論電氣成套設備ＰＴ柜運行事故的分析探討

[摘要]總結近年來中壓開關設備中PT柜運行質量事故,探討電壓互感器發(fā)生燒毀以及保護電壓互感器的熔斷器反復熔斷之原因。分析當前電力系統(tǒng)配電網絡中成套產品的配置設計存在之缺陷,進而提出消除事故隱患的改進方案。

[關鍵詞]電壓互感器限流熔斷器額定電壓因數并聯/串聯諧振消諧裝置

中圖分類號:TM1文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920023-02

一、引言

在電力系統(tǒng)的變電站及配電網中,PT柜是不可缺少的功能單元,其主要組成為熔斷器和電壓互感器,是將電網的高電壓轉換成低電壓,用以提供繼電保護、自動裝置及測量表計,同時實現自身的短路保護和絕緣監(jiān)察。它屬于連接在高壓母線上所有元器件(如發(fā)電機、變壓器、輸電線路等)的共用電氣裝備。

近年來,很多電網工程的成套開關設備在調試、送電過程中,或者在已運行過程中,時常發(fā)生PT柜內電壓互感器燒毀以及熔斷器反復熔斷的現象。如湖北電力公司某110kV變電站的35kV系統(tǒng)發(fā)生PT柜燃燒、河南電力公司某220kV變電站的10kV系統(tǒng)在運行過程中出現PT柜內電壓互感器燒毀、云南某水電站發(fā)生電壓互感器爆炸現象,還有許多電網項目在通電運行過程中保護電壓互感器用熔斷器出現多次熔斷現象。

二、原因歸納及分析

出現電壓互感器燒毀現象有一個共性:即所配的保護電壓互感器用熔斷器,其熔芯的額定電流皆為0.5A或1A,有的甚至是2A。而熔斷器反復熔斷現象也有一特點:即所配的保護電壓互感器用熔斷器,其熔芯的額定電流為0.2A、0.3A或0.5A。而電力系統(tǒng)的PT柜內均未配置一次和二次消諧裝置。

針對事故發(fā)生的起因進行綜合并加以歸納,主要有:(1)發(fā)生單相接地導致電壓互感器燒毀;(2)進線開關的突然合閘、斷續(xù)弧光接地等引起電壓互感器本身的鐵磁諧振,導致電壓互感器損壞或使得保護電壓互感器的熔斷器反復熔斷;(3)保護電壓互感器用熔斷器的額定電流與電壓互感器的匹配存在缺陷。下面進行逐一分析:

(一)最高運行電壓下的電壓互感器運行時間要求

額定電壓因數是電壓互感器的主要參數之一。國家標準GB/T 1207-2006《電壓互感器》中已明確說明:額定電壓因數是與額定一次電壓標準值相乘的一個系數,以確保電壓互感器必須滿足規(guī)定時間內的有關熱性能要求并滿足有關準確級要求的最高電壓。并列出與各種接地條件相對應的額定電壓因數標準值及在最高運行電壓下的允許持續(xù)時間,見下表。

我國的3.6～40.5kV電網絕大多數是中性點非有效接地系統(tǒng),而標準明確規(guī)定:“帶有自動切除對地故障裝置的中性點非有效接地系統(tǒng)的相與地之間,當系統(tǒng)額定電壓因數達1.9時,應在30s內有效切除故障或斷開電壓互感器與系統(tǒng)的連接”。

中性點非有效接地系統(tǒng)中,發(fā)生單相接地時,另兩相電壓升高至√3倍,引起電壓互感器輸入端的兩相電壓達到額定電壓的1.9～2.1倍。由于電壓互感器的輸入端電壓升高,其磁通迅速達到飽和,使輸入端的電流呈線性關系從而達到1.9～2.1倍。按照GB/T 1207-2006要求必須由電力系統(tǒng)在30秒內自動解除,否則在單相接地情況下電網出現微小波動時,電壓互感器就可能被燒毀。然而根據電力系統(tǒng)的《運行規(guī)則》規(guī)定,電網發(fā)生單相接地時允許2小時內繼續(xù)運行。從而出現電網在實際運行過程中,由于沒有配置自動切除故障裝置,導致電壓互感器燒毀的現象時常發(fā)生。

(二)系統(tǒng)中電壓互感器的鐵磁諧振現象

我國3.6～40.5kV的輸、配電電網基本上都是中性點不接地或中性點經消弧線圈接地系統(tǒng),與電網并聯的PT回路大部分采用電磁式接地電壓互感器,其一次繞組作星形連接,中性點直接接地。這樣,每相的一次線圈和每相線路對地的電容組成并聯諧振回路,如圖1所示。若每相對地電容相等,則各相總導納大小相等,電網中性點的零序電壓為零。各相的總復導納為:

正常運行情況下,電壓互感器的勵磁阻抗非常大,由公式可知:對于總導納的電納部分,感納小于容納,故每相電路顯容性。當電網出現沖擊波動的非正常情況時,如空載母線合閘而導致電壓互感器的一相或兩相勵磁電感降低,感性電流增大,又如單相斷續(xù)電弧接地瞬間,其余完好的兩相電壓瞬時并振蕩升高,產生很大的涌流,這就勢必出現一相或兩相電路顯感性而另兩相或一相電路顯容性,電網中性點出現零序電壓,電壓互感器中出現零序電流,三相電路組成串聯諧振回路,等效電路如圖2所示。

