蔡春元，李昕銳，李紅斌，彭昭煌，陳勁游，焦洋

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 中山供電局計(jì)量中心，廣東 中山 528400；2. 華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074)

0 引 言

高壓電能計(jì)量裝置是10 kV配網(wǎng)的重要組成部分，能否穩(wěn)定、可靠運(yùn)行直接影響電能貿(mào)易結(jié)算的公平性。但在高壓電能計(jì)量裝置運(yùn)行過程中，計(jì)量異常和裝置故障時(shí)有發(fā)生，影響了供電可靠性，危及電網(wǎng)的安全[4]。特別是在電壓互感器(Voltage Transformer，TV)支路上，高壓熔斷器的異常動(dòng)作頻繁發(fā)生，以廣東省中山市供電局現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，市內(nèi)在運(yùn)的高壓電能計(jì)量裝置有6 000余套，每年發(fā)生故障百余臺(tái)次，故障率高達(dá)1.7%，其中高壓熔斷器動(dòng)作的占比超過50%。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)高壓電能計(jì)量裝置中的電壓互感器支路故障已開展了一定研究。文獻(xiàn)[5-7]提出了支路故障的主要原因是鐵磁諧振，但它們關(guān)注的電壓互感器研究對(duì)象均處于Y形接線方式下，在V形接線方式下，系統(tǒng)中并不構(gòu)成類似的諧振回路。文獻(xiàn)[8]將支路故障歸結(jié)于操作過電壓，數(shù)倍的過電壓會(huì)對(duì)電壓互感器的絕緣帶來沖擊，但單純電壓數(shù)值的增大，無法在支路上激起安培以上量級(jí)的過電流[9]，難以引起高壓熔斷器的動(dòng)作。

文章從電壓互感器的傳感原理出發(fā)，就幅值和頻率兩方面探討了支路過流的可能，借助Ansoft Maxwell和ATP-EMTP軟件，完成了雜散參數(shù)的求解和仿真模型的搭建，并以真空斷路器的動(dòng)作為例，計(jì)及三相非同期性，研究了不同合閘情況下的支路過流情況。結(jié)果表明真空斷路器動(dòng)作時(shí)，由互感器雜散電容引起的過電流可達(dá)到甚至超過安培量級(jí)，并分析了該電流對(duì)高壓熔斷器的影響；最后，針對(duì)非同期性和雜散電容帶來的過流問題，提出了基于合閘同期性控制和雜散電容控制的支路過電流抑制措施。

1 故障分析

廣東省中山供電局下屬的10 kV高壓電能計(jì)量裝置采用電壓互感器V形接線方式，一次側(cè)安裝高壓熔斷器形成跨接在兩相間的支路，熔斷器用于防止互感器本身或引出線故障向母線側(cè)的擴(kuò)大，常用型號(hào)為XRNP1-12/1A和XRNP1-12/2A，額定電流分別為1A和2 A。

高壓熔斷器的基本原理是，當(dāng)流過的電流超過額定值時(shí)，熔斷器中熔體的發(fā)熱超過散熱極限，開始熔化過程。若過流狀態(tài)持續(xù)，熔體完全熔化致熔斷器動(dòng)作，電路分?jǐn)?；若過流狀態(tài)持續(xù)較短，熔體尚未完全熔化，熔斷器則不會(huì)同步動(dòng)作，但過流依然會(huì)加速其性能退化，為異常動(dòng)作埋下隱患。

那么，電壓互感器支路上安培以上量級(jí)的穩(wěn)定或暫態(tài)過電流，均會(huì)引起熔體的熔化過程，導(dǎo)致高壓熔斷器同步動(dòng)作或?yàn)橐院蟮漠惓?dòng)作埋下隱患。

電壓互感器二次輸出為100 V，變比為100:1，其等效電路見圖1。

圖1 電壓互感器等效電路

在互感器正常運(yùn)行時(shí)，電流為0.1 mA量級(jí)，若僅考慮電壓值的影響，3倍過電壓下的過電流也僅能達(dá)到mA量級(jí)，遠(yuǎn)小于熔斷器額定電流。然而，在電力系統(tǒng)暫態(tài)過程中，除過電壓、電流之外，還有高頻暫態(tài)信號(hào)伴隨出現(xiàn)，頻率可達(dá)到數(shù)kHz甚至MHz[10]，如真空斷路器的動(dòng)作過程，線路會(huì)出現(xiàn)高頻振蕩[11]，此時(shí)電壓互感器雜散電容的影響就不可忽略。

2 仿真模型介紹

2.1 配網(wǎng)模型模型

圖2為中山市某10 kV配電網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中的專變用戶在2015年曾兩次發(fā)生計(jì)量裝置熔斷器的異常動(dòng)作，文章以該配電網(wǎng)絡(luò)為對(duì)象，開展相關(guān)研究。

