（电气工程专业论文）电压互感器高压保险熔断原因分析及治理措施.pdf

摘要 电力系统运行和实验表明，中压配电网中性点不接地系统中，由电压互感器 引起的相关问题主要有两个，一个是铁磁谐振，另一个是高压电压互感器高压保 险熔断。这些问题的存在对于电力系统安全、稳定、可靠的运行也是十分不利的。 在大庆油田3 5 千伏电网中，用于保护电压互感器的高压熔断器经常由于谐振过电 流、单相接地等原因发生熔丝熔断，严重时甚至发生电压互感器爆炸事故。论文 通过对电压互感器一次保险熔断的理论分析，提出了能够抑制铁磁谐振等原因引 起的电压互感器一次保险熔断的方案，并通过数字仿真和现场安装试验等证明了 所提方案的有效性。论文提出的方案已在投入运行，现场运行表明，所提方案对 于铁磁谐振引起的电压互感器一次保险熔断的抑制作用明显。 关键词：电压互感器，铁磁谐振，高压保险熔断 a b s t r a c t p o w e rs y s t e mo p e r a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o ns h o wt h a t ，i nan o n - g r o u n d e d d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，t w om a i np r o b l e m sa r ei nr e l m i o nt ov o l t a g et r a n s f o r m e r ( p t ) ， o n ei sf e r o r e s o n a n c ea n dt h eo t h e ri sb l o w i n g o u to fh i g h - v o l t a g ep tf u s e s s u c h p r o b l e m sh a v en e g a t i v ee f f e c t sa n dh a m p e rt h es y s t e mf r o ma c h i e v i n gas e c u r e ，s t a b l e a n ds t e a d yo p e r a t i o n i nt h e35 k vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，h i g hv o l t a g ef u s e sw h i c h p r o t e c tp o t e n t i a lt r a n s f o r m e r so f t e nb r e a kb e c a u s eo fs i n g l e - p h a s ee a r t hf a u l t s ，e v e n t h ep o t e n t i a lt r a n s f o r m e rm a yb ed e s t r o y e d b yt h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h ec a u s eo f t h e s ep r o b l e m s ，t h ep r o j e c tt h a tc a ns u p p r e s sb o t hf e r o r e s o n a n c ea n dp tf u s e b l o w i n g - o u ti sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h e o r e t i c a la r i t h m e t i c ，d i g i t a ls i m u l a t i o na n d t e s t so nt h ep h y s i c a lh i g h v o l t a g em o d e lc e r t i f i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h