陸　強(qiáng)，滕予非，唐　明

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都　610072)

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中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相故障導(dǎo)致TV熔斷機(jī)理分析

陸強(qiáng)，滕予非，唐明

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都610072)

摘要：35 kV低壓配電系統(tǒng)中性點(diǎn)一般采用不接地方式，當(dāng)?shù)蛪耗妇€(xiàn)發(fā)生單相短路，在故障消失后低壓母線(xiàn)TV上會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，造成鐵心嚴(yán)重飽和, 近而產(chǎn)生很高的過(guò)電流，此電流極有可能導(dǎo)致TV熔絲熔斷；針對(duì)此問(wèn)題推導(dǎo)了單相故障消失后TV過(guò)電流的物理機(jī)制并提出相應(yīng)的抑制措施，最后通過(guò)PSCAD/EMTDC軟件搭建了一個(gè)實(shí)際電力系統(tǒng)模型，驗(yàn)證了此物理機(jī)制并證明了抑制措施的可行性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗嘟拥毓收希籘V熔斷；中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)；PSCAD

Abstract：35 kV distribution network is usually an isolated neutral system, when encountered an single-phase earth fault and after the fault disappears, a high voltage will be produced on TV of low-voltage bus which makes the core saturated seriously, and then a high current will occur, so the TV fuse has a extremely high risk to be fused. Aiming at the problem, the physical mechanism of TV vercurrent after a single-phase earth fault disappears is deduced and the corresponding suppression measures are proposed. At last, the PSCAD/EMTDC software is used to establish a real power system model to test the physical mechanism, and it proves the feasibility of the proposed suppression measures.

Key words：single-phase earth fault; TV fuse; isolated neutral system; PSCAD

0引言

2014年的5月26日、5月30日以及7月1日，四川攀枝花的110 kV白巖子變電站35 kV母線(xiàn)TV別發(fā)生了A相、C相以及B相熔絲熔斷的情況。配電系統(tǒng)TV絲熔斷不僅會(huì)影響電費(fèi)的計(jì)量，造成很大的損失，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀TV[1]。另外，高壓熔斷器本身的熔斷也是一種損失，更換也比較麻煩。還有，當(dāng)TV一次側(cè)高壓熔斷器熔斷時(shí)，可引起系統(tǒng)虛假接地，開(kāi)口三角電壓升高，引起繼電器誤動(dòng)作，容易造成工作人員的誤判，將其當(dāng)成系統(tǒng)接地，而花費(fèi)很多時(shí)間還找不到接地點(diǎn)。這些情況對(duì)于電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行都是十分不利的。因此，為保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，電磁式TV壓熔斷器熔斷[2-3]的研究就顯得非常重要[4]。

在10 kV、35 kV中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)[5]中，母線(xiàn)上安裝的電磁式TV常采用的是Y0/Y0的接線(xiàn)方式；由于系統(tǒng)單相接地故障所引起的熔絲熔斷問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀電磁式TV[6]，對(duì)其原理的研究將有助于采取有效的措施進(jìn)行抑制。

1事件梳理

根據(jù)攀枝花110 kV白巖子變電站35 kV母線(xiàn)TV絲的多次熔斷事件，利用白巖子變電站錄波文件，可以對(duì)7月1日35 kV Ⅲ母TV B相高壓側(cè)熔絲熔斷事件進(jìn)行梳理，通過(guò)對(duì)該日19:47至20:42近1個(gè)小時(shí)的波形進(jìn)行梳理?？梢缘玫竭@段時(shí)期白巖子35 kV Ⅲ母TV二次側(cè)三相電壓有效值的變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1　白巖子35 kVⅢ母TV二次側(cè)三相電壓有效值變化

在19:52前白巖子變電站35 kVⅢ母三相電壓保持基本平衡，而在19:52以后母線(xiàn)B相電壓出現(xiàn)明顯跌落，并在后續(xù)過(guò)程中持續(xù)下降。同時(shí)錄波波形表明，母線(xiàn)B相電壓畸變率也逐漸增加，三相零序電壓明顯上升。