圖2 10 kV配電網(wǎng)絡(luò)

從變電站10 kV側(cè)出發(fā)，電能先沿埋地電纜1傳輸數(shù)十上百米，后上引至架空輸電線，沿架空線1傳輸一段距離后轉(zhuǎn)接至架空線3，經(jīng)專變對(duì)用戶進(jìn)行供電。高壓電能計(jì)量裝置安裝在10 kV側(cè)，主要包括電壓互感器(TV)、電流互感器(TA)、熔斷器、高壓電能表等，采用兩表法計(jì)量方式(TV為V形接線)。

根據(jù)變壓器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，10 kV出口側(cè)的等效電阻和對(duì)地電容參數(shù)分別為Rt=0.5 Ω、Ct=1 nF。

電纜1型號(hào)為YJV22-3×300，長(zhǎng)度約80 m，三相導(dǎo)體被封裝于同一保護(hù)套中，相間電容值大幅增加。借助Ansoft Maxwell軟件，可得到相對(duì)地電容和相間電容的數(shù)值解約為10.17 nF、 2.90 nF。

架空線型號(hào)為L(zhǎng)J-240，架空1和架空3的長(zhǎng)度分別為200 m、120 m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值可得到模型參數(shù)分別為0.03 Ω、1.78 nF和0.018 Ω、1.07 nF[12]。

真空斷路器和電壓互感器是仿真模型的核心，下文將詳細(xì)說明二者的建模方法和參數(shù)設(shè)置。

2.2 電壓互感器模型

電壓互感器繞組與屏蔽層間的雜散電容是場(chǎng)效應(yīng)的產(chǎn)物，它并非以器件集中參數(shù)的形式存在，而是隨著繞組、屏蔽層的延展在空間中分布，文章將采用結(jié)構(gòu)細(xì)分的方法來逼近雜散電容的存在形式。在圖1基礎(chǔ)上，略去漏電感、鐵耗電阻、二次銅耗電阻，形成高頻信號(hào)下的互感器等效電路見圖3。

圖3 電壓互感器高頻等效電路

雜散電容是場(chǎng)效應(yīng)的產(chǎn)物，難以計(jì)算其解析解。在文章中，借助有限元算法來獲得近似數(shù)值解。采用結(jié)構(gòu)細(xì)分逼近雜散電容存在形式的方法，將互感器繞組整體離散為20個(gè)細(xì)分結(jié)構(gòu)。

根據(jù)互感器結(jié)構(gòu)尺寸，在Ansoft Maxwell軟件環(huán)境中建立繞組、屏蔽層、鐵芯、絕緣填充等結(jié)構(gòu)的物理模型，見圖4。

圖4中，標(biāo)識(shí)1表示一次繞組，離散為20個(gè)細(xì)分結(jié)構(gòu)，設(shè)置材料為銅，設(shè)置電位依次為10 kV、9.5 kV…0.5 kV；標(biāo)識(shí)2表示鐵芯，縱向貫穿，設(shè)置材料為硅鋼，懸浮電位；標(biāo)識(shí)3表示圓筒狀屏蔽層，設(shè)置材料為鋁，設(shè)置電位為10 kV；標(biāo)識(shí)4表示絕緣填充，設(shè)置材料為環(huán)氧樹脂，懸浮電位[14]。

圖4 雜散電容計(jì)算模型

靜電場(chǎng)求解方式下，經(jīng)14次迭代計(jì)算，得到1%精度的雜散電容計(jì)算結(jié)果為：屏蔽層與兩端繞組細(xì)分結(jié)構(gòu)的雜散電容值約為9.71 pF，屏蔽層與其他18個(gè)細(xì)分結(jié)構(gòu)的雜散電容值約為9.04 pF。

2.3 真空斷路器模型

斷路器的分合過程涉及導(dǎo)電通道的多次建立和消失，如在合閘過程中，真空斷路器觸頭間距不斷減小，當(dāng)斷口電壓大于絕緣臨界值時(shí)，金屬質(zhì)點(diǎn)析出并形成導(dǎo)電通道，但通道在電流過零時(shí)刻無法維持，由于觸頭間距和端口電壓均在不斷變化，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)析出條件再次成立時(shí)，導(dǎo)電通道再次形成。

在ATP-EMTP軟件環(huán)境中，借助TACS(控制系統(tǒng)模擬)器件可建立起真空斷路器的仿真模型[15]，包括導(dǎo)電通道建立判定(A)、分合速度控制(B)、導(dǎo)電通道消失判定(C)、斷路器狀態(tài)控制(D)四個(gè)模塊，見圖5。

