耿東勇

（晉城煤業(yè)集團(tuán)供電分公司，山西 晉城 048006）

我國3～35kV 中壓供配電系統(tǒng)主要采用中性點(diǎn)非有效接地方式，其供電可靠性要遠(yuǎn)高于中性點(diǎn)有效接地的供配電系統(tǒng)。從多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和近年來中壓供配電系統(tǒng)的發(fā)展情況看，中性點(diǎn)非有效接地方式也給中壓供配電系統(tǒng)帶來了一些問題：中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，通常表現(xiàn)為弧光接地的形式，此時非故障相線路對地電壓最高可升至3.5 倍相電壓，系統(tǒng)的過電壓往往會在系統(tǒng)絕緣薄弱處引起絕緣對地閃絡(luò)[1-3]。

電磁式電壓互感器（Potential Transformer,PT）具有非線性的電磁特性。在系統(tǒng)遭受雷擊過電壓、操作過電壓、接地故障恢復(fù)以及PT 自身不同期合閘等外界因素干擾下，PT 鐵心發(fā)生飽和，電感量急劇下降，容易和系統(tǒng)參數(shù)激發(fā)復(fù)雜的鐵磁諧振，產(chǎn)生高頻、工頻、低頻諧振過電壓。同時PT 鐵心飽和產(chǎn)生較大勵磁涌流以及接地故障恢復(fù)時流過PT的低頻振蕩電流均可能導(dǎo)致PT 熔絲熔斷，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致PT 燒毀[4-10]。

1 問題提出

晉城煤業(yè)集團(tuán)老區(qū)35kV 系統(tǒng)中存在由于過電壓引起PT 燒毀、高壓熔絲熔斷等問題，多年來一直沒有得到有效解決。尤其是掛網(wǎng)運(yùn)行于該35kV系統(tǒng)中的王臺35kV 變電站，從投運(yùn)以來PT 已連續(xù)十幾年在系統(tǒng)接地后發(fā)生多次燒毀現(xiàn)象,同時高壓熔斷器也頻繁熔斷，嚴(yán)重威脅著設(shè)備及電網(wǎng)的安全運(yùn)行。王臺35kV 變電站歷年P(guān)T 燒毀及熔斷器熔斷情況，見表1。

表1 歷年P(guān)T 燒毀及熔斷器熔斷情況統(tǒng)計(jì)表

最近一次事故發(fā)生在2013年09月07日23 點(diǎn)06 分，王臺35kV 變電站運(yùn)行值班人員在監(jiān)盤時發(fā)現(xiàn)后臺機(jī)報警“23∶06∶40 35kV Ⅱ段母線電壓UAB越上限，23∶07∶15 35kVⅡ段母線電壓UAB上上限—上限，23∶07∶30 35kVⅡ段母線電壓UAB越下限， 23∶07∶31 中王Ⅱ回354 相對時間0ms 母線TV 斷線告警，23∶07∶41 2#主變高后備相對時間0ms TV 斷線告警”。查看電壓棒圖發(fā)現(xiàn)：35kVⅡ段 A 相電壓為15.2kV，B、C 兩相電壓正常（21.6kV 左右），初步判定為A 相保險故障，隨即到35kV 室檢查發(fā)現(xiàn)室內(nèi)有煙霧和異味，經(jīng)開啟風(fēng)扇通風(fēng)后，檢查35kVⅡ段PT，A 相保險及A 相PT 本體炸裂，內(nèi)部絕緣物質(zhì)有噴出?，F(xiàn)場PT 損壞情況，如圖1所示。

圖1 PT 現(xiàn)場損壞情況

2 原因分析和保護(hù)方法研究

仿真和動態(tài)模擬的試驗(yàn)結(jié)果表明，PT 常見故障主要是由于單相接地故障消除后，故障相電壓要從地電壓升至相電壓，正常相要從線電壓降至相電壓。伴隨著這個各相電壓變化的過程，儲存在電網(wǎng)各相對地電容中的電荷需要重新分配。由于中心點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)中只有PT 中性點(diǎn)接地，這些電荷必然通過PT 繞組和中性點(diǎn)才能構(gòu)成回路。在這個由系統(tǒng)各相對地電容和PT 繞組勵磁電抗構(gòu)成的振蕩回路中，PT 勵磁電抗的電感非常大，所以該回路的振蕩頻率很低。加之PT 鐵心的飽和特性，通過PT 的沖擊涌流可以達(dá)到很高的值，如圖2所示。