圖2所示是7月1日23:44:49白巖子35 kVⅢ母TV二次側(cè)三相電壓波形，如圖可知，此時(shí)35 kVⅢ母B相電壓的基波有效值已經(jīng)跌落至20 V，而A、C兩相電壓則保持正常。同時(shí)，通過(guò)錄波可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)B相電壓畸變嚴(yán)重，三相零序電壓有效值達(dá)到25 V以上。通過(guò)與攀枝花供電公司相關(guān)工作人員交流，認(rèn)為該現(xiàn)象即為熔絲熔斷現(xiàn)象。因此根據(jù)上述分析可以初步判斷，7月1日所發(fā)生的110 kV白巖子變電站35 kVⅢ母TV B相熔絲熔斷發(fā)生的初始時(shí)刻即為19:52。

圖2　23:44:49白巖子35 kVⅢ母TV二次側(cè)三相電壓波形

2014年7月1日19∶52∶03開(kāi)始記錄的白巖子35 kV母線(xiàn)電壓波形如圖3所示。

圖3　白巖子35 kVⅢ母TV二次側(cè)三相電壓波形

由圖3可知，19:52:03:847 白巖子35 kV側(cè)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了一次短時(shí)的C相接地故障，持續(xù)時(shí)間約為8 ms。故障期間C相電壓有明顯下跌，而A、B兩相電壓則有明顯的升高。故障發(fā)生前后，35 kVⅢ母TV的B相電壓有效值從61.572 V下降至59.67 V。綜合圖1與圖3可以初步判斷，19:52:03在白巖子35 kV側(cè)網(wǎng)絡(luò)上所發(fā)生的C相接地故障，是導(dǎo)致35 kVⅢ母TV B相高壓側(cè)熔絲熔斷的直接原因。

2熔斷機(jī)理分析

經(jīng)過(guò)分析，初步認(rèn)為白巖子變電站7月1日35 kV TV高壓側(cè)熔絲熔斷事件是由低壓側(cè)單相接地短路故障消失后導(dǎo)致的，下面分析其機(jī)理。

對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)一相接地時(shí)，另兩相電壓升高到線(xiàn)電壓，它們的對(duì)地電容上也就充上了和線(xiàn)電壓相適應(yīng)的電荷。然而，當(dāng)接地故障消失后，為了保持系統(tǒng)平衡，各相對(duì)地電壓則力圖恢復(fù)到正常運(yùn)行的相電壓的水平。在此過(guò)程中，故障期間在非故障相上所積累的電荷則需要一個(gè)釋放的過(guò)程，即需要找到出路泄往大地。然而，由于系統(tǒng)中沒(méi)有其他的泄流通路，自由電荷只好通過(guò)互感器的一次繞組泄往大地。在此過(guò)程中，極有可能引起TV鐵心的飽和。具有過(guò)飽和鐵心的電壓互感器，在工頻電源電壓作用下也將出現(xiàn)很大的沖擊電流。泄流電流與工頻沖擊電流共同作用，則可能造成熔斷器熔斷。

下面對(duì)其熔斷原因進(jìn)行數(shù)學(xué)方面的分析，此處采用注入虛擬補(bǔ)償電量法[7]對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行分析。注入虛擬補(bǔ)償電量計(jì)算方法的主要思路是:對(duì)于一個(gè)給定的電路,開(kāi)關(guān)的通斷操作認(rèn)為是由兩個(gè)等效過(guò)程疊加而成的,通斷操作前電路中的穩(wěn)態(tài)過(guò)程與由通斷操作所引起的暫態(tài)過(guò)程“在開(kāi)關(guān)的通斷操作過(guò)程中,接通時(shí)電路會(huì)有回路電流出現(xiàn),分?jǐn)鄷r(shí)斷口兩端會(huì)有端電壓出現(xiàn)”，利用疊加原理，可以表達(dá)為

(1)

為此，將3TV接法時(shí)的單相接地故障等效電路看作是電路圖4與圖5的疊加，其中圖4所示電路相當(dāng)于接地短路還在持續(xù)的工作狀態(tài)，即單相接地故障的穩(wěn)態(tài)等效電路。圖5所示電路則相當(dāng)于接地故障消除后的等效電路，由虛擬補(bǔ)償電量法可知，接地故障的消除就相當(dāng)在接地點(diǎn)又并接一個(gè)與原電流Id0方向相反的電流源。

