中性點不接地系統單相故障導致TV熔斷機理分析

陸　強，滕予非，唐　明

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都　610072)

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中性點不接地系統單相故障導致TV熔斷機理分析

陸強，滕予非，唐明

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都610072)

摘要：35 kV低壓配電系統中性點一般采用不接地方式，當低壓母線發生單相短路，在故障消失后低壓母線TV上會產生很高的過電壓，造成鐵心嚴重飽和, 近而產生很高的過電流，此電流極有可能導致TV熔絲熔斷；針對此問題推導了單相故障消失后TV過電流的物理機制并提出相應的抑制措施，最后通過PSCAD/EMTDC軟件搭建了一個實際電力系統模型，驗證了此物理機制并證明了抑制措施的可行性。

關鍵詞：單相接地故障；TV熔斷；中性點不接地系統；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TV別發生了A相、C相以及B相熔絲熔斷的情況。配電系統TV絲熔斷不僅會影響電費的計量，造成很大的損失，嚴重時甚至燒毀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TV一次側高壓熔斷器熔斷時，可引起系統虛假接地，開口三角電壓升高，引起繼電器誤動作，容易造成工作人員的誤判，將其當成系統接地，而花費很多時間還找不到接地點。這些情況對于電力系統安全、穩定、可靠的運行都是十分不利的。因此，為保證電力系統的正常運行，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中性點不接地配電網[5]中，母線上安裝的電磁式TV常采用的是Y0/Y0的接線方式；由于系統單相接地故障所引起的熔絲熔斷問題時有發生，嚴重時甚至燒毀電磁式TV[6]，對其原理的研究將有助于采取有效的措施進行抑制。

1事件梳理

根據攀枝花110 kV白巖子變電站35 kV母線TV絲的多次熔斷事件，利用白巖子變電站錄波文件，可以對7月1日35 kV Ⅲ母TV B相高壓側熔絲熔斷事件進行梳理，通過對該日19:47至20:42近1個小時的波形進行梳理。可以得到這段時期白巖子35 kV Ⅲ母TV二次側三相電壓有效值的變化趨勢如圖1所示。

圖1　白巖子35 kVⅢ母TV二次側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B相電壓出現明顯跌落，并在后續過程中持續下降。同時錄波波形表明，母線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二次側三相電壓波形，如圖可知，此時35 kVⅢ母B相電壓的基波有效值已經跌落至20 V，而A、C兩相電壓則保持正常。同時，通過錄波可以發現此時B相電壓畸變嚴重，三相零序電壓有效值達到25 V以上。通過與攀枝花供電公司相關工作人員交流，認為該現象即為熔絲熔斷現象。因此根據上述分析可以初步判斷，7月1日所發生的110 kV白巖子變電站35 kVⅢ母TV B相熔絲熔斷發生的初始時刻即為19:52。

圖2　23:44:49白巖子35 kVⅢ母TV二次側三相電壓波形

2014年7月1日19∶52∶03開始記錄的白巖子35 kV母線電壓波形如圖3所示。

圖3　白巖子35 kVⅢ母TV二次側三相電壓波形

由圖3可知，19:52:03:847 白巖子35 kV側網絡出現了一次短時的C相接地故障，持續時間約為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側網絡上所發生的C相接地故障，是導致35 kVⅢ母TV B相高壓側熔絲熔斷的直接原因。

2熔斷機理分析

經過分析，初步認為白巖子變電站7月1日35 kV TV高壓側熔絲熔斷事件是由低壓側單相接地短路故障消失后導致的，下面分析其機理。

對于中性點不接地系統，當一相接地時，另兩相電壓升高到線電壓，它們的對地電容上也就充上了和線電壓相適應的電荷。然而，當接地故障消失后，為了保持系統平衡，各相對地電壓則力圖恢復到正常運行的相電壓的水平。在此過程中，故障期間在非故障相上所積累的電荷則需要一個釋放的過程，即需要找到出路泄往大地。然而，由于系統中沒有其他的泄流通路，自由電荷只好通過互感器的一次繞組泄往大地。在此過程中，極有可能引起TV鐵心的飽和。具有過飽和鐵心的電壓互感器，在工頻電源電壓作用下也將出現很大的沖擊電流。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。

下面對其熔斷原因進行數學方面的分析，此處采用注入虛擬補償電量法[7]對此問題進行分析。注入虛擬補償電量計算方法的主要思路是:對于一個給定的電路,開關的通斷操作認為是由兩個等效過程疊加而成的,通斷操作前電路中的穩態過程與由通斷操作所引起的暫態過程“在開關的通斷操作過程中,接通時電路會有回路電流出現,分斷時斷口兩端會有端電壓出現”，利用疊加原理，可以表達為

(1)

為此，將3TV接法時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所示電路相當于接地短路還在持續的工作狀態，即單相接地故障的穩態等效電路。圖5所示電路則相當于接地故障消除后的等效電路，由虛擬補償電量法可知，接地故障的消除就相當在接地點又并接一個與原電流Id0方向相反的電流源。

