张头窝泵站35 kV变电站PT频繁熔断分析及解决方案

2020-05-19郭云涛薛广阔杨安徽刘凤祥

海河水利 2020年2期

郭云涛，薛广阔，杨安徽，张洋，刘凤祥

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司天津院，天津 300200；2.宝坻区水务局，天津 301800）

电力系统10～35 kV系统采取中性点不接地运行方式，其优点是允许系统带接地故障运行，工作人员可通过报警及时发现与排除故障，避免停电造成社会经济损失，从而提高供电可靠性。但是，此种运行方式也有不利的地方。由于接地故障或其他电网电压扰动，易使PT发生磁饱和从而引发铁磁谐振[1，2]。当接地故障消失时，会发生一次涌流。以上所引起的过电压与过电流足以使熔断器熔断，严重时甚至会导致电压互感器爆炸。

结合天津市宝坻区张头窝35 kV变电站频繁发生熔断器熔断事故，详细分析故障发生原因，并通过故障记录及录波情况给出现场分析及解决方案。

1 PT熔断器熔断原因分析

35 kV变电站PT保护用高压熔断器（XRNP型）额定电流为0.5 A，其内置银熔体与作为灭弧介质的高纯度石英砂一起密封于熔管内，在发生故障时熔体熔化，产生电弧后石英砂熄灭电弧，断开故障电流。

高压熔断器熔断的直接原因为产生了过电流。产生过电流的原因主要有以下几种。

（1）设备接线与安装的原因。熔断器、PT的连接线上存在接虚情况，从而产生过电流。

（2）由于过电压引起的PT铁芯不同程度磁饱和发生铁磁谐振，引起过电流。①电网电压波动。如，当电网三相不平衡、开关设备不同时合闸、在凌晨或其他电网负荷率较低时、电容投切、谐波等因素所引起的电网过电压，在极端情况下，多种因素叠加出现短时过电压使PT铁芯饱和。②金属性接地故障。当发生金属性接地故障（直接接地）时，接地相电压变为0，非故障相电压升高 3倍，此时会产生过电压，使PT铁芯饱和。③间歇性接地故障。当发生间隙性接地故障时，接地相电压降低（不为0），非故障相电压升高，中性点发生移位，PT各相感抗发生变化，随着线路电流的增加导致PT铁芯逐渐饱和。④雷击过电压。当袭来的雷电波幅值大于避雷器的充放电压时，避雷器将巨大的雷电流经阀片和接地电阻泄入大地。若阀片电阻和接地电阻偏大，则瞬态过电压会使PT铁芯饱和。同时，若雷击闪路引起单相弧光接地，则弧光接地电压最大可达到3.5 Um（Um为相电压最大值）[3]，过电压同样可使PT铁芯饱和。

（3）单相接地故障消失引起的一次涌流。当接地故障消失时，因为35 kV为中性点不接地系统，相当于把线路电荷通往大地的电流通路切断了，而各相对地电压都将力图回复到正常运行水平状态，非接地相在接地期间已经充电至线电压下的电荷需要向大地泄放通路。此时，PT的中性点接地点为整个系统唯一的电荷泄放通路。三相对地电容（零序电容）中存储的电荷将通过三相PT高压绕组放电，相当于直流电源加载在带铁芯的电感线圈上，对于接地相来说，更是相当于一个空载变压器突然合闸，会叠加更大的励磁涌流。此瞬变过程线路较长，线路电容电流（电容积累的电荷过多）、PT的高压绕组中会通过一个幅值很高的直流饱和电流，使PT严重饱和。

2 PT磁饱和理论分析

根据以上高压熔断器熔断原因，设备接线与安装的原因可在施工时通过人为因素予以避免，因雷击产生的过电压可通过选用良好性能的避雷器避免其对熔断器的影响，其余熔断器熔断均是由于不同原因导致的PT不同程度的磁饱和引起的。电压互感器励磁特性曲线（伏安特性曲线），如图1所示。

图1 电压互感器励磁特性曲线

如图1所示，当加在电压互感器上的电压小于Um（Um一般为1.9倍额定相电压）时，PT处于非饱和区，阻抗较高，一般为几千欧姆；当电压发生扰动电压大于Um时，PT发生磁饱和，此时阻抗急剧减小，产生较大励磁电流。