圖5 真空斷路器狀態(tài)判定模型

模塊A：當(dāng)斷路器開始動(dòng)作但未完全閉合時(shí)，進(jìn)入導(dǎo)電通道建立判定。當(dāng)觸頭電位差大于絕緣臨界值時(shí)，金屬質(zhì)點(diǎn)析出，導(dǎo)電通道建立，斷路器進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài);

模塊B：初始絕緣臨界值設(shè)置為385 kV，通過調(diào)節(jié)臨界值的變化速率(35 kV/ms)可實(shí)現(xiàn)對(duì)觸頭運(yùn)動(dòng)速度(1 mm/ms)的控制，過程持續(xù)11 ms;

模塊C：當(dāng)導(dǎo)電通道存在，進(jìn)入導(dǎo)電通道消失判斷，比較當(dāng)前時(shí)刻與上一時(shí)刻的電流方向是否發(fā)生變化，若電流方向變化，可認(rèn)為電流在t時(shí)刻和t-Δt時(shí)刻之間發(fā)生了過零，導(dǎo)電通道消失，斷路器變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，并進(jìn)入下一次導(dǎo)電通道建立判定；若不過零，狀態(tài)不變，進(jìn)入下一次導(dǎo)電通道消失判斷;

模塊D：根據(jù)導(dǎo)電通道建立和消失的判定結(jié)果，輸出斷路器狀態(tài)的標(biāo)志信號(hào)。

3 仿真結(jié)果與分析

基于以上建模方法和參數(shù)設(shè)置，在ATP-EMTP軟件中建立起完整的仿真模型[16]，研究真空斷路器合閘過程中， 電壓互感器支路上的過流情況。模型中，兩支電壓互感器分別跨接于A、B相和B、C相之間。

3.1 三相同期合閘

討論斷路器同期合閘的情況，斷路器在1ms時(shí)刻開始合閘動(dòng)作，以跨接在A、B相之間的互感器為例進(jìn)行說明。

此時(shí)，流過電壓互感器支路電流的變化情況見圖6，放大處為峰值電流脈沖的展開。

圖6 同期合閘時(shí)互感器支路過電流情況

由圖6可知，斷路器同期動(dòng)作過程中，電壓互感器支路上會(huì)出現(xiàn)多個(gè)過電流脈沖，過電流峰值可達(dá)到-94.905 A。

3.2 三相非同期合閘

實(shí)際10 kV配電網(wǎng)絡(luò)中，三相斷路器的動(dòng)作存在一定的非同期性，現(xiàn)討論合閘出現(xiàn)非同期時(shí)電壓互感器支路的過流情況。

3.2.1 斷路器滯后動(dòng)作過程

由于B相為V形接線的公用相，故需要就非共用相(以A相為例)滯后和公用相滯后分別討論。仿真中，已完成動(dòng)作的斷路器保持閉合狀態(tài)，滯后相斷路器在1 ms時(shí)刻開始合閘動(dòng)作，以跨接在A、B相之間的互感器為例進(jìn)行說明。

(1)A相滯后合閘

此時(shí)，流過電壓互感器支路電流的變化情況見圖7，放大處為峰值電流脈沖的展開。

圖7 A相斷路器滯后時(shí)互感器支路過電流情況

由圖7可知，斷路器出現(xiàn)非同期動(dòng)作，A相斷路器滯后動(dòng)作時(shí)，電壓互感器支路上會(huì)出現(xiàn)多個(gè)過電流脈沖，過電流峰值達(dá)到了-142.644 A。

(2)B相滯后合閘

此時(shí)，流過電壓互感器支路電流的變化情況見圖8，放大處為峰值電流脈沖的展開。

圖8 B相斷路器滯后時(shí)互感器支路過電流情況

由圖8可知，斷路器出現(xiàn)非同期動(dòng)作，B相斷路器滯后動(dòng)作時(shí)，電壓互感器支路上會(huì)出現(xiàn)多個(gè)過電流脈沖，過電流峰值達(dá)到了138.649 A。

3.2.2 斷路器超前動(dòng)作過程

與前文類似，需要分別討論非共用相(以A相為例)和共用相的狀態(tài)。仿真中，尚未動(dòng)作的斷路器保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，超前相斷路器在1 ms時(shí)刻開始合閘動(dòng)作，以跨接在A、B相之間的互感器為例進(jìn)行說明。

(1)A相超前合閘

此時(shí)，流過電壓互感器支路電流的變化情況見圖9，放大處為峰值電流脈沖的展開。

圖9 A相斷路器超前時(shí)互感器支路過電流情況

由圖9可知，斷路器出現(xiàn)非同期動(dòng)作，A相斷路器超前動(dòng)作時(shí)，電壓互感器支路上會(huì)出現(xiàn)多個(gè)過電流脈沖，過電流峰值達(dá)到了-28.492 A。

