合现场提出初步防范意见。

关键词：10kVPT;熔断器;ATP-EMTP仿真软件;铁磁谐振;低频振荡

引言

据不完全统计，近5年变电管理一所发生的10kV电磁式电压互感器一次侧熔断器熔端现象多达60余次，且熔断频率有逐年增加的态势。在10kV系统中，PT主要起到监测运行中的电源母线及高压设备的运行情况，同时也为测量、保护和其它相关安自装置提供所需的电压量。故10kV母线PT熔断器频繁熔断将对上述相应功能产生严重影响，甚至会导致某些保护、备自投的误动作，对系统运行稳定性造成巨大危害。因此亟需对10kVPT熔断器的频繁熔断进行研究，并制定行之有效的解决方案。

1 事件数据统计

在2014-2018年五年间，变电管理一所共发生66次PT一次熔断器熔断记录，根据不同的系统中性点接地方式、熔断器额定电流、外界因素的分类，我们可以得到以下统计数据。

至今为止，变电管理一所10kV系统的接地方式大部分已整改为小电阻接地，仅早期少部分变电站仍为消弧线圈接地方式，且整个深圳已无不接地的中性点运行方式。所以在绝大部分PT熔断器熔断事件中，系统的接地方式为中性点经小电阻接地。

目前各变电站所使用的10kVPT熔断器型号多为XRNP1-0.5A，额定电流为0.5A，且发生熔断的熔断器大部分均为此额定电流的熔断器。

在多数PT熔断器熔断事件中，往往存在外部故障、操作等因素的诱导，而这些因素中以线路故障为主要。

从以上的事件统计来看，10kVPT熔断器熔断事件通常发生在有外部故障、熔断器额定电流较小、且其10kV系统接地方式为小电阻接地的情况下。所以在本文的分析中，着重针对该类型的系统及外部条件进行研究，并寻求降低PT熔断器熔断频率的方法。

2 熔断器解体

通常，熔断器由瓷质外壳、金属端盖、石英砂填充物及熔体组成。其中，端盖与PT一次导体直接接触;瓷质外壳起到对熔体的保护及绝缘的作用;熔断器内部填充满小颗粒的石英砂，主要在熔体熔断时起到加速冷却、熄灭电弧的作用;而熔体一般为纯银或铜镀银材质，成螺旋状，并均匀分布有2-3个冶金效应点，部分型号的熔斷器内有瓷质支柱，熔体固定于支柱上。

在已熔断的熔断器内，均可以发现燃弧后产生的金属与石英砂混合物、冶金效应点全部或部分消失，且部分熔断器内存在熔体铜绿严重及端盖锈蚀的情况。

从熔断器解体情况来看，熔断器内部都发生了燃弧，而根据部分事件中PT二次电压缓慢降低的现象判断：熔体上长时间通过了低过载电流，使冶金效应点与熔体熔合，生成合金，因合金熔点较低，在过载电流的热效应作用下逐渐熔断拉弧。此外，部分熔断器内熔体发生锈蚀也是熔断器载流能力降低的原因之一。

3 原因分析

3.1 铁磁谐振

在中性点经消弧线圈接地及经小电阻接地系统中，当线路发生雷击、接地故障时，系统中性点电压会有不同程度的抬升，从而会导致PT一次侧电压升高。由于PT励磁铁芯的非线性特性，一次电压的升高将使铁芯产生不同程度的饱和，此时若系统参数在H.A.Peterson谐振区域范围范畴曲线内时，便会产生铁磁谐振，导致PT一次侧出现过电压与过电流，进而使熔断器熔断。

类似的，分合开关、主变调档带来的操作过电压也会使PT励磁铁芯发生饱和，引发铁磁谐振。谐振区域与阻抗比有直接关系，（是线路对地容抗，是PT额定线电压下的励磁感抗），其中1/2分频谐振区域的约为0.01～0.08;基频谐振区域的约为0.08～0.8;高频谐振区域的约为0.6～3.0，如果对地电容过大或过小就可脱离谐振区域即不发生谐振。