e s ep r o j e c t s t h e p r o j e c tp r o p o s e di n t h i sp a p e rh a sb e e na d o p t e db yg o n g d i a ne l e c t r i cs y s t e mi n d a q i n g o p e r a t i o ns h o w st h a tt h ep r o p o s e dp r o j e c tc a ns u p p r e s st h eb l o w i n g o u to f t h ep tf u s eo b v i o u s l y k e y w o r d s ：v o l t a g et r a n s f o r m e r ，f e r o r e s o n a n c e ，b l o w i n g - o u to fh i g h v o l t a g e f u s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨叠盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签各躲饲1 ( 签字日飙彳年铲日 学位论文版权使用授权书 j 本学位论文作者完全了解。垂盗盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的垒都或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁聋。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说胡) 学位论文作者签名：够向挈l 签字i 磺：= 矽7 年f 月 锄憾_ 吖弋k 签字i ! 馥t7 ：加s 年9 月弓1 日 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 大庆油田3 5 k v 电力系统分布面广，在整个油田电网中具有非常重要的地位。 为了监视每相对地的绝缘情况以及用于测量、计量、保护等，母线上一般装设有 电压互感器( p t ) ，以便为上一级变压器的后备保护、3 5 k v 线路保护及测量、计 量提供电压量，因此p t 是电力系统中供测量和保护用的重要设备。高压熔断器具 有结构简单，易于检修维护，在p t 的自身保护中大量使用。在中性点不接地系统 中，当系统的电容电流较大时，在单相接地恢复的瞬间，容易发生p 1 r 一次高压熔 断器熔断事故，这样就会影响电费的计量，造成很大的损失，严重时甚至烧毁p t n 卫3 。另外，高压熔断器本身的熔断也是一种损失，更换也比较麻烦。还有，当 p t 一次侧高压熔断器熔断时，可引起系统虚假接地，开口三角电压升高，引起继 电器误动作，容易造成工作人员的误判，将其当成系统接地，而花费很多时间还 找不到接地点。这些情况对于电力系统安全、稳定、可靠的运行都是十分不利的。 因此，为保证电力系统的正常运行，电磁式p t 高压熔断器熔断的研究就显得非常 重要副。 1 2 国内外研究现状 在l o k v 、3 5 k v 中性点不接地配电网中，母线上安装的电磁式p t 通常是y 。y o 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 甚至烧毁电磁式p t 口1 。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n 一1 。 多年来，国内外有不少人对该问题进行了研究，我国从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，但总体效果不理想。研究发现，电力系 统产生的过电流是导致p t 高压熔断器熔断的直接原因，当电力系统发生铁磁谐振 时所引起的过电流能够造成p t 熔断高压熔断器，但电力系统的铁磁谐振并不是p t 高压熔断器熔断的唯一原因。