配电网单相接地故障引发电压互感器保险熔断的暂态分析.pdfVIP

2 0 0 6年 8月 第 3 4卷 第 4期 ( 总第 1 8 5期) 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r Aug 2 0 06 Vo I 3 4 No 4 ( S e r No 1 8 5 ) 配 电网单相接地故障引发 电压互感器 保险熔断的暂态分析 Tr a n s i e nt An a l y s i s f o r Fu s e M e l t i ng o f El e c t r oma g ne t i c TV d ue t o Si n g l e - p ha s e - t o e a r t h Fa ul t 曲轶 龙 ， 王 强 ， 董 力通 ， 张 健 ( 1 华北电力大学， 北京 1 0 2 2 0 6 ； 2 中工国际工程股份有限公司， 北京 1 0 0 0 2 0 ) 摘 要 ： 由于单相接 地故障所 引发的 电压 互感器 T V 保险熔 断问题在 中压配 电网 中性 点不 接地 系统 中经常 发生 ， 利 用注入 虚拟补偿 电量 法对其 进行 数值暂 态分 析 ， 通过建 立单 相故 障时的 等效 电路 ， 分析 TV 的电磁 特性 ， 推导 TV 电流的暂态方 程 ， 指 出影响保 险熔 断的主要 因素是线路 长度和故障切 除角度 ， 并利用 Ma t l a b及 1 0 k V 高压 物 理试验给予验证 。 关键词 ： 保 险熔断 ； 中性 点不接地系统 ； 电磁式 电压互感 器 ； 暂态分 析 Ab s t r a c t ： I n n e u t r a l u n g r o u n d e d s y s t e m t h e me l t i n g f u s e t a k e s p l a c e f r e q u e n t l y d u e t o s i n g l e p h a s e t o e a r t h f a u l t Th i s p a p e r f o c u s e s o n t h e t r a n s i e n t a n a l y s i s o f t h e a b o v e o v e r - c u r r e n t p h e n o me n o n b y u s i n g me t h o d o f i n j e c t i o n d u mmy c o mp e n s a t i o n v a r i a b l e ( M I V ) B a s e o n t h e e q u i v a l e n t c i r c u i t a n d t h e e l e c t r o ma g n e t i c c h a r a c t e r o f TV ，we d ed uc e t he t r a ns i e nt e qua t i on o f TV c ur r en t a nd f i nd o ut t he e s s e nc e r e a s o n of me l t i n g f us e mai nl y c aus e d by t he l e n g t h o f l i n e s a n d t h e d i f f e r e n t f a u l t c u t o f f a n g l e W i t h c o mp u t e r s i mu l a t i o n ( M ATLAB)a n d e x p e r i me n t a l s t u d y i n t h e l a b o r a t o r y ( t h e 1 0 k V h i g h v o l t a g e p h y s i c a l s i mu l a t i n g s y s t e m ) ， i t v e r i f i e d t h e p r e c i s i o n o f t h e a n a l y s i s r e s u l t i n t hi s p ap e r Ke y wor ds： f us e me l t i n g；n e ut r a l un gr oun de d s y s t e m ；e l e c t r oma gn e t i c TV ；t r an s i en t a n al ys i s 中图分类号 ： TM7 l 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 9 5 3 0 6 ( 2 0 0 6 ) 0 4 0 0 0 8 0 5 在 1 0 、 3 5 k V 中性点不接地配 电网中， 母线 上 安装 的电磁式电压互感器 TV通常是 Y。 