小電流接地系統壓變熔絲熔斷導致的電壓異常研究

邱治淳，陳嘉敏，馬 濤，徐 航

(國網杭州供電公司，浙江 杭州 310000)

在10 kV中性點不接地系統中，為了防止單相接地、故障恢復、合空母線等情況下，電壓互感器與線路對地電容之間形成的諧振回路發生鐵磁諧振，通常采用在星形連接的三相壓變中性點與地之間加裝零序壓變的方法，簡稱四壓變接線。在熔絲熔斷等情況下，與三壓變接線相比，四壓變接線的電壓異常事故分析難度較高，容易出現誤判。

對一起10 kV母線壓變兩相熔絲熔斷引發的電壓異常事故進行了計算分析，通過對比事故計算結果與已有研究成果之間的差異，發現了熔絲熔斷時三相壓變輔助繞組連接方式對壓變電壓的影響。為此，進行了深入的理論分析，并結合實物試驗驗證。最后，根據理論分析及試驗結果，總結了四壓變接線在熔絲熔斷時的電壓數值及波形特征。

1 故障概況

杭州某110 kV變電站共有2條10 kV母線，分別由1號、2號主變的低壓側供電。在10 kVⅡ段母線檢修工作完成，送電合空母線時，主站后臺顯示10 kVⅡ段母線電壓異常，二次側零序電壓為90 V，站內錄波器記錄的電壓異常波形如圖1所示，B、C兩相電壓略微滯后于A相電壓，母線電壓幅值為：UA=5.81 kV，UB=5.02 kV，UC=5.04 kV，3U0=9.02 kV。

圖1 10 kVⅡ段母線異常電壓波形Fig.1 Waveform of abnormal voltage of 10 kV section Ⅱ bus

現場測量的壓變二次計量空開上樁頭的電壓值見表1。停電檢查時發現，B、C相壓變一次熔絲熔斷。更換熔絲后，后臺顯示10 kVⅡ段母線電壓恢復正常，零序電壓為零，定性為一起由于兩相壓變熔絲熔斷引發的二次電壓指示異常事故。

表1 實測壓變二次空開電壓Tab.1 Measured voltage of secondary air switch of potential transformer

2 故障原因分析

壓變一次側與二次側接線如圖2所示，計量二次繞組接線方式與一次側相同，零序電壓由零序壓變的零序繞組(圖2中的1YHL繞組)提供，三相壓變的輔助繞組(圖2中的1YHa、1YHb、1YHc繞組)首尾相連，形成閉合回路并一端接地。

圖2 10 kV母線壓變一次和二次接線Fig.2 Primary and secondary wiring diagram of 10 kV bus potential transformer

2.1 故障電壓計算

已有多篇文獻對壓變一次熔絲熔斷時的電壓分布進行了理論計算。但這些研究都以熔絲熔斷后各壓變阻抗不變作為分析電壓變化的前提，因此在兩相熔斷時，認為非熔斷相壓變和零序壓變對半分壓，得到非熔斷相電壓指示不變、熔斷相電壓和零序TV電壓指示值均為額定值一半的結果，其相量圖如圖3所示。這些研究的結論顯然與此次電壓顯示異常事故的一次、二次電壓實際值不符。

圖3 已有研究對兩相熔絲熔斷的相量分析Fig.3 Phase analysis of two-phase fuses broken in previous studies

為了更好地分析兩相熔絲熔斷時電壓的實際變化情況，根據現場實測二次電壓幅值，對4只壓變上的電壓幅值與相角進行計算。

圖4 實際情況下兩相熔絲熔斷后壓變相量Fig.4 Phase diagram of potential transformer after two-phase fuses broken under actual conditions

為方便計算，B、C兩相相間電壓忽略不計，ab、ac二次相間電壓均取23 V，首先計算計量二次繞組上的電壓，可列如下方程：

cos∠ANB

cos∠ANL

cos∠BNL

將數據代入表1進行計算，B、C相熔絲熔斷時各電壓幅值與相角計算結果見表2。

表2 B、C相熔絲熔斷時各電壓幅值與相角Tab.2 Voltage amplitude and phase angle when the fuses of B-phase and C-phase PT are blown

由表2可知，A相電壓超前零序電壓15.4°，超前B、C相電壓23.7°。該結果與圖1波形圖一致，將二次側電壓折算到一次側，幅值也與實際情況相符。

2.2 電壓異常分析

將表2的計算結果與圖3進行對比，可以發現實際的熔絲熔斷事故與已有研究的理論分析相比，有3處明顯不同：①A相壓變和零序壓變的實際分壓情況和傳統模型中存在較大差異；②B、C相壓變的單相電壓實際情況和傳統模型不同；③A相電壓和零序電壓之間存在相角差，不同于傳統模型的同相位。