对于35 kV中性点不接地系统，系统可简化为图2所示。其中，E˙A、E˙B、E˙C为电源电势；C为电力线路对地电容；LA、LB、LC为三相PT电感。35 kV及以下变电站大部分采用电磁式PT，每相PT其励磁阻抗呈感性，大小为XL；电力线路对地阻抗呈容性，大小为XC。

图2 中性点不接地系统简化图

H.A.Peterson通过大量实验绘制谐振区域图并得出如下结论[4]。

正常情况下，XL远大于XC，系统为容性。XC/XL趋近于0时，不发生谐振；XC/XL=0.01～0.07时，发生分频谐振；XC/XL=0.07～0.55时，发生基频谐振；XC/XL=0.55～2.8时，发生高频谐振；XC/XL＞2.8时，不发生谐振。以电网中性点O为中心及以PT中性点O’为中心可分为串联谐振和并联谐振。一般情况下，系统要发生串联谐振必先要越过其并联谐振点，并联谐振先于串联谐振发生，因此并联谐振能更好地反映实际情况[5]。

下面分析在电压出现扰动情况下，过电压对产生励磁涌流的影响。

式中：UA、UB、UC为三相电压（V）；Um为相电压最大值（V）；ω为角频率（rad/s）；α为起始角（rad）；t为时间（s）。

当出现电压扰动时，以非故障相A相为例，相电压变为：

式中：γ为扰动系数，当单相接地故障时取 3；其余变量含义同上。

由PT高压绕组的反电动势与电压平衡关系、磁通与励磁电流的关系可得：

式中：N为PT高压绕组匝数（圈）；φA为A相磁通瞬时值（Wb）；R为高压绕组电阻（Ω）；iA为A相励磁电流（A）；其余变量含义同上。

解式（3）并考虑R＜＜ωLA，得：

式中：φm= 3Um/Nω；其余变量含义同上。

考虑电压互感器剩磁的影响，计算A相剩磁φr及A相励磁电流iA，得：

由式（5）可知，当电网电压发生扰动时，非故障相PT铁芯中的瞬时磁通及励磁电流由稳态部分及带衰减因子的暂态部分组成，其励磁电流大小与起始角α、剩磁φr、因PT饱和励磁电感LA的减小程度有关。常见的典型故障所产生的影响详见表1，实际电压扰动情况可能是其中2种或多种情况的组合。

表1 典型故障所形成的影响

3 工程实际情况及分析

天津市宝坻区张头窝35 kV变电站电源由35 kV架空线引接天津市宝坻区欢喜庄110 kV变电站，引接距离15.81 km。经计算，线路的单相对地电容估算值为0.12uF，单相对地阻抗为1/26.5 kΩ。

电压互感器选用型号为JDZX9-35，其出厂时励磁特性实验数据详见表2。

表2 电压互感器出厂时提供的励磁试验数据

经过计算，拟合后电压互感器励磁特性曲线如图3所示。正常情况下，PT的阻抗值约为2 750 kΩ。XC/XL=0.009，不会发生谐振，但距离谐振区已经较接近，当电网出现扰动时PT发生饱和情况，就较容易发生谐振。

图3 拟合电压互感器励磁特性曲线

张头窝35 kV变电站在2017年3月—2018年4月发生多次谐振及接地报警，表3为挑选出来的几次有代表性的谐振数据。

图4为故障情况下的母线电压录波，可以较好地说明系统发生谐振情况。

表3 故障报警

图4 三相电压故障录波波形

4 解决方案

根据以上的铁磁谐振产生原因分析，从选用电压互感器（不发生或不易发生谐振条件）、提高电压互感器的阻抗以及发生谐振后抑制和消除的角度，提出以下方案：①方案一。选用励磁饱和点较高的电压互感器。当出现电压扰动时，PT不饱和，一直呈高阻抗状态，故不易形成谐振。②方案二。选用电容式PT，因为互感器阻抗呈现容性，线路阻抗也为容性，故形不成谐振。③方案三。在原电压互感器的中性点与地之间串入零序电压互感器，零序PT的高阻抗对原PT有分压作用，使在电压发生扰动时原PT不饱和。④方案四。在PT一次中性点与地之间装设一次消谐器（阻尼电阻），一次消谐器在正常运行时呈高阻状态可起到抑制谐振的作用，当发生谐振时电阻降低，可抑制涌流。⑤方案五。在PT开口三角处接入二次消谐器，对开口三角电压检测，当发生谐振时，接通开口三角以增二次负载，增大一次侧阻抗，从而破坏谐振。各种方案优缺点及比较，详见表4。