Y。 开 口 三角接线。由于系统单相接地故障所引发的熔丝熔 断问题时有发生 ， 严重时甚至烧毁 T V“ 。对其机 理 的研究将有助于我们采取 有效 的措施 给予抑制 。 我国从 2 0世纪 6 0年代就开始研究其机理和限制措 施 ， 并取得 了一定的经验 。经现场实 际调查 发 现 ， 绝大多数的熔 断保险现象都是 发生在 电力线路 单相瞬间接地故障消失之后“ 。 本文在前人研究 的基础上， 针对 由于单相接地 故障所引发的 TV高 压保 险熔 断的现象 ， 利用 注入 虚拟 补偿 电量 的方 法 进行分析 ， 指出影响保险熔断的几个主要 因素 ， 并通过仿真及实验结果给予验证。 1 TV 保险熔断原 因的理论分析 由于 1 0 、 3 5 k V 系统 中性点不接地 ， Y。 接线 的 电磁式 TV 的高压绕组 ， 就成为系统三相对地的唯 一 金属通道 。系统发生单相接地故障可分为 2个阶 段 ： 一是接地时 ， 二是接地消失时 。 为分析简便 ， 以单 相金属性接地故障为例 ， 故 障时的电流分布如图 1 所 示 ， 其 中 层 U 、 层 v 、 层 w为 三 相 平 衡 电压 源 ； C 。 为 各 条线路对地零序等值 电容 ； L。 、 L 、 L 。 为各相 TV等 值 电抗 。当系 统 发生 W 相 金属 性接 地 时 ， 未 接 地相 ( U、 V) 的电压升高到线 电压 ， 其对地电容 C 。 将充与 线电压相应的电荷。 在接地故障期间 ， 此部分充 电电 荷所产生 的电容电流 ， 通过接地点在 电源一导线一 大地 间流通 。 由于 TV 的励磁阻抗很大， 这时流过其 中的 电流很 小 。 一 旦接地故障消失， 非故 障相均力图由线 电压 瞬间恢复至正常相 电压水平， 但 由于故障消除 ， 把导 线 电荷从接地点通往大地 的电流通路切 断， 致使非 收稿 日期 ： 2 0 0 6 0 5 2 5 作者简介 ： 曲轶龙 ( 1 9 7 9 一) ， 男， 博士研 究生 ， 研 究方向为 中压 电网运行 与控制 。 8 维普资讯 2 0 0 6年 8月 第 3 4卷 第 4期( 总第 1 8 5 期) 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c Po we r Aug 2 00 6 Vo 1 3 4 No 4 ( S e r No 1 8 5 ) W 图 1 3 TV接 法 时 的 电 网 单 相 接 地 电流 分 布 故障相在接地期间充以线电压下的 自由电荷必须另 寻出路泄 回大地 。这时只有通过 TV一次绕组接地 的 中性 点 泄 人 大 地 ， 而 T V 的 一 次绕 组 是 非 线 性 电 感元件 ， 它将与线路对地电容形成振荡 电路 ， 并且此 回路中的电阻相对 比较小 ， 这就决定 了 自由电荷的 对地泄放过程将是一个非周期振荡 的衰减过程 ， 并 且 不会 迅速 衰减 。 由此泄放过程所引起的暂态涌流有可能反复导 致 T V 铁 心 饱 和 。具有 过饱 和铁 心 的 TV， 在工 频 电 源电压 的作用下会反复 出现过电流 ， 如此往复 ， 将造 成 T V一次保险熔断。 实际上 ， 由于接地 电弧熄灭时 刻的随机性 ， 并不是每次单相接地故障消失时， 都会 在 T V 高压绕组 中产生大的冲击 电流 ， 而且低频饱 和 电流 的大小 ， 还与 TV伏 安 特性 有很 大关 系 。TV 铁心越容易饱 和， 该饱和 电流就越大 ， 高压熔丝就越 易熔 断 。 2 基 于注入虚拟补偿 电量 法 的数值分 析 2 1 注入 虚拟 补 偿 电量法 注入虚拟补偿 电量的计算方法主要思 路是 ： 对 于一个给定电路 ， 开关 的通断操作认为是 由 2个等 效电过程叠加而成的通断操作前 电路 中的稳态 电过程与由于通断操作所引起 的暂态电过程 。并且 开关 的通断操作过程 中， 接通时电路会有 回路 电流 出现， 分断时断 口两端会有端 电压 出现。 利用叠加原 理 ， 该 原理 的表 达式 为 ： i i 0 + l U 。 一U 。 o + U 。 l ( 1 ) 其 中： i 。 、 U s 0 为通断操作前的 回路 电流与 电压 ； i 。 、 U 。 。 