在傳統模型中，4只壓變均作為空載的變壓器，可以等效成如圖5(a)所示的電路，此時可將空載變壓器簡化成一個電感分量較大的阻抗。根據實際二次接線，三相壓變輔助繞組首尾相連形成閉環，一旦產生環流，未熔斷相壓變就不能作為空載變壓器來處理，而是要等效成帶負載變壓器，其等效電路圖如圖5(b)所示，此時壓變等效阻抗相比空載時有所減小，且阻抗性質發生變化。在本次事故中，零序壓變可用圖5(a)等效，A相壓變可用圖5(b)等效，這也是兩者分壓和相角差異的原因。

圖5 B、C相熔斷時各壓變等效電路Fig.5 Equivalent circuit of PT when the fuses of B-phase and C-phase PT are blown

綜合以上分析，輔助繞組環流對熔絲未熔斷相壓變的阻抗值存在一定的影響，進而影響其與零序壓變的分壓比、相角差。以往對于壓變熔絲熔斷對電壓顯示影響的研究中并未考慮到環流的影響，存在一定局限性，不能有效地指導電壓異常時的故障類型判斷。

3 熔絲熔斷時輔助繞組對電壓顯示影響試驗驗證

3.1 試驗方法與條件

為了進一步驗證前文分析的內容，并提出壓變熔絲熔斷的電壓判斷方法，根據圖2接線方式搭設了四壓變試驗平臺如圖6所示，依次模擬單相熔絲熔斷和兩相熔絲熔斷的情況，并分別在三相壓變輔助繞組回路閉合和打開的條件下測量壓變各繞組電壓，觀察未熔斷相電壓和與零序壓變電壓幅值之比的變化。

圖6 四壓變試驗平臺Fig.6 Experimental platform of 4PT connection mode

三相壓變使用了大連第一互感器廠生產的JDZX10-10CIG型電壓互感器，零序壓變為同廠生產的JDZX10-10N型電壓互感器，變比與現場用壓變相同。一次側電壓使用分壓器測量，二次側電壓使用萬用表測量。

3.2 試驗結果與分析

3.2.1 單相熔絲熔斷(以C相熔斷為例)

表3 C相熔絲熔斷時一次電壓幅值Tab.3 Primary voltage amplitude when the fuse of C-phase PT is blown

圖7 不同條件下C相熔絲熔斷相量Fig.7 Phase diagram when the fuse of C-phase PT is blown under different conditions

輔助繞組閉合時，測得回路中環流幅值為41 mA，此時A、B相壓變二次側帶負載，其電壓和與零序電壓相比較小。隨著輔助繞組打開，所有壓變均處于空載狀態，A、B相分壓顯著增大。

3.2.2 兩相熔絲熔斷(以B、C相熔斷為例)

兩相熔絲熔斷試驗的結果見表4，相量圖如圖8所示。在兩相熔絲熔斷試驗中，由于試驗壓變與現場壓變參數不完全相同，導致圖8(a)和圖4的相量圖在電壓幅值、角度上有一定差異，但試驗中未熔斷相壓變與零序壓變分壓比和輔助繞組開閉之間的關系再次印證了前文對電壓異常現象的分析。

表4 B、C相熔絲熔斷時一次電壓幅值Tab.4 Primary voltage amplitude when the fuses of B-phase and C-phase PT are blown

圖8 不同條件下B、C相熔絲熔斷相量Fig.8 Phase diagram when the fuses of B-phase and C-phase PT are blown under different conditions

3.3 壓變熔絲熔斷的電壓判斷方法

結合事故電壓波形與試驗結果分析，可以總結在四壓變正確接線下，單相熔絲熔斷和兩相熔絲熔斷時的母線電壓幅值與波形特征。

(1)兩相熔絲熔斷。母線電壓一相正常，兩相下降且數值較為接近，零序電壓較大。此時在錄波器上各相電壓相位關系應該為正常相電壓超前零序電壓，零序電壓超前另兩相電壓。

(2)單相熔絲熔斷。母線電壓兩相正常，一相下降，零序電壓較大。此時在錄波器上，兩正常相相角差120°，另一相與零序電壓相位位于兩正常相之間。

4 結論

通過對一起壓變熔絲熔斷導致電壓異常事故的分析，建立了考慮輔助繞組環流影響的四壓變分析模型，對傳統分析方法進行了完善，明確了環流的存在會減小未熔斷相壓變的阻抗值，進而影響其與零序壓變的分壓比、相角差，產生電壓顯示上的差異。通過試驗驗證了這一規律，并結合現場事故與實物試驗的結果，總結了單相熔絲熔斷、兩相熔絲熔斷時母線電壓幅值和波形的特征，有助于小電流接地系統母線電壓異常的事故判斷和應急處置。