可見,只要電網出現沖擊波動,使得電路中的參數變化滿足一定條件(諧振條件)時,就可能發(fā)生電壓互感器一相電路的并聯諧振、或三相電路組成的零序回路串聯諧振,即所謂的鐵磁諧振。電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振時,其勵磁電流迅速增大引起鐵芯飽和,產生飽和過電壓,增大的勵磁電流以及產生的過電壓都將造成電壓互感器的嚴重損壞。

由于電壓互感器的參數不同、特別是電網線路對地電容的不同,電壓互感器的鐵磁諧振通常主要為基波共振和分頻諧波共振。基波共振的特點是對應相的電壓、電流都升高,但電壓升高的坡度較大而電流升高的坡度不大,這種現象就會導致PT柜中的電壓互感器內部絕緣破壞而燒毀;而分頻諧波共振的特點是各相電壓、電流都升高,但電壓升高坡度不大而電流升高坡度很大,一次電流達到電壓互感器正常額定電流的40～80倍,有時甚至上百倍,這種現象就會導致PT柜中的電壓互感器繞組發(fā)熱,溫度急劇升高而引起爆炸,或者導致高壓主熔斷器的熔芯反復熔斷。

(三)保護電壓互感器運行的熔斷器配置要求

標準GB/T 15166.2--2008《交流高壓熔斷器第二部分:限流式熔斷器》的附錄C“使用導則”中,<保護電壓互感器熔斷器的選擇>已明確:保護電壓互感器的熔斷器主要用來作為隔離裝置,將故障的電壓互感器從電力系統(tǒng)中隔離出來。因此熔斷器不能確保電壓互感器本身不被損壞,而這些熔斷器的選擇只限于它能承受電壓互感器的勵磁沖擊電流。依據這一使用導則,通常成套生產廠及設計部門在選用PT柜中保護電壓互感器的熔斷器時,不論其額定輸出大小如何,熔芯的額定電流皆選擇0.5A或1A(有的甚至選配2A)。這種熔斷器的選型配置僅能在互感器本身短路故障時起到熔斷隔離作用,但不能滿足因電壓因數升高、鐵磁諧振等現象而有效保護電壓互感器的要求。

1.首先分析,我國3.6～40.5kV的電力系統(tǒng),中性點為非有效接地,其成套開關設備的PT柜中,通常配置的電壓互感器大多數為電磁式接地電壓互感器。

如JDZ-10型,額定電壓比:10000/√3∕100/√3∕100/3,以額定輸出容量為:50VA、100VA、200VA、400VA等為例,計算出各種情況下的一次側電流值:

注:電壓互感器的阻抗值取Ud=0.6﹪;電壓因數為1.9時互感器的勵磁電流取IP=0.0025A、IQ=0.0065A。

2.其次再分析保護電壓互感器用的P型限流型熔斷器,國標GB/T 15166.2—2008對P型限流型熔斷器的“弧前時間-電流區(qū)域極限”特性正在考慮中。將我國西安揚合電器有限公司生產的XRNP□-12型(如圖3)與美國Bussmann公司生產的15.5CAVH型(如圖4)之時間-電流特性進行比較:

圖3:XRNP□-12型熔斷器時間-電流特性曲線;圖4:15.5CAVH型熔斷器時間-電流特性曲線

從特性曲線的比較可列出如下表數據。

綜合可以看出,美國Bussmann公司生產的15.5CAVH型保護電壓互感器用限流型熔斷器比較接近電壓互感器在非正常運行時的保護要求。

三、解決方案

通過以上分析可知,發(fā)生PT柜內電壓互感器燒毀以及熔斷器反復熔斷的現象之根本原因。其中,最主要解決的問題是電壓互感器可能發(fā)生的鐵磁諧振以及保護電壓互感器用熔斷器的選擇。

(一)限制或消除電壓互感器的鐵磁諧振

采用的方法是一次消諧加二次消諧,其基本原理如圖5所示。一次消諧就是在電壓互感器一次側中性點與地之間安裝一接地電壓互感器,能很好地抑制甚至消除電壓互感器一次繞組中的過電壓,限制鐵磁諧振的產生,從而避免互感器的燒毀以及主熔斷器的反復熔斷。二次消諧就是在電壓互感器的剩余繞組開口三角處安裝消諧裝置,即二次消諧器XZ。目前使用比較流行的是微機消諧裝置,它的工作原理方式是當諧振將要產生時瞬間接通阻抗回路,能較好地消除鐵磁諧振的發(fā)生。

(二)選用合適的保護電壓互感器用熔斷器

目前我國制造廠生產的保護電壓互感器用P型限流型熔斷器,額定電流分別有0.2A、0.3A、0.5A、1A、2A等規(guī)格。從以上的電壓互感器一次側過電流計算以及與熔斷器的時間電流特性對照,我們可以得出:額定電壓10kV電網中,采用國產的XRNP□-12型熔斷器,應選擇額定電流為0.2A,才是比較符合保護電壓互感器在非正常運行時不致損壞。

另外,國內應大力研究開發(fā)專用熔斷器,使其時間電流特性更能接近滿足標準GB/T 1207-2006要求。以保證PT柜中主熔斷器能在電網不同的電壓因數下合理運行并有效保護電壓互感器。

四、結束語

選用合適的保護電壓互感器的熔斷器,就能有效避免電壓互感器的燒毀,建議采用額定電流為0.2A的XRNP□型;PT柜內加裝一次消諧和二次消諧,消除或限制鐵磁諧振,避免熔斷器的反復熔斷。總之,兩者兼顧應用,同時考慮配置自動切除對地故障裝置,才能在很大程度上解決PT柜的運行質量事故。

作者簡介:

丁永生,上海天正機電(集團)有限公司總工程師、副總經理。