为通断过程 引起 的暂态电流和暂态电压 ； i ， U 。 为通 断过程的合成电流与合成电压。 2 2 基于虚拟补偿 电量法的暂态数值分析 为此 ， 我们将 3 TV接法时的单相接地故障等效 电路 ( 见图 1 ) 看作是 电路 I( 见图 2 a ) 与 电路 ( 见 图 2 b ) 的叠加。 其 中： 电路 I 相当于接地短路还在持 续 的工作状态 ， 即单相接地故障的稳态等效 电路， L 为 T V 高压绕组 的等效电抗 ， c为各条 线路对地零 序等值 电容 ， ， 为接地点等效接地 电流 ； 电路 则 相当于接地故障消除后的等效电路 ， 由虚拟补偿 电 量法可知 ， 接地故障的消除就相当在接地点又并接 一 个 与 原 电流 I j o 方 向相 反 的电 流源 ， a 。 a 单项接地 故障等效稳 态电路 I b 单项接地故障消除后等效暂态电路 图 2单 相 接 地 故 障 等 效 电 路 由图 2 a设 U相金属接地 ， 忽略相 间电容影响， 则可得接地电容电流 ， a 。 为 ， d0 一 ( + 南 ) 一 ( ccIC 。 一 1 m L 0 ) 3 j E 由电源 E 的瞬时值 e 一E s i n ( f + 有 ： l a o 一 ( c c ICo + 1 m Lo )3 j E s i n ( ro t + 一 I s i n ( ro t + 升9 0 。 ) ( 2 ) 其 中： I =( c c I C 。 一1 m L 。 ) 3 E 利用注入虚拟 的补偿 电量的计算方法 ， 将式 ( 2 ) 进行拉普拉斯变换有 ： d 0 ( t ) 一 m s i n( rot +升9 0 。 ) 一L m e j 埘 + 升。 一 L I m e 即 ( s ) 一I m e ( 3 ) 同理由图 3可得到阻抗的拉普拉斯变换 函数 ： 9 维普资讯 2 0 0 6年 8月 第 3 4卷 第 4期 ( 总第 1 8 5 期 ) 吉 林 电 力 J i l i n E l e c t r i c P o we r Aug 2 0 06 Vo 1 3 4 No 4 ( S e r No1 8 5) L， 3 - l 3 c l I s Lo L 甄 3 3sC o一 1 毫 3 。 3sC o 。 L 0C 0 则 TV高压绕组两端 出现的暂态电压为 ： j i L m 。 e W S ( 5 ) 将式 ( 5 ) 拉普拉斯反变换有 ： ( f ) 一 E s i n( f + + E z m c ( 一 ) 1 一 一 ( + c o )sin ( 1 。c。 + 由 并 联电 路的自 由 振荡 角频 率为 一 1 L 。 c 。 对 式 ( 6 ) 进 一步 化简 可得 ： ( f )一 E s i n( f + 一 E C OS s i n mt - E s i n c 。s f ( 7) 考虑 回路阻尼的存在 ， 加入衰减 系数 ， 则 ： ( f )一 E s i n( o t + 一 E e一 ( c os s i n f + s i n c 。 s Gt ) = E s i n( o J t + o ) - En l C O S s i n e - as i n ( 件 ) ( 8 ) 其中： =a r c c o s = C O S 2 s in 由等式 ( 8 ) 可见 ， 其 中第 1项为 电压 的强制分 量 ， 不 衰减 ， 而 后 一项 则为 电 压 的 自由分量 ， 是振 荡 衰减 的 ， 并且 其 幅值是 初相 角 的 函数 ， 通 常系统 的 远 远小 于 。在此条 件 下 ， ( f ) 最 大值 发生 在 9 9 = 0 。 ， 而 最小 值发 生在 9 0 。 。同样 由式 ( 2 ) 可知 ， 一 0 。 ， 1 8 0 。 时 正是 接地 电流 J a 。 上升 至最 大 幅值 时 ， 所 以 在接地 电流最大时熄弧， 将会引起最大幅值的电压 自由振荡 分量 产生 。 由于在高压绕组中出现频率为 的电压 自由振 荡分量， 则在铁心中同样会有相同频率 的 自由振荡 磁通， 绕组中就会出现相应的 自由振荡磁链 。由磁 链关 系 ( ) =d d t 可 得 ： 广 _ 一 声 一 j d f 一 一 j E C O S + O9“2 s i e - & T 1 。 。 i n( + 一 竺 ： ： ! 一m + s i n( Gt+ + 口) ( 9) 由式 ( 9 ) 可 知其 幅值 与初相 角 及 均 有 关 系 。馈 线越 长 ， 对 应 的 越 大 ， 自由振 荡 频 率 越 小 ， 但 对应 的 I I 越 大 。 