圖4　單相接地故障等效的穩(wěn)態(tài)圖

由圖4設(shè)A相金屬接地，忽略相間電容影響，戴維南等效圖可求出單相故障時(shí)的穩(wěn)態(tài)短路電流為

(2)

式中：L0為T(mén)V各相電感值；C0為各相對(duì)地電容。

ea=Emsin(ωt+φ)

可得短路電流的瞬時(shí)值為

id0=(ωC0-1/ωL0)×3jEmsin(ωt+φ)

=Imsin(ωt+φ+90°)

式中，Im=(ωC0-1/ωC0)×3Em

圖5　單相接地故障消除后的等效的暫態(tài)電路圖

再根據(jù)圖5，可以推導(dǎo)當(dāng)單相故障消失后，并考慮衰減因數(shù)的影響，可得此時(shí)加在TV兩高壓繞組兩端的電壓為

U(t)=Emsin(ωt+φ)-Eme-δt(cosφsinωt+

×e-δtsin(ω′t+φ′)

(3)

等式(3)中第一項(xiàng)為電壓的強(qiáng)制分量，它是不衰減的，而后一項(xiàng)則為電壓的自由分量，是振蕩衰減的，并且其幅值是初相角φ的函數(shù)，通常系統(tǒng)的ω′<ω。

由于在高壓繞組中出現(xiàn)頻率為ω′的電壓自由振蕩分量，則在鐵心中同樣會(huì)有相同頻率的自由振蕩磁通，繞組中就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的自由振蕩磁鏈Φ。由磁鏈關(guān)系U(Φ)=dΦ/dt可得

(4)

由式(4)可知其幅值|Φ|與初相角φ及ω′均有關(guān)系。饋線(xiàn)越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的零序C0越大，自由振蕩頻率ω′越小，但對(duì)應(yīng)的|Φ|越大。在此振蕩的作用下，互感器鐵心半個(gè)周期將出現(xiàn)一次飽和，每次飽和相應(yīng)的對(duì)應(yīng)一次ω′頻率的沖擊電流，此沖擊電流很有可能導(dǎo)致TV熔斷。

3仿真分析

利用PSCAD搭建白巖子變電站35 kV電網(wǎng)的電磁暫態(tài)示意模型。設(shè)置t=0.5 s時(shí)，35 kV網(wǎng)絡(luò)內(nèi)C相出現(xiàn)短時(shí)單相接地故障，持續(xù)時(shí)間8 ms，接地阻抗1 000 Ω。由此，可以得到在熔絲不熔斷的情況下，白巖子站35 kV母線(xiàn)TV二次側(cè)電壓與高壓側(cè)電流如圖 6所示。

圖6　仿真結(jié)果

由圖 6可知，在C相單相短路結(jié)束后，白巖子35 kV母線(xiàn)上出現(xiàn)了一個(gè)低頻的自由衰減分量，該分量導(dǎo)致TV出現(xiàn)飽和。仿真表明，該工況下35 kV TV高壓側(cè)電流達(dá)到2.0 A，超過(guò)了熔絲的額定電流0.5 A，熔絲熔斷概率較高。

對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)一相接地時(shí)，正常相電壓將升高到線(xiàn)電壓。當(dāng)接地故障消失后，為了保持系統(tǒng)平衡，各相對(duì)地電壓則力圖恢復(fù)到正常運(yùn)行的相電壓的水平。在此過(guò)程中，正常相則會(huì)出現(xiàn)電荷釋放的物理過(guò)程。由于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中沒(méi)有其他的泄流通路，自由電荷僅能通過(guò)互感器的一次繞組泄往大地。由于自由電荷釋放過(guò)程的振蕩頻率偏低，因此在釋放過(guò)程中極有可能引起TV鐵心的飽和。具有過(guò)飽和鐵心的電壓互感器，在工頻電源電壓作用下也將出現(xiàn)很大的沖擊電流。泄流電流與工頻沖擊電流共同作用，則可能造成熔斷器熔斷。

