PT沖擊電流抑制裝置的研究與設計

袁超，徐近龍，張勁松，王建剛，周陽

(1. 江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102； 2. 蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

隨著電力系統的不斷發展，配電網的規模也越來越大。部分城市的配電網用電纜替代了原有的架空線路，使得系統對地電容增加，若系統中發生單相接地故障，其危害性也在增大。因而許多配網系統采用中性點經消弧線圈接地的方式，以減小故障點電流，避免非故障相電壓升高，有效地提升了系統安全運行的可靠性。

相控式消弧線圈能隨時檢測系統接地故障，并能自動投入運行，故障消失后退出。江蘇某變電站在安裝了相控式消弧線圈后，其10kV母線PT(電壓互感器)因故障沖擊電流累積效應，一年內連續燒毀三次，造成區域性停電，嚴重影響了電力系統安全穩定運行。為了解決該問題，本文研究、設計了一種能抑制PT沖擊電流的裝置[1-3]。

1 裝置原理及結構

1.1 裝置原理

PT沖擊電流抑制裝置主要是應用在中性點經相控式消弧線圈接地的系統中，其原理如圖1所示。

圖1 PT沖擊電流抑制裝置原理圖

相控式消弧線圈一次繞組接入電網中性點和地之間，二次繞組用雙向晶閘管短路，可以通過調節晶閘管的觸發角來控制，實現一次側電感補償量的連續可控。三次繞組為濾波電路，用來抑制晶閘管導通時產生的諧波電流[4-5]。

正常情況下相控式消弧線圈是不投入運行的，但會隨時檢測對地電流和中性點電壓，當發生接地故障后，消弧線圈的晶閘管導通，起到電感補償作用。有時由于晶閘管的問題，當線路發生單相接地故障，相控式消弧線圈不能可靠投入，相當于中性點不接地的運行方式，因而系統對地電容電荷只能通過PT泄放，產生沖擊電流造成PT損壞。

本裝置主要原理是在相控式消弧線圈兩端并聯接地電阻，其結合了消弧線圈接地和高電阻接地的優點，除了使得接地點殘流很小之外，還有效地控制了過電壓的水平，同時還可以破壞消弧線圈諧振條件，阻止串聯諧振發生[6-8]。

1.2 裝置結構

PT沖擊電流的裝置主要由接地變壓器(TM)、單極隔離開關(QS)、接地電阻(R)、零序電流互感器(TA)、套管、風機等組成，其結構如圖2所示。

圖2 裝置結構圖

裝置各部分主要作用如下：

1) 隔離開關：安裝在接地電阻(R)和接地變壓器(TM)中性點之間，起到對接地電阻器的隔離作用，便于停電檢修設備。當隔離開關分閘時，電阻器可以退出或檢修；當隔離開關合閘時，電阻器并入相控式消弧線圈兩端運行。

2) 接地電阻器：電阻器接在接地變壓器的中性點上，與消弧線圈呈并聯結構，主要作用是當發生接地故障且消弧線圈無法正常運行時，可以提供電荷泄放通道，避免PT中出現沖擊電流，并降低非故障相過電壓的倍數。

3) 電流互感器：用以測量中性點的零序電流，提供給監控裝置，記錄流過中性點的零序電流。

4) 套管：用于電阻器和隔離開關間隔連接，起到銅排的支撐和絕緣作用。

5) 風機：當電阻器運行時工作，起到輔助散熱的作用。

2 裝置設計

2.1 電阻器選材設計

本裝置的核心元件是接地電阻器。電阻器使用的電阻片采用優質的不銹鋼材料，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強度和機械特性，既保證了保護動作的靈敏性，同時在保護拒動的情況下可以使故障電流得到一定的限制。電阻器各電阻片間及電阻片與固定件間的絕緣件選用瓷質絕緣子，使得電阻具有很高的絕緣水平。

2.2 電阻器結構設計

目前市場上接地電阻器主要有S型和W型兩種。S型接地電阻器的電阻片之間首尾連接采用焊接的方式，其焊接處存在易氧化生銹，且當接地電阻器局部損壞時，拆卸更換不便；另外還有一種W型的電阻片，其通流截面小，導致同等功率下的電阻器溫升較高，容易燒壞電阻器，影響電阻器的正常工作。

本裝置的電阻器采用U型結構設計，如圖3所示。單個電阻片的截面是一體成型的帶翻邊的U型電阻片，解決了現有技術中通流截面積小易燒壞的問題；且電阻片的兩端均有連接通孔。相鄰的單個電阻片通過連接螺釘首尾連接，并相互平行排列，解決了現有的單個電阻片之間連接采用焊接方式造成易氧化和生銹的問題。該結構設計使電阻每個部位都有很高的強度，可以承受住擺動、振動、溫度變化而不會變形。