3.2低频振荡

线路发生接地故障时，不但可能会引起PT铁磁谐振，同时在接地故障消失瞬间，正常相对地储存的电荷将会从PT励磁绕组释放，产生振荡电流。振荡电流将使PT快速达到饱和，在一次侧产生过电流，流过PT一次侧的电流量如下：

其中，，，、分别为PT的损耗电阻和饱和电感;为每相对地电容，电容上电压为，电弧熄灭时刻电压为，等值零序回路电流为。

从上式可以看出振荡频率取决于对地电容和電感，振荡时间取决于回路电阻的损耗，而振荡电流的大小主要与对地电容相关，对地电容值越大，发生接地故障时累积的电荷就越多，在PT一次侧流过的冲击电流就越大，越容易使PT铁芯发生饱和，使熔断器熔断。

同时，发生接地故障时，因为电弧熄灭时间有随机性，故熄弧时刻电压幅值不一定处于最大值。故并不是每次线路发生接地故障时都会产生低频振荡，而且低频振荡的冲击电流也与PT铁芯励磁特性有关，铁芯励磁特性越差，铁芯越容易发生饱和，低频振荡的冲击电流就越大。

通过ATP-EMTP软件对单相接地故障进行模拟仿真，用非线性电感与线性电阻电感的组合来模拟PT模型，其中非线性电感通过励磁曲线通过等效拟合。并将线路电缆、架空线简化为对地电容，负载简化为电阻电感，可以得到10kV系统的简化模型。

所以通过上述，在系统电容足够大时，单相接地故障的消失会引发低频振荡，幅值与对地电容值有关。故在10kV出线电缆比例较高城市线路，对地电容相对架空出线要大很多，更容易发生低频振荡，进而使熔断器熔断。

3.3 其它原因

在PT熔断器解体的过程中，可以注意到部分熔断相熔断器熔体锈蚀严重，出现了大量的铜绿，熔体变脆易断，而对比正常相熔体则表面光泽，韧性良好。同时根据高压熔断器相关行业标准，对熔断器有相应密封性要求。所以可以推测熔断器密封性降低，内部熔体受潮导致载流能力下降，在通过低于额定值的电流时便发生熔断。

4 结语

综上，10kV电磁式电压互感器熔断器熔断受多种因素影响：

1. PT的励磁特性太差，三相PT励磁曲线相差太多，都会导致PT铁芯易饱和，产生铁磁谐振，使熔断器熔断。
2. 系统对地电容较大，接地故障消失时电荷的重新分配可能会产生低频振荡，振荡冲击电流过大使熔断器熔断。
3. 熔断器本身质量问题，密封性不良使熔断器内部受潮，熔体载流能力达不到原本额定要求，在正常电流波动时便发生熔断。

结合熔断器熔断的各种原因，为防止熔断器频繁熔断，本文建议选取励磁特性较好的PT，同时要尽量减少同组PT相间特性的偏差;提高熔断器的额定电流，减少熔断概率并且不失去对PT的保护作用;使用正温度系数的一次消谐装置，可有效限制铁磁谐振的发生;严格把关熔断器的入网检查，保证熔断器质量过关。

参考文献：

[1] 王倩.10kV压变熔丝熔断机理与抑制措施的仿真研究，东南大学，2015.

[2] 陈志平.10kV电磁式PT熔断器频繁烧毁事故分析，广东电网公司佛山供电局.2008.

[3] 胡强.PT熔断器故障原因挖掘及治理方法分析，电测与仪表，2011，11：58-62.

[4] 贾绪君.电压互感器（PT）熔断器熔断现象及分析，酒钢科技，2005，3：41-44.

作者简介：

李扬，西安交通大学本科生，2016年入职，深圳供电局有限公司检修部检修四班班员。

王伟，湖南大学本科，2012年入职，变电管理一所检修四班班长。