4抑制措施

前面的分析表明，攀枝花變電站35 kV TV高壓側(cè)熔絲熔斷可能是由于35 kV電網(wǎng)出現(xiàn)單相短路后，正常相的電壓在從線(xiàn)電壓恢復(fù)到相電壓的過(guò)程中，自由電荷經(jīng)TV高壓側(cè)繞組釋放并導(dǎo)致TV鐵心飽和所造成的。根據(jù)這一機(jī)理，可提出以下兩條抑制方法建議：

1)變壓器中性點(diǎn)加裝消弧線(xiàn)圈

當(dāng)在變壓器中性點(diǎn)加裝消弧線(xiàn)圈后，在35 kV電網(wǎng)單相故障恢復(fù)期間，自由電荷將增加一條釋放通道，流經(jīng)TV鐵心的自由電荷將明顯減小，鐵心飽和將得以抑制。因此，利用在變壓器中性點(diǎn)加裝消弧線(xiàn)圈[8]可以有效地抑制35 kV TV高壓側(cè)熔絲的熔斷問(wèn)題。

同樣利用PSCAD仿真軟件，對(duì)白巖子變電站35 kV電網(wǎng)的電磁暫態(tài)進(jìn)行仿真。與前面的仿真工況不同的是，前面模型中在白巖子主變壓器35 kV側(cè)中性點(diǎn)裝設(shè)了消弧線(xiàn)圈，而此處則在主變壓器35 kV側(cè)中性點(diǎn)裝設(shè)了消弧線(xiàn)圈，線(xiàn)圈電感值剛好實(shí)現(xiàn)35 kV電網(wǎng)過(guò)補(bǔ)償。依然設(shè)置t=0.5 s時(shí)，35 kV網(wǎng)絡(luò)內(nèi)C相出現(xiàn)短時(shí)單相接地故障，持續(xù)時(shí)間8 ms，接地阻抗1 000 Ω?？梢缘玫皆谌劢z不熔斷的情況下，白巖子站35 kV母線(xiàn)TV二次側(cè)電壓與高壓側(cè)電流如圖7所示。

對(duì)比圖 6與圖7可知，系統(tǒng)裝設(shè)消弧線(xiàn)圈后，由于C相單相短路消失后，在35 kV TV高壓側(cè)產(chǎn)生的電流由2.0A下降至0.007A，大幅度地降低了TV熔絲熔斷的可能性。由此，驗(yàn)證了消弧線(xiàn)圈可以有效抑制TV高壓側(cè)熔絲熔斷的結(jié)論。

2)擾動(dòng)原因排查

圖7　裝設(shè)消弧線(xiàn)圈后的仿真結(jié)果

由于TV高壓側(cè)熔絲熔斷原因是由于低壓側(cè)電網(wǎng)單相短路等擾動(dòng)造成的，因此，消除擾動(dòng)則可以在根本上解決TV高壓側(cè)熔絲熔斷的原因。

因此建議，國(guó)網(wǎng)攀枝花供電公司對(duì)35 kV、10 kV電網(wǎng)的絕緣情況進(jìn)行排查，重點(diǎn)梳理在風(fēng)偏情況下非絕緣架空線(xiàn)路與周邊樹(shù)木的距離；同時(shí)關(guān)注雷擊、沖擊負(fù)荷等因素對(duì)低壓電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的影響。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)110 kV白巖子變電站7月1日35 kV TV高壓側(cè)熔絲熔斷事件進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：通過(guò)錄波數(shù)據(jù)，推斷導(dǎo)致35 kV TV高壓熔斷的原因?yàn)閱蜗嘟拥囟搪废Мa(chǎn)生在TV上的沖擊電流。

1)推導(dǎo)了中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相短路消失后流過(guò)TV一次側(cè)的電流值以及磁鏈的大小，并解釋了導(dǎo)致TV熔斷的原因；

2)通過(guò)算例仿真分析了單相短路接地消失后導(dǎo)致TV一次側(cè)電流值增大的現(xiàn)象；

3)分析了抑制中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相短路故障消失后TV的過(guò)流措施，并通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TM713

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-6954(2016)02-0054-05

作者簡(jiǎn)介：

陸強(qiáng)(1988)，碩士，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制的研究。

(收稿日期：2015-12-04)