现在，虽然有人对电压互感次侧熔断高压熔断器 的原因有所了解，但由于对其研究只停留在表面上，很少有人能提出有效的防治 方法，多数情况下是一种“浅尝辄止”的试探。 第一章绪论 目前，常用的更换p t 高压熔断器的方法虽是一时之计，但这除了麻烦外，对 防止p t 一次侧熔断高压熔断器不起根本作用。另外，有的地方采用增大高压熔断 器容量的做法，这在一定程度上不但降低q p t 高压熔断器熔断的几率，而且它对 p t 的保护作用降低了，给电力系统运行的可靠性、安全性带来一定的影响。所以， 寻找针对该问题，寻找一种理想解决办法是一条必走之路口3 。 1 3 本文所做工作 针对电磁式p t 一次侧熔断高压熔断器问题研究目前不理想的现状，结合大庆 油田3 5 千伏电网p t 一次侧熔断高压熔断器问题，本文拟对该问题进行详细的理论 分析，努力寻找问题的关键所在，要找出病源，对症下药，试图得出一种理想的 解决方式，有针对性的提出一些解决办法。本文的主要工作如下： l 、对p t 铁磁谐振的特征及产生机理进行理论分析。对高压熔断器熔断现象 的产生进行理论分析，揭示了p t 高压熔断器熔断现象产生的真正原因。 2 、利用a t p 仿真软件对高压熔断器熔断现象进行了数值仿真计算。在理论分 析和仿真研究的基础之上，提出了解决问题的方法。 3 、结合现场实际情况，分析p t 相关问题。根据大庆油田电力集团供电公司 的具体情况，分析p t 保险熔断的相关问题，并提出初步抑制措施设想，并安装试 验，检验其对油田电网发生的谐振过电压和p t 保险熔断问题能否起到抑制作用。 2 第二章p t 次保险熔断原因分析 第二章p t 一次保险熔断原因分析 电力系统运行和实验表明，由于中性点接地方式的不同，当电力系统发生单 相接地等故障时处理的方式也不同，对电力系统的安全运行影响差别很大。在中 性点不接地电网中，会发生由p t 引起的铁磁谐振现象。在不同的参数配合下，可 产生三次谐波谐振、基波谐振、1 2 分频谐振。谐振时产生的过电压或过电流， 严重影响系统的安全、稳定运行。本文利用图解法从电路原理上分析铁磁谐振产 生的原因及其特征。 2 1 中性点非有效接地系统的特点 电力系统中性点是指接入系统的星型连接的变压器或发电机绕组的中性点。 它的接地方式是一个涉及到短路电流大小、绝缘水平、供电可靠性、接地保护方 式、对通信的干扰和系统接线方式等很多方面的问题。电力系统中性点接地是人 们防止电力系统事故的一项重要应用技术，具有理论研究与实践经验密切结合的 特点，因而是电力系统实现安全和经济运行的技术基础。 2 1 1 中性点直接接地 这种系统中一相接地时，出现了除中性点外的另一个接地点，构成了短路回 路，接地相电流很大，为了防止损坏设备，必须迅速切除接地相甚至三相，因而 其供电可靠性低。但由于故障时不会发生非接地相对地电压升高的问题，对于系 统的绝缘性能要求也相应降低。在电压等级较高的系统中，绝缘费用在设备总价 格中占相当大比重，降低绝缘水平带来的经济效益很显著，所以一般采用中性点 直接接地方式，而以其它措施提高供电可靠性。 2 1 2 中性点不接地 这是最简单的电网接地方式。在这样的系统中，某一电压等级的变压器星型 绕组中性点悬空，与大地完全没有电气连接。因此，当系统发生单相短路接地时， 故障点不会产生大的短路电流，允许系统短时间带故障运行。这对于减少用户停 电时间，提高供电可靠性是非常有意义的啕。 3 第二章p t 一次保险熔断原因分析 但是，另一方面，当系统带故障运行时，非故障相对地电压将上升很高，在 金属性接地情况下可能达到1 7 倍额定相电压，这容易引发各种过电压，危及系 统绝缘，发生相间击穿，导致事故扩大。例如当发生单相间歇性电弧接地故障时， 由于接地点的电弧间歇性熄灭与重燃，电荷不断地累积于线路对地电容上，使电 网非故障相上出现间歇性弧光接地过电压，电压倍数可达3 5 4 0 倍相电压，有 时可能甚至更高。尽管这种弧光接地过电压一般不对符合标准的良好电气设备的 绝缘构成威胁，但系统中不可避免地存在一些绝缘薄弱点，如有的设备在运行中 由于受潮等原因，绝缘可能急剧下降；有的设备某些潜伏性故障在预防性试验中 未检查出来等，过电压将会对这些设备产生危险。