車衛(wèi)紅, 陳潤穎, 劉國榮, 金圓, 王樹朋

(1. 國網(wǎng)長沙供電公司，湖南 長沙410015；2. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

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10 kV電網(wǎng)單相接地故障引起電壓互感器損壞的原因分析

車衛(wèi)紅1, 陳潤穎1, 劉國榮1, 金圓1, 王樹朋2

(1. 國網(wǎng)長沙供電公司，湖南 長沙410015；2. 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

摘要：因10 kV電網(wǎng)單相接地造成電壓互感器損壞在中性點不接地系統(tǒng)中時有發(fā)生，通過構(gòu)建單相接地故障發(fā)生時和消除后兩個過渡過程等效電路，介紹單相接地對電壓互感器損壞的機理，從而分析引起電壓互感器發(fā)熱影響因素，并進行仿真驗證。結(jié)果表明：單相接地造成電壓互感器發(fā)熱引起故障的主要影響因素從小到大依次為：故障發(fā)生時的初始相角和剩磁及故障消失時的初始相角、線路長度。

關(guān)鍵詞：單相接地；電壓互感器；過渡過程；影響機理；中性點接地

在10 kV中性點不接地系統(tǒng)中，電壓互感器是連接一次與二次系統(tǒng)的重要電氣設(shè)備，對電網(wǎng)進行測量、監(jiān)視、保護與控制。當(dāng)10 kV中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，不用立即切除故障，可繼續(xù)帶電運行2 h[1]，在此期間，電壓互感器及其熔斷器的損壞事故時有發(fā)生，嚴(yán)重影響10 kV電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

電壓互感器屬于帶鐵心的電感元件，當(dāng)電力系統(tǒng)受到某些擾動時，電壓互感器的磁通飽和，其鐵心繞組的電抗值發(fā)生變化，與電力系統(tǒng)的電容構(gòu)成諧振電路。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，由于電壓互感器飽和引起鐵磁諧振過電壓是導(dǎo)致電壓互感器損壞的主要原因。只要進一步增大系統(tǒng)對地電容，就可以遠離諧振區(qū)，避免鐵磁諧振的發(fā)生[2-3]。

近年來，隨著配電網(wǎng)規(guī)模擴大和大范圍使用電纜來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的架空線路，系統(tǒng)線路的對地電容顯著增加，電力系統(tǒng)的參數(shù)也遠超出了鐵磁諧振區(qū)域，理論上應(yīng)該較少發(fā)生鐵磁諧振，電壓互感器故障也應(yīng)減少，但是，電壓互感器故障仍頻繁發(fā)生[4]，并且電壓互感器故障的發(fā)生常伴隨著線路接地現(xiàn)象。

1單相接地故障發(fā)生時的暫態(tài)過程

如圖1所示，當(dāng) V 相發(fā)生單相接地故障后，故障相對地電壓變?yōu)榱?，非故障相對地電壓升為線電壓。

圖1　V相接地等效電路

車衛(wèi)紅，等：10 kV電網(wǎng)單相接地故障引起電壓互感器損壞的原因分析如果圖1中的接地故障不穩(wěn)定，漸變?yōu)殚g歇性接地，則非故障相對地電壓將在相電壓與線電壓之間不停變換。V相故障發(fā)生前，U相電壓

(1)

式中：uU為電壓的瞬時值；Um為電壓峰值；α為初始相位角；ω為角頻率；t為時間。

當(dāng)V相單相接地故障發(fā)生后，U 相對地電壓

(2)

由高壓繞組的反電勢與電壓平衡、磁通與勵磁電流線性關(guān)系可知：

(3)

式中：N1為U相電壓互感器高壓繞組匝數(shù)；ΦU為U相磁通瞬時值；R1為高壓繞組電阻；im為勵磁電流；L1為等效電感。

解方程式(3)得U相電壓互感器磁通的瞬時值

sin(ωt +α +(π/6)-arctan[(ωL1/R1)] +Ce-(R1/L1)t.

(4)

因R1?ωL1，則

(5)

(6)

因剩磁Φr的影響，則U相磁通瞬時值

(7)

由(7)式可以看出，當(dāng)V相接地故障發(fā)生后，非故障相電壓互感器鐵心中的瞬時磁通由穩(wěn)態(tài)磁通和含有衰減因子的暫態(tài)磁通構(gòu)成，而電壓互感器一次線圈匝數(shù)、端電壓、等效電感和等效電阻是定值，因此磁通幅值Φm和R1/L1為定值，所以，對于電壓互感器其穩(wěn)態(tài)磁通幅值和衰減時間常數(shù)也是定值，影響鐵心中瞬時磁通大小的主要參數(shù)是發(fā)生故障時的初始相角α和剩磁Φr。

2單相接地故障消失后的暫態(tài)過程

正常情況下，中性點不接地系統(tǒng)中線路對地電容相同，三相電容電流之和為零。當(dāng)V相接地故障消失后，非故障相多余電荷可通過兩個回路進行充放電，如圖2所示。

