變電站10kV母線電壓互感器熔斷器頻繁燒損研究及治理

李揚 王偉 張繁 張書輝

摘要：通過對往年多起的熔斷器熔斷事件的統計及分析，并利用ATP-EMTP電磁暫態仿真軟件模擬低頻振蕩，對熔斷器熔斷原理進行分析，尋找導致熔斷器頻繁熔斷的原因，并結合現場提出初步防范意見。

關鍵詞：10kVPT;熔斷器;ATP-EMTP仿真軟件;鐵磁諧振;低頻振蕩

引言

據不完全統計，近5年變電管理一所發生的10kV電磁式電壓互感器一次側熔斷器熔端現象多達60余次，且熔斷頻率有逐年增加的態勢。在10kV系統中，PT主要起到監測運行中的電源母線及高壓設備的運行情況，同時也為測量、保護和其它相關安自裝置提供所需的電壓量。故10kV母線PT熔斷器頻繁熔斷將對上述相應功能產生嚴重影響，甚至會導致某些保護、備自投的誤動作，對系統運行穩定性造成巨大危害。因此亟需對10kVPT熔斷器的頻繁熔斷進行研究，并制定行之有效的解決方案。

1 事件數據統計

在2014-2018年五年間，變電管理一所共發生66次PT一次熔斷器熔斷記錄，根據不同的系統中性點接地方式、熔斷器額定電流、外界因素的分類，我們可以得到以下統計數據。

至今為止，變電管理一所10kV系統的接地方式大部分已整改為小電阻接地，僅早期少部分變電站仍為消弧線圈接地方式，且整個深圳已無不接地的中性點運行方式。所以在絕大部分PT熔斷器熔斷事件中，系統的接地方式為中性點經小電阻接地。

目前各變電站所使用的10kVPT熔斷器型號多為XRNP1-0.5A，額定電流為0.5A，且發生熔斷的熔斷器大部分均為此額定電流的熔斷器。

在多數PT熔斷器熔斷事件中，往往存在外部故障、操作等因素的誘導，而這些因素中以線路故障為主要。

從以上的事件統計來看，10kVPT熔斷器熔斷事件通常發生在有外部故障、熔斷器額定電流較小、且其10kV系統接地方式為小電阻接地的情況下。所以在本文的分析中，著重針對該類型的系統及外部條件進行研究，并尋求降低PT熔斷器熔斷頻率的方法。

2 熔斷器解體

通常，熔斷器由瓷質外殼、金屬端蓋、石英砂填充物及熔體組成。其中，端蓋與PT一次導體直接接觸;瓷質外殼起到對熔體的保護及絕緣的作用;熔斷器內部填充滿小顆粒的石英砂，主要在熔體熔斷時起到加速冷卻、熄滅電弧的作用;而熔體一般為純銀或銅鍍銀材質，成螺旋狀，并均勻分布有2-3個冶金效應點，部分型號的熔斷器內有瓷質支柱，熔體固定于支柱上。

在已熔斷的熔斷器內，均可以發現燃弧后產生的金屬與石英砂混合物、冶金效應點全部或部分消失，且部分熔斷器內存在熔體銅綠嚴重及端蓋銹蝕的情況。

從熔斷器解體情況來看，熔斷器內部都發生了燃弧，而根據部分事件中PT二次電壓緩慢降低的現象判斷：熔體上長時間通過了低過載電流，使冶金效應點與熔體熔合，生成合金，因合金熔點較低，在過載電流的熱效應作用下逐漸熔斷拉弧。此外，部分熔斷器內熔體發生銹蝕也是熔斷器載流能力降低的原因之一。

3 原因分析

3.1 鐵磁諧振

在中性點經消弧線圈接地及經小電阻接地系統中，當線路發生雷擊、接地故障時，系統中性點電壓會有不同程度的抬升，從而會導致PT一次側電壓升高。由于PT勵磁鐵芯的非線性特性，一次電壓的升高將使鐵芯產生不同程度的飽和，此時若系統參數在H.A.Peterson諧振區域范圍范疇曲線內時，便會產生鐵磁諧振，導致PT一次側出現過電壓與過電流，進而使熔斷器熔斷。