圖3 U型接地電阻片

同時，優化了電阻片的剪裁方式，利用柵格設計，使整個電阻具有寬闊的散熱面積，所有一次、二次元件全部隔離，二次元件布置在底部，沿地面走線，安全可靠。裝置具有良好的冷卻氣流通路，散熱效果良好，消除了局部高溫點和易灼燒點。抗氧化性強，熔點>1 450℃，該電阻還可以使用在熱帶及比較污穢的環境中。

2.3 電阻值設計

本文以某變電站發生過PT故障的10 kV配電系統為例進行仿真分析，模擬中性點經電阻接地系統發生單相接地故障時PT中沖擊電流的幅值，中性點接地電阻R分別取值為∞、1 000 Ω、800 Ω和600 Ω。

當R=∞時，即中性點不接時，PT中沖擊電流波形如圖4所示。電流幅值為1.85A，且經3.2s后才衰減至PT極限承受電流以內。

圖4 R=∞時PT電流波形

當R=1 000Ω時，PT中沖擊電流波形如圖5所示。電流幅值為0.66A，經0.4s即衰減至PT極限承受電流以內。

圖5 R=1 000 Ω時PT電流波形

從圖4和圖5對比可以看出，中性點經電阻接地后對PT中沖擊電流的抑制效果非常明顯。仿真得到了R取值為∞、1 000Ω、800Ω和600Ω下，PT沖擊電流與中性點接地電阻值的關系曲線，如圖6所示。

圖6 PT沖擊電流與接地電阻值關系曲線

根據規程要求，當中性點不接地系統發生單相接地時可不必立即停電，允許繼續運行2h，且建議加裝電阻器的長期運行額定電流不超過10A[9-10]。當電阻值變小時，流過電阻的電流增大，電阻的發熱會大大增加，因此需要綜合考慮選擇合適的接地電阻值，對于該仿真系統，選擇了800Ω的接地電阻值。

3 保護控制設計

為了提高本裝置的安全性，設計了接地電阻的保護控制回路，用于實時監控接地電阻的運行狀態以及配網系統的中性點電壓和接地電阻的運行溫度；自動保護控制回路的主要器件包括電壓繼電器、溫度控制器、時間繼電器、中間繼電器、交流接觸器、軸流風機等。保護控制回路如圖7所示。

圖7 保護控制邏輯

電壓互感器的二次信號接入的電壓繼電器，用于驅動保護回路動作。溫度控制器為兩組，具備兩組保護定值，一組用于驅動保護回路動作，一組用于輸出跳閘節點，作為接地電阻的后備保護。

KV為電壓繼電器，KC1、KC2為溫度控制器，K1為中間繼電器，KT1、KT2為時間繼電器，KM為交流接觸器，FJ為軸流風機。

設定電壓繼電器KV在15 V時啟動，溫度控制器KC1在50 ℃啟動；當KV的電壓超過15 V，或者KC1的溫度超過50 ℃時，KV、KC1的常開節點閉合；此時，中間繼電器K1為失電狀態，常閉觸點閉合，KV或KC1常開節點閉合后，交流接觸器KM得電，與KM的常開觸點形成自保持回路，并驅動軸流風機進行散熱。

保護電路啟動后，KM閉合，當電壓繼電器的電壓低于15 V，同時保護溫控器的溫度<50 ℃時，即KV、KC1的常閉觸點閉合，時間繼電器KT1得電。設定KT1的啟動時間為1 min，則1 min后，KT1閉合，中間繼電器K1得電，交流接觸器KM失電，關閉軸流散熱風機。

設定溫度控制器KC2為700 ℃時啟動，當KC2的溫度超過700 ℃時，KC2的常開接點閉合，時間繼電器KT2得電。設定KT2的啟動時間為10 s，則10 s后，KT2常開觸點閉合，保護系統跳閘，切除接地電阻設備。

4 結語

本文針對中性點經相控式消弧線圈接地的配網系統，設計了一種能抑制PT中沖擊電流的裝置，總結如下：

1) 經仿真分析，加裝該裝置后能有效抑制PT中沖擊電流的幅值，并且使沖擊電流能在短時間內衰減至PT極限電流值以內。

2) 設計了一種不銹鋼U型接地電阻，具有較好的力學性能、絕緣性能和散熱效果，避免了焊接處易氧化生銹和局部發熱的問題。

3) 設計了接地電阻的保護控制回路，用于實時監控接地電阻的運行狀態，可有效提高裝置運行的可靠性。

參考文獻:

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