為系統(tǒng)的等效電源；C0為對地電容；LPT為電壓互感器高壓繞組等效電抗；O1、O2分別為電源中性點和電壓互感器中性點。圖2　故障消失后充放電回路

因電容電壓不能突變，在故障消失瞬間，非故障相電容電壓為線電壓，V相電容電壓為零。非故障W相對地電容與W相電壓互感器高壓繞組構(gòu)成放電回路，如圖2中的回路1，非故障W相對地電容電壓降低，V相故障消失，對地電容恢復(fù)，電容電流需恢復(fù)到正常運行水平，通過回路2進行充電。兩個回路的充放電過程不斷進行，直到各相恢復(fù)相電壓。

當(dāng)單相接地故障消失后，非故障相的電荷主要在回路1流通。因此，采用故障狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)過程和暫態(tài)過程疊加對故障消失后非故障相的電容電流進行充電、放電分析[10]。在故障過程中，利用疊加原理閉合電路的電流表示為

(8)

故障消失后的過程等效為單相接地故障時的穩(wěn)態(tài)電路和故障消失后暫態(tài)過程的疊加，如圖3和圖4所示。

圖3　單相接地時穩(wěn)態(tài)電路

圖4　單相接地時暫態(tài)電路

當(dāng)V相發(fā)生單相接地故障時，不計相間電容的影響，流過故障點的電容電流

3Emej(φ+90°)[ωC0-(1/ωLPT)]=Imej(φ+90°)=

Imsin[ωt+φ+(π/2)].

(9)

式中：φ為故障消失后的初始相位。其中

將圖4的電路簡化成如圖5所示。

圖5　暫態(tài)電路等效圖

其阻抗

電壓互感器暫態(tài)端電壓

Imsin(ωt+φ+90°)×jωLPT/(3-ω2C0LPT).

(10)

把式(10)簡化得

U(t)=Emsin(ωt+φ)-Em(cosφsinω′t+

[(ω′/ω)sinφcosω′t]e-δt=Emsin(ωt+φ)

(11)

由于在電壓互感器高壓繞組中出現(xiàn)頻率為ω′的自由振蕩分量，則在鐵心中產(chǎn)生相同振蕩頻率的振蕩磁通，繞組中會出現(xiàn)相應(yīng)自由振蕩磁鏈Ψ，磁鏈

U(Ψ)=d(Ψ)/d(t).

Ψ=∫U(Ψ)d(t)=

sin(ω′t+φ′)e-δtd(t)=

sin(ω′t+φ′+α)e-δt.

(12)

其中α=arccos(δ/(δ2+ω′2)).

3引起電壓互感器發(fā)熱影響因素分析

通過10 kV電網(wǎng)單相接地的兩個暫態(tài)過程分析可知，單相接地引起電壓互感器損壞的影響因素分別為α和Φr、φ及線路長度L。

在單相接地過程中其影響因素主要引起電壓互感器發(fā)熱，其熱量的大小對電壓互感器產(chǎn)生直接影響，甚至造成電壓互感器燒損。其影響因素集中反應(yīng)在電壓互感器鐵心磁通上。當(dāng)勵磁特性一定，鐵心瞬時磁通

Φ=(Φmcosα+Φr)e-t/τ-Φmcos(ωt+α).

(13)

式中：Φm為磁通幅值，與電壓有關(guān)，取決于L，L越長，電容越大，受容升影響，電壓越高，磁通幅值越大；τ為時間常數(shù)。

用指數(shù)函數(shù)表達電流與磁通的非線性關(guān)系，定義等效發(fā)熱電流

ieq=Φx.

(14)

式中:ieq是等效電流瞬時值；x是反應(yīng)電壓互感器鐵芯飽和程度指數(shù)，且x>1，其值越大，鐵心飽和程度愈高。

在接地故障發(fā)生及消失時的暫態(tài)過程中，由式(13)和式(14)可知，其影響因素對鐵心的暫態(tài)過程使磁通增大，鐵心飽和，電流突增，導(dǎo)致電壓互感器嚴(yán)重發(fā)熱。

4基于MATLAB單相接地過程中電壓互感器發(fā)熱仿真

4.1仿真計算

根據(jù)式(13)和式(14)，采用MATLAB下Simulink模塊中的三相飽和變壓器來模擬JDZX16-10RG電壓互感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，額定輸出容量20 VA，額定相電壓為5.77 kV，鐵損500(標(biāo)幺值)。Simulink模塊中電壓互感器發(fā)熱仿真計算公式為Q=∫i2R′dt′(其中i為高壓繞組電流；R′為高壓繞組發(fā)熱等效電阻；t′為發(fā)熱時間)。其影響電壓互感器發(fā)熱因素取值見表1。