在此 振 荡磁通 的作 用下 ， 互 感 器铁心将每半个周期 出现一次饱和， 每次饱和相应 的对 应一 次 频 的冲击 电流 。 同理 可知 ， 当馈 线长 度 小的时候， 同样也会有 自由振荡 电压及 自由振荡磁 链 ， 但 由于 C 。 很 小 ， 并且相 应 的 要高 的 多 ， 同 时 自 由振 荡 磁链 及 电压 也 要 小得 多 ， 以致 不 能 导 致 TV 铁 心 出现 饱和 现 象 ， 并且 产生 的 冲击 电流 也要 小 得 多 ， 不会 导致 保 险熔 断 。 3 基 于 Ma t l a b仿真及现场实验结果验证 依据上述 的理论推导 ， 可见 由单相故障导致 的 T V保 险熔断的主要影响因素是系统的对地零序 电 容 c 。 及接地故障消失时刻的初始角 在 Ma t l a b中， 本文利用 S i ml i n k中的饱和变压 器模 型及实际高压条件下测试所 得的互感器 【 曲线 ， 通 过开 关 对 接地 时刻 的控制 来 进行 1 0 k V 配 电网 的仿真 。选用 J DZ J 一 1 0型 电压 互 感器 ， 1 0 k V线 路 零 序 电容 电 流 的参 数： C一 5 91 0 L 3 F ( 3 0 k m馈 线 对 应 1 A) ， 图 4为 分 别 模 拟 3 k m、 7 5 k m和 1 2 0 k m 下故障消除后 TV 高压绕组 冲击 电流的仿真波形 。 从图 4可 以看出， 随着线路长度 的加长 ， 单相接 地故障消除后在 TV高压绕组中的冲击电流也相继 增 大 ， 范 围从 0 3 1 8 A， 并 且 冲击 电流 是 以一 定 的频 率 出现 的 ， 这 与前 面理论 分析 结果基 本 吻合 ， 即 每个半个周期有 1 次 由于 自由振荡磁链所导致 TV 饱 和 带来 的 冲击 电流 。 利 用 泰 克 示 波 器 ， 在 5 0 k Hz采 样 频 率 下 ， 1 0 k V物 理 实验 平 台下 模 拟 2 2 5 k m 及 1 4 8 8 O k m 长线路下接地故障消除后 的 T V 高压绕组的冲击电 流波形( 见图 5 ) ， 与仿真的结果基本类似 ， 但相对冲 击电流的幅值要低得多 。这是由于仿真模型过于理 想， 而实际中的干扰 因素很多 ， 带来一定的误差。 由于在 1 0 k V 物理实验 系统下实现对精确 故 维普资讯 2 0 0 6年 8月 第 3 4卷 第 4期 ( 总第 1 8 5期 ) 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r Au g 20 06 Vo 1 3 4 No 4 ( S e r No 1 8 5 ) ( ) _4 0 3 0 , 2 ( ) I 0 一 ( ) I 一 0 2 0 3 I - 5 1 0 0 5 0 一( ) 5 一 1 0 一 I 5 0 2 0 3 ( ) 4 0 5 ( ) 6 t s a 3 k m线路 0 2 ( ) 5 2 0 1 5 l( J ( ) 5 ( ) - 05 一1 0 1 5 - 2 0 - 2 5 b ( ) 8 t | s 7 5 k m 线路 0 2 0 3 04 05 0 6 0 7 0 8 0 9 t s c I 2 0 k m 线路 圈 4 模 拟不同长度线路故 障消除后 TV 高压 绕组 冲击 电流的仿真波形 I 0 0 5 0 - 0 5 一 1 () 一 1 5 ( ) 0 5 - 0 5 1 ( ) 0 2 0 00 40 00 6 X)8 X )1 00 0 0 t s a 2 2 5k m 线 路 0 2( X X )4 ( X X )6 0 0 0 8 0 0 0 1 00 0 0 t 3 b 1 4 8 8 0k m 线 路 圈 5 模 拟不 同长 度线路接地故障消 除后 的 T V高压绕组冲击 电流 波形 障切除角的控制非常困难 ， 这里只在 Ma t l a b下通过 设置开关断开时间来设置相应的接地切 除角 ， 图 6 仿真结果显示的是 7 5 k m下 的不同切除角下的 TV 高压绕组中的冲击 电流， 与理论分析的结果基本吻 合 ， 冲击 电流最大值发生在 一0 。 ， 而最小值 发生在 = 9 0 。 。 l _5 1 0 ( ) 5 0 05 一 1 0 - I 5 ： I f - ： ： 0 2 0 5 ( ) 8 t s a 西= O。 l 5 1 0 05 0 0 5 - 1 0 一 I 5 0 2 O 5 ( ) 8 f s b 击=6 0。 ( ) 5 0 - 05 一 1 0 0 2 0 4 I