(2)B相超前合閘

此時(shí)，流過電壓互感器支路電流的變化情況見圖10，放大處為峰值電流脈沖的展開。

圖10 B相斷路器超前時(shí)互感器支路過電流情況

由圖10可知，斷路器出現(xiàn)非同期動(dòng)作，B相斷路器超前動(dòng)作時(shí)，電壓互感器支路上會(huì)出現(xiàn)多個(gè)過電流脈沖，過電流峰值達(dá)到了28.213 A。

4 影響分析

以上結(jié)果表明，無論合閘過程的同期性，斷路器的動(dòng)作過程均會(huì)在電壓互感器支路激起過電流，極端情況下可達(dá)百安培量級(jí)，而超前(或滯后)動(dòng)作的斷路器是否處于共用相對(duì)過電流情況的影響很小。

過電流以脈沖的形式存在，并不會(huì)造成熔斷器的同步動(dòng)作，但遠(yuǎn)超額定值的過電流脈沖造成熔斷器的性能退化，成為異常動(dòng)作的潛在誘因。

同時(shí)，與同期合閘相比，非同期會(huì)造成支路更為嚴(yán)重的過流情況，具體表現(xiàn)為：

(2)超前動(dòng)作過程中，斷路器動(dòng)作在支路上激起了更為密集的過電流脈沖，其原因是A相斷路器動(dòng)作過程中，用戶側(cè)三相均無電源接入，電路無電位約束。一旦導(dǎo)電通道消失，線路對(duì)地電容進(jìn)入放電狀態(tài)，且無電位約束，用戶側(cè)電位快速?gòu)?fù)原，使得導(dǎo)電通道建立條件更易再次達(dá)成，也就導(dǎo)致了更為密集的過電流脈沖。

5 結(jié)束語

文章針對(duì)高壓電能計(jì)量裝置電壓互感器支路過流、熔斷器異常動(dòng)作問題，進(jìn)行了深入研究并形成如下結(jié)論：

(1)在斷路器動(dòng)作過程中，由于雜散電容的存在，支路上會(huì)出現(xiàn)百安培量級(jí)的過電流脈沖，但由于持續(xù)時(shí)間短，熱量積聚不明顯，并不會(huì)造成熔斷器的同步動(dòng)作，但遠(yuǎn)超額定值的過電流脈沖會(huì)加速熔斷器的性能退化，為異常動(dòng)作埋下隱患；

(2)與同期合閘相比，斷路器的非同期會(huì)造成支路更為嚴(yán)重的過流情況，具體表現(xiàn)為滯后動(dòng)作過程中的更大峰值和超前動(dòng)作過程中的密集脈沖。

綜合上述仿真結(jié)果和結(jié)論，可從以下兩方面來實(shí)現(xiàn)對(duì)支路過電流的抑制：

(1)仿真研究結(jié)果可得，斷路器動(dòng)作的非同期性會(huì)加劇電壓互感器支路的過流情況，從斷路器本身或合閘操作流程出發(fā)，提高三相斷路器動(dòng)作的同期性，對(duì)于控制支路的過電流、降低高壓熔斷器的異常動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)有著積極意義；

(2)斷路器動(dòng)作引起支路過流的根本原因是電壓互感器自身的雜散電容參數(shù)。通過使用低介電常數(shù)絕緣填充、優(yōu)化屏蔽層結(jié)構(gòu)尺寸等方法，可將雜散電容控制在較低水平，進(jìn)而有效抑制支路的過電流。借助仿真計(jì)算可得，三相同期合閘狀態(tài)下，當(dāng)雜散電容減小為原始值的20%時(shí)，過電流峰值降低至-6.092 A，為原始峰值的6.42%，遠(yuǎn)大于雜散電容值的變化，其原因是雜散電容的減小降低了電路的儲(chǔ)能能力，進(jìn)而削弱了斷路器動(dòng)作引起的暫態(tài)過程。在某些對(duì)電能計(jì)量可靠性有更高要求的場(chǎng)合，可增設(shè)電阻分壓型互感器作為備用，其分壓元件為高度集中形式存在的獨(dú)立電阻器，主回路與屏蔽層間雜散電容極小[17-20]，可基本消除斷路器動(dòng)作過程中的電壓互感器支路過流現(xiàn)象。

結(jié)合高壓熔斷器的基本原理，合閘同期性控制和雜散電容控制帶來的支路暫態(tài)過電流降低，可減小在斷路器單次分合過程中熔體熔化和高壓熔斷器性能退化的程度，進(jìn)而降低熔斷器的異常動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)高壓電能計(jì)量裝置的可靠性提升具有指導(dǎo)意義。