同时，由于设备参数配合或开 关操作，将使过电压持续时间更长或倍数更高，进一步威胁设备绝缘。因此，采 用此接地方式运行时，要求变电站出线以架空线路为一主；外绝缘引发的可恢复 的绝缘故障( 主要指单相接地) 概率较高；对运行的可靠性要求较高，而系统结构 较弱；系统对地电容较小，单相接地电弧容易熄灭。发生单相接地故障时，仅允 许继续运行两个小时以内，否则不仅会导致绝缘早期老化，甚至会在薄弱环节发 生闪络，扩大故障。 2 1 3 经消弧线圈接地方式 对出线较多，线路长度较长，或者包含大量电缆线路的系统，当其电容电流 超过一定数值时，单相接地故障时电弧不易熄灭，宜采用中性点经消弧线圈接地 的方式运行。消弧线圈是具有一定容量的单相电感线圈，一般是一个带铁芯的扼 流线圈，外形类似变压器。铁芯不易饱和，这有利于电网补偿调谐度的稳定性。 它接在变压器的中性点与大地之间，其感性电流部分或全部补偿了线路的电容电 流，使流过故障点的电流值大大减小，电弧易于熄灭，接地电弧不能重燃，从而 使单相电弧接地过电压限制在2 3 - 3 2 倍额定相电压，相对于中性点不接地系统 来说，可适当降低设备绝缘水平口1 。同时，采用消弧线圈接地的系统还可以有效 地防止p t 的铁磁谐振过电压。因此，这种接地方式得到了广泛的应用。消弧线圈 有三种补偿方式：全补偿、过补偿和欠补偿。一般的做法是让消弧线圈工作在过 补偿状态，脱谐度为5 1 0 。这样做的原因在于全补偿方式虽然使单相接地故障 的接地电流最小，却容易引起串联谐振，使中性点出线很高的位移电压。而欠补 偿方式存在下列缺点： 1 ) 当电网发生故障或切除部分线路，或者系统频率降低时，欠补偿趋向于全 补偿，容易引发串联谐振。 2 ) 不能满足电力系统发展的要求。 3 ) 弧隙恢复电压的恢复速度较快。 4 第二章p t 一次保险熔断原因分析 这些缺点在过补偿的电网中完全不会发生。由于种种原因，电网的线路长度 经常发生变化，这时往往要调整消弧线圈的运行分接头，改变其电感值，以便和 电网的对地电容值相适应。现已经有电容电流跟踪装置应用在消弧线圈的自动调 谐中。随着电网的发展，尤其是当越来越多的电缆线路接入系统时，这必然会导 致电容电流越来越大，要求补偿用的消弧线圈的容量也随之增大。目前，一般消 弧线圈的补偿电流最大在i o o a 左右。对于电容电流达到几百安培的系统，就需要 几台消弧线圈，从占地、经济上都将比较困难。同时，变电站运行中电容电流的 变化范围也不断增大，自动跟踪补偿型消弧线圈的跟踪范围可能无法达到要求。 在这种情况下，就需要考虑其它的接地方式哺 7 1 。 2 1 4 中性点经电阻接地方式 在变压器中性点接入一个阻值合适的电阻，它与系统对地电容构成一个并联 回路。当系统发生接地故障时，系统对地就有了通路。同时，电阻对系统的谐振 起阻尼作用。这种接地方式在国外有较多应用，其主要优点是： ：i ) 可降低弧光接地过电压，从而降低设备的绝缘水平要求； 2 ) 从根本上抑制了系统谐振过电压； 3 ) 这种方式对电容电流的适用范围很大，不会因变电站馈线的不断增多而改 变电阻。 不过，采用中性点经低值或中值电阻接地的电网中，有着和直接接地系统相 同的缺点，即由于发生单相接地故障要及时跳闸，断路器负担很重，工作条件较 差，大大加重了维护检修的工作量。采用中性点不接地，经高值电阻接地和经消 弧线圈接地的电网系统称为中性点非有效接地系统，又称小电流接地系统哺1 。电 网中性点接地方式并不是一成不变的。以世界各国的电网来说，早期l o k v 以下电 网既用过中性点不接地方式，也用过中性点直接接地方式。对3 5 k v 及以下电网( 个 别情况还包括1 l o k v 电网) ，从2 0 年代到现在广泛采用中性点经消弧线圈接地方 式。德国曾为中性点经消弧线圈接地方式的发源地，但在5 0 6 0 年代前联邦德国 ( 还有其它一些国家) 却不再采用中性点经消弧线圈接地方式。另方面，美国和 英国部分电网一直习惯采用有效接地方式( 中性点经小电阻接地) 以快速切断故 障，这与这些电网的供电可靠性较高有关哺6 1 。