圖2 PT 的沖擊涌流試驗(yàn)波形

圖2中通過PT 的電流，其峰值可達(dá)4.2A，振蕩頻率5Hz。PT 保護(hù)熔斷器的額定電流一般是0.5A。所以很有可能燒斷PT 的熔斷器或造成PT 自身的傷害。為限制該沖擊涌流保護(hù)PT，可以考慮在PT 中性點(diǎn)串接一非線性電阻，并在電網(wǎng)正常運(yùn)行時用一接觸器將其短接，以防止影響PT 的測量精度。該接觸器只是在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障以后才斷開，電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行后迅速短接。如圖3所示，在PT中性點(diǎn)加裝保護(hù)裝置后可以有效抑制沖擊涌流的試驗(yàn)波形。

圖3 PT 中性點(diǎn)加裝保護(hù)裝置后可以有效抑制 沖擊涌流的試驗(yàn)波形

3 保護(hù)設(shè)計(jì)

1）PT 高速組合式保護(hù)裝置。采用非線性電阻并連接觸器的一次側(cè)保護(hù)裝置和為防止PT 開口三角輸出虛假過電壓信號二次側(cè)保護(hù)裝置相結(jié)合的方法,能快速有效防止各種PT 故障的發(fā)生。并且能夠防止微機(jī)綜保接受到虛假過電壓信號。PT 高速組合式保護(hù)裝置如圖4所示。

圖4 PT 高速組合式保護(hù)裝置示意圖

2）一次側(cè)保護(hù)裝置（PTB）。在PT 的中性點(diǎn)使用碳化硅非線性電阻和真空開關(guān)并聯(lián)串接到地排。系統(tǒng)正常運(yùn)行時真空繼電器K 閉合旁路碳化硅電阻（SiC）相當(dāng)于PT 的中性點(diǎn)接地，完全抑制系統(tǒng)的測量開口的電壓偏移，不影響系統(tǒng)的測量和保護(hù)。電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振時，中性點(diǎn)產(chǎn)生位移，使三相電壓不對稱，在開口三角兩端產(chǎn)生零序電壓，互感器高壓繞組流過零序電流?？刂葡到y(tǒng)發(fā)出命令使K 斷開將SiC 投入，有效抑制系統(tǒng)的諧振，接地故障恢復(fù)后K 延時閉合有效抑制系統(tǒng)的涌流和低頻諧振。

3）二次側(cè)保護(hù)裝置。高速全頻二次消諧器將微機(jī)技術(shù)用于電網(wǎng)消諧，利用計(jì)算機(jī)快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理能力實(shí)現(xiàn)傅里葉分析，其選頻準(zhǔn)確。通過對PT 三相電壓及開口三角電壓的采集，對電網(wǎng)諧振時的各種頻率成份能快速分析、處理。

通過微機(jī)控制可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷，使PT 二次繞組形成有效零序電流流通通道。這個零序電流是對高壓繞組中的零序電流所建立的磁通起去磁作用。二次零序電流接近PT 二次繞組短路電流，去磁效果非常好。但控制時間短，周期執(zhí)行3 到5 次。如圖5所示；通道2 為開關(guān)信號，通道1 為零序電壓信號。

圖5 二次零序電流接近PT 二次繞組短路電流時 去磁試效果驗(yàn)波形

4）母線大能容過電壓吸收器。當(dāng)投切空母線時，母線處在無過電壓保護(hù)狀態(tài)中。往往易于引發(fā)多種大能量的過電壓，危及PT 的正常運(yùn)行。因此需要在母線側(cè)加裝大能容過電壓吸收器。