表1影響電壓互感器發(fā)熱因素取值

因素取值1取值2取值3α/(°)-303060Φr(標(biāo)幺值)-303φ/(°)06090L/km50100120

當(dāng)V相發(fā)生三次單相接地故障，各因素組合見表2，不同組合取值下的發(fā)熱仿真計算結(jié)果見表3。

表2各因素組合取值

組合α/(°)Φr(標(biāo)么值)φ/(°)L/km1-30-30502-300601003-3039012043030100530-360120630090507600012086036050960-390100

表3三次單相接地發(fā)熱仿真計算結(jié)果10-6J

組合U相V相W相1538165436897247825813462537410120841263747102489039975746211080867263921358754607546110054947885018624160179751448635598

當(dāng)剩磁為0，線路長度為50 km、100 km、120 km時，接地故障在0.3 s消失，得到W相電壓互感器一次繞組中的電流波形如圖6至圖7所示。

圖6　接地故障消失后電流波形(50 km)

圖7　接地故障消失后電流波形(100 km)

圖8　接地故障消失后電流波形(120 km)

從圖6至圖8可以看到，故障消失后的沖擊電流分別為0.8 A、1.3 A、2 A。因此，線路長度逐漸增加，單相接地故障消失后的最大沖擊電流瞬時值也隨之增加。隨著電容的增大，電流呈非線性增加，對電壓互感器鐵心的沖擊也就越大，鐵心更容易飽和，發(fā)熱越嚴(yán)重。

4.2仿真結(jié)果分析

對各影響因素的發(fā)熱仿真結(jié)果進行方差分析，分析各因素對發(fā)熱的影響程度，對非故障相電壓互感器的發(fā)熱進行方差分析計算，計算結(jié)果見表4。

表4非故障相電壓互感器的發(fā)熱方差計算

因素U相電壓互感器偏差平方和方差度W相電壓互感器偏差平方和方差度α/(°)33568742.33617523612.531Φr(標(biāo)么值)28564172.13112358742.165φ/(°)38562442.56221589722.783L/km558974233.317248795213.521

從表4的偏差平方和及方差度可以看出，影響發(fā)熱的因素從小到大依次為：α和Φr、φ及L，而對非故障相電壓互感器的發(fā)熱影響最明顯的因素是L，L越長，故障消失后的電容放電電流越大，對電壓互感器沖擊也越大。故當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，非故障相電壓互感器同時受到接地瞬間的勵磁涌流和故障消失后的電容電流的沖擊。

5結(jié)束語

在10 kV電網(wǎng)單相接地過程中，影響電壓互感器發(fā)熱的主要因素為α和Φr、φ及L，并通過仿真計算進行了驗證。根據(jù)10 kV電網(wǎng)單相接地對電壓互感器影響機理分析可知，防止電壓互感器的損壞，可以從消除外部因素和提高自身熱穩(wěn)固性進行：提高配電網(wǎng)的絕緣水平，較少單相接地；加裝合適的消弧線圈，抑制間歇性電弧接地的發(fā)生；提高電壓互感器的勵磁特性，降低工作磁密，使電壓互感器不易進入飽和區(qū)，可以顯著降低沖擊電流倍數(shù)。采用新型耐熱材料，增加電壓互感器的耐熱性能，使其能承受更大的發(fā)熱而不至于損壞；在設(shè)備設(shè)計選型時，應(yīng)按照間歇性單相接地故障所產(chǎn)生的最大電流對電壓互感器進行熱穩(wěn)固性校驗，使所選擇的電壓互感器能夠承受故障帶來的發(fā)熱。

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車紅衛(wèi)(1966)，女， 湖南長沙人。高級工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事繼電保護及供用電管理方面的工作。

陳潤穎(1977)，男，湖南道縣人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事高電壓與絕緣技術(shù)方面的工作。

劉國榮(1979)，男，湖南長沙人。助理工程師，工學(xué)學(xué)士， 主要從事高電壓與絕緣技術(shù)方面的工作。

(編輯王夏慧)

Reason for Voltage Transformer Damage Caused by Single Phase Grounding

Fault of 10 kV Power Grid

CHE Weihong1, CHEN Runying1, LIU Guorong1, JIN Yuan1, WANG Shupeng2

(1. State Grid Changsha Power Supply Bureau Company, Changsha, Hunan 410015, China; 2. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China)

Abstract：Voltage transformer (VT) damage caused by single phase grounding of 10 kV power grid happens occasionally in neutral point ungrounded system. Therefore, this paper introduces influence mechanism of single phase grounding on VT damage by establishing equivalent circuits of two transient processes at the time of single phase grounding fault and after eliminating the fault, so as to analyze influencing factors for causing VT heating and carry out emulation proof. Results indicate that main influencing factors of single phase grounding fault causing VT heating are respectively initial phase angle and remanence at the time of the fault happening, and initial phase angle and line length when the fault disappearing.

Key words：single phase grounding; voltage transformer; transient process; influence mechanism; neutral point grounding

作者簡介：

中圖分類號：TM451

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)01-0113-06

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.022

收稿日期：2015-06-18修回日期：2015-09-22