圖4　單相接地故障等效的穩態圖

由圖4設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的穩態短路電流為

(2)

式中：L0為TV各相電感值；C0為各相對地電容。

ea=Emsin(ωt+φ)

可得短路電流的瞬時值為

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電路圖

再根據圖5，可以推導當單相故障消失后，并考慮衰減因數的影響，可得此時加在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)中第一項為電壓的強制分量，它是不衰減的，而后一項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，通常系統的ω′<ω。

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

(4)

由式(4)可知其幅值|Φ|與初相角φ及ω′均有關系。饋線越長，對應的零序C0越大，自由振蕩頻率ω′越小，但對應的|Φ|越大。在此振蕩的作用下，互感器鐵心半個周期將出現一次飽和，每次飽和相應的對應一次ω′頻率的沖擊電流，此沖擊電流很有可能導致TV熔斷。

3仿真分析

利用PSCAD搭建白巖子變電站35 kV電網的電磁暫態示意模型。設置t=0.5 s時，35 kV網絡內C相出現短時單相接地故障，持續時間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TV二次側電壓與高壓側電流如圖 6所示。

圖6　仿真結果

由圖 6可知，在C相單相短路結束后，白巖子35 kV母線上出現了一個低頻的自由衰減分量，該分量導致TV出現飽和。仿真表明，該工況下35 kV TV高壓側電流達到2.0 A，超過了熔絲的額定電流0.5 A，熔絲熔斷概率較高。

對于中性點不接地系統，當一相接地時，正常相電壓將升高到線電壓。當接地故障消失后，為了保持系統平衡，各相對地電壓則力圖恢復到正常運行的相電壓的水平。在此過程中，正常相則會出現電荷釋放的物理過程。由于中性點不接地系統中沒有其他的泄流通路，自由電荷僅能通過互感器的一次繞組泄往大地。由于自由電荷釋放過程的振蕩頻率偏低，因此在釋放過程中極有可能引起TV鐵心的飽和。具有過飽和鐵心的電壓互感器，在工頻電源電壓作用下也將出現很大的沖擊電流。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高壓側熔絲熔斷可能是由于35 kV電網出現單相短路后，正常相的電壓在從線電壓恢復到相電壓的過程中，自由電荷經TV高壓側繞組釋放并導致TV鐵心飽和所造成的。根據這一機理，可提出以下兩條抑制方法建議：

1)變壓器中性點加裝消弧線圈

當在變壓器中性點加裝消弧線圈后，在35 kV電網單相故障恢復期間，自由電荷將增加一條釋放通道，流經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加裝消弧線圈[8]可以有效地抑制35 kV TV高壓側熔絲的熔斷問題。

同樣利用PSCAD仿真軟件，對白巖子變電站35 kV電網的電磁暫態進行仿真。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側中性點裝設了消弧線圈，而此處則在主變壓器35 kV側中性點裝設了消弧線圈，線圈電感值剛好實現35 kV電網過補償。依然設置t=0.5 s時，35 kV網絡內C相出現短時單相接地故障，持續時間8 ms，接地阻抗1 000 Ω。可以得到在熔絲不熔斷的情況下，白巖子站35 kV母線TV二次側電壓與高壓側電流如圖7所示。

對比圖 6與圖7可知，系統裝設消弧線圈后，由于C相單相短路消失后，在35 kV TV高壓側產生的電流由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，驗證了消弧線圈可以有效抑制TV高壓側熔絲熔斷的結論。

2)擾動原因排查

圖7　裝設消弧線圈后的仿真結果

由于TV高壓側熔絲熔斷原因是由于低壓側電網單相短路等擾動造成的，因此，消除擾動則可以在根本上解決TV高壓側熔絲熔斷的原因。

因此建議，國網攀枝花供電公司對35 kV、10 kV電網的絕緣情況進行排查，重點梳理在風偏情況下非絕緣架空線路與周邊樹木的距離；同時關注雷擊、沖擊負荷等因素對低壓電網電壓擾動的影響。

5結論

通過對110 kV白巖子變電站7月1日35 kV TV高壓側熔絲熔斷事件進行分析，得到如下結論：通過錄波數據，推斷導致35 kV TV高壓熔斷的原因為單相接地短路消失產生在TV上的沖擊電流。

1)推導了中性點不接地系統單相短路消失后流過TV一次側的電流值以及磁鏈的大小，并解釋了導致TV熔斷的原因；

2)通過算例仿真分析了單相短路接地消失后導致TV一次側電流值增大的現象；

3)分析了抑制中性點不接地系統單相短路故障消失后TV的過流措施，并通過仿真進行了驗證。

參考文獻

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中圖分類號：TM713

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6954(2016)02-0054-05

作者簡介：

陸強(1988)，碩士，助理工程師，主要從事電力系統穩定分析與控制的研究。

(收稿日期：2015-12-04)