5）電壓互感器。選用高質(zhì)量，2 倍以上飽和點(diǎn)的全絕緣電壓互感器。

6）柜體結(jié)構(gòu)。選用標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)柜體，加裝隔離刀閘和保護(hù)熔斷器。

設(shè)計(jì)后PT 柜體內(nèi)一次主接線如圖6所示。

圖6 PT 柜體一次接線圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2015年4月6日11∶52，掛網(wǎng)運(yùn)行于老區(qū)35kV系統(tǒng)上的鳳凰山站35kV 站變Ⅱ高壓進(jìn)線電纜C 相電纜頭絕緣擊穿引起接地，引起老區(qū)35kV 系統(tǒng)Ⅱ段母線C 相接地，同時長時間接地引發(fā)電纜著火造成弧光短路（B、C 相短路）。

王臺35kV 變電站PT 保護(hù)裝置于11∶52∶15.928采集到波形如圖7所示。從圖中可以看出，C 相電壓降低時，A 相、B 相電壓升高且發(fā)生畸變，零序電壓3U0明顯升高。單從波形可以說明C 相接地。

圖7 PT 保護(hù)裝置故障錄波波形

11∶52∶16.091 裝置采集到Ua=83.72V、Ub= 80.34V、Uc=31.05V、3U0=150.17V、F=12.10，報低頻諧振，低頻諧振出口情況見表2。

表2 低頻諧振出口情況

11∶52∶18.959 裝置采集到Ua=85.21V、Ub= 112.83V、Uc=22.15V，3U0=98.58V，報弧光接地，C 相弧光接地出口情況如表3所示。同時王臺35kV變35kV Ⅱ段PT 智能開關(guān)PT 正確動作，消諧電阻投入。

表3 C 相弧光接地出口情況

綜上所述，王臺35kV 變電站PT 柜改造后，在2015年4月6日接地事故中智能開關(guān)投切電阻正確，裝置波形及裝置出口情況和現(xiàn)場事故現(xiàn)象基本一致。接地事故當(dāng)天，運(yùn)行人員對PT 進(jìn)行了仔細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。2015年4月15日試驗(yàn)人員對PT 進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果是PT 完好。由此可以看出，該電壓互感器保護(hù)技術(shù)有效解決了電壓互感器燒毀問題，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

5 結(jié)論

35kV 中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中PT 鐵磁諧振時產(chǎn)生的過電壓常使設(shè)備內(nèi)絕緣擊穿、外絕緣放電，且會因事故處理不及時，造成事故擴(kuò)大；電網(wǎng)中弧光接地使PT 經(jīng)常燒毀；母線上Y0 接線的PT 一次繞組將成為該電網(wǎng)對地惟一金屬性通道，單相接地或消失時，電網(wǎng)對地電容通過PT 一次繞組有一個放電的過渡過程，試驗(yàn)測得此時常常有最高幅值達(dá)數(shù)安培的工頻半波涌流通過PT，此時電流有可能將PT高壓熔絲（0.5A）熔斷。目前上述問題的處理方案是采用PT 一次中性點(diǎn)增加一次消諧器，這個方案對抑制PT 涌流有較好的效果，但對于因系統(tǒng)參數(shù)的變化導(dǎo)致復(fù)雜的PT 諧振卻沒有什么效果。本文通過對電壓互感器保護(hù)的研究與設(shè)計(jì)，采用智能開關(guān)與一次消諧器配合使用，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時智能開關(guān)閉合，一次消諧器被短路的同時，電壓互感器中性點(diǎn)直接接地，當(dāng)系統(tǒng)遭受弧光接地等異常情況時，智能開關(guān)打開，一次消諧器接入中性點(diǎn)，從根本上解決了系統(tǒng)單相接地故障消除后、三相電壓恢復(fù)平衡時、系統(tǒng)對地涌流通過PT 一次中性點(diǎn)造成PT 熔絲熔斷或PT 損壞的問題。能夠有效解決PT 燒毀問題，對加強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)管理，保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行具有積極作用。

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