類似的，分合開關、主變調檔帶來的操作過電壓也會使PT勵磁鐵芯發生飽和，引發鐵磁諧振。諧振區域與阻抗比有直接關系，（是線路對地容抗，是PT額定線電壓下的勵磁感抗），其中1/2分頻諧振區域的約為0.01～0.08;基頻諧振區域的約為0.08～0.8;高頻諧振區域的約為0.6～3.0，如果對地電容過大或過小就可脫離諧振區域即不發生諧振。

3.2低頻振蕩

線路發生接地故障時，不但可能會引起PT鐵磁諧振，同時在接地故障消失瞬間，正常相對地儲存的電荷將會從PT勵磁繞組釋放，產生振蕩電流。振蕩電流將使PT快速達到飽和，在一次側產生過電流，流過PT一次側的電流量如下：

其中，，，、分別為PT的損耗電阻和飽和電感;為每相對地電容，電容上電壓為，電弧熄滅時刻電壓為，等值零序回路電流為。

從上式可以看出振蕩頻率取決于對地電容和電感，振蕩時間取決于回路電阻的損耗，而振蕩電流的大小主要與對地電容相關，對地電容值越大，發生接地故障時累積的電荷就越多，在PT一次側流過的沖擊電流就越大，越容易使PT鐵芯發生飽和，使熔斷器熔斷。

同時，發生接地故障時，因為電弧熄滅時間有隨機性，故熄弧時刻電壓幅值不一定處于最大值。故并不是每次線路發生接地故障時都會產生低頻振蕩，而且低頻振蕩的沖擊電流也與PT鐵芯勵磁特性有關，鐵芯勵磁特性越差，鐵芯越容易發生飽和，低頻振蕩的沖擊電流就越大。

通過ATP-EMTP軟件對單相接地故障進行模擬仿真，用非線性電感與線性電阻電感的組合來模擬PT模型，其中非線性電感通過勵磁曲線通過等效擬合。并將線路電纜、架空線簡化為對地電容，負載簡化為電阻電感，可以得到10kV系統的簡化模型。

所以通過上述，在系統電容足夠大時，單相接地故障的消失會引發低頻振蕩，幅值與對地電容值有關。故在10kV出線電纜比例較高城市線路，對地電容相對架空出線要大很多，更容易發生低頻振蕩，進而使熔斷器熔斷。

3.3 其它原因

在PT熔斷器解體的過程中，可以注意到部分熔斷相熔斷器熔體銹蝕嚴重，出現了大量的銅綠，熔體變脆易斷，而對比正常相熔體則表面光澤，韌性良好。同時根據高壓熔斷器相關行業標準，對熔斷器有相應密封性要求。所以可以推測熔斷器密封性降低，內部熔體受潮導致載流能力下降，在通過低于額定值的電流時便發生熔斷。

4 結語

綜上，10kV電磁式電壓互感器熔斷器熔斷受多種因素影響：

1. PT的勵磁特性太差，三相PT勵磁曲線相差太多，都會導致PT鐵芯易飽和，產生鐵磁諧振，使熔斷器熔斷。
2. 系統對地電容較大，接地故障消失時電荷的重新分配可能會產生低頻振蕩，振蕩沖擊電流過大使熔斷器熔斷。
3. 熔斷器本身質量問題，密封性不良使熔斷器內部受潮，熔體載流能力達不到原本額定要求，在正常電流波動時便發生熔斷。

結合熔斷器熔斷的各種原因，為防止熔斷器頻繁熔斷，本文建議選取勵磁特性較好的PT，同時要盡量減少同組PT相間特性的偏差;提高熔斷器的額定電流，減少熔斷概率并且不失去對PT的保護作用;使用正溫度系數的一次消諧裝置，可有效限制鐵磁諧振的發生;嚴格把關熔斷器的入網檢查，保證熔斷器質量過關。

參考文獻：

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[3]?胡強.PT熔斷器故障原因挖掘及治理方法分析，電測與儀表，2011，11：58-62.

[4]?賈緒君.電壓互感器（PT）熔斷器熔斷現象及分析，酒鋼科技，2005，3：41-44.

作者簡介：

李揚，西安交通大學本科生，2016年入職，深圳供電局有限公司檢修部檢修四班班員。

王偉，湖南大學本科，2012年入職，變電管理一所檢修四班班長。