但从4 0 年代后，中性点经消弧线 圈接地方式也有了一定发展。 在我国，l l o k v 及以上的系统中性点直接接地，6 0 k v 及以下的系统中性点则 采用其它方式。我国3 、6 k v 的电网，当单相接地电流( 电容电流) 不大时，中性点 采用不接地方式，如果超过一定数值，通常经消弧线圈接地。具体的标准是，对 3 6 k v 网络，电容电流规定为3 0 a ；l o k v 网络，为2 0 a ；3 5 6 0 k v 网络，为l o h 。 第二章p t 一次保险熔断原因分析 2 2 中性点不接地电网的铁磁谐振 在中性点不接地的电网中，由于变压器、p t 等设备铁芯电感的磁路饱和作用， 当电网等值电感和线路对地电容相匹配时，可以产生不同频率的铁磁谐振现象， 激发产生持续的、较高幅值的铁磁谐振过电压，常遇到有三次谐波谐振、二倍频 谐振、基波谐振、1 2 分频谐振和1 3 分频谐振等。在铁磁谐振的作用下，铁芯处 于高度饱和状态，其表现形式可能是相对地电压升高，励磁电流过大，或以低频 摆动，引起绝缘闪络、避雷器炸裂、高值零序电压分量产生以及“虚幻接地”出 现等，严重时还可能诱发保护误动作或在p t 中出现过电流引起一次保险熔断甚至 p t 烧坏等事故。发生铁磁谐振时，还可能导致停电事故，这就严重影响了电力系 统的安全稳定运行阳1 。所以，有必要分析铁磁谐振产生的机理以及发生铁磁谐振 时的一些特征，以便更好的防止铁磁谐振的发生。 由于三相铁磁谐振的电路比较复杂，我们采用图解法加以分析，这种方法简 单、直观、容易理解。三相p t 己j l 起的铁磁谐振属于三相谐振。虽然三相铁磁谐振 要比单相铁磁谐振复杂的多，但是却有很多共同点，因而可以通过分析单相铁磁 谐振的特点，进而分析理解三相铁磁谐振。 2 2 1 单相铁磁谐振电路 在图2 1 电路中的电感l 可认为是带铁芯的电感线圈。对图2 - 1 的电路，可以 作出各元件的伏安特性及总的伏安特性， u z 一厶c 。_ 1 p1 i - i 一；， 1 i r u t z 图2 1 单相铁磁谐振电路图 见图2 2 。如果考虑铁芯线圈的有功损耗及由于铁芯饱和引起的电流、电压 非正弦，实际的伏安特性如图2 - 3 。 由图2 3 ，对于一定的电源电压u 。，电路有三个平衡点，其中a 和c 是稳定的 平衡点，b 是不稳定的平衡点们。 单相铁磁谐振回路不同于线性电路的一些特点是： ( 1 ) 工作点具有跃变性质。在铁磁谐振电路中电压的连续增减可以引起电流 的跃变。( 在图2 3 中，如电源电压从o 一直升高时，当升高n u 。时，工作点由1 跃 变到2 ；如电源电压从较高数值一直降低时，工作点从4 跃变n 5 。) 6 第二章p t 一次保险熔断原因分析 u o 图2 2 单相铁磁谐振电路的伏安特性 图2 3 实际的单相铁磁谐振电路伏安特性 ( 2 ) 对于某一电源电压值，工作点可能不只一个。在铁磁谐振电路中，一个 电源电压值可能和两个电流相对应。由上面分析我们知道电路的工作点可能在a 点或c 点。当电源电压为定值，电路经开关突然合闸，由于受到冲击程度不同， 工作点将不同，冲击程度较高时工作点将在c 点，反之将在a 点。所以，稳态工作 点不仅取决于电源电压的大小，而且取决于建立平衡的过程，这是铁磁谐振电路 特有的现象。 u 图2 - 4 铁磁谐振的共振范围图 ( 3 ) 共振的范围广阔。由图2 - 4 可以看出，铁磁谐振在很广阔的范围内都能 产生。当电容的伏安特性与含铁芯电感的伏安特性相交于一点时，就有产生铁磁 谐振的可能性u 铂。如果电容太小，容抗很大，其伏安特性4 比图2 4 中的2 还高， 则电感和电容没有相交点；反之当电容太大，容抗太小，其伏安特性5 比3 还低， 二者也没有交点。伏安特性没有交点就意味着不会产生铁磁谐振。特性2 代表铁 芯在线性工作状态下的电抗伏安特性。特性3 代表铁芯完全饱和的伏安特性。当 电容的容抗介于线性电抗x c ：及饱和电抗x c 。时，即x c 。 x c x c 。时，电感的伏安特性 和电容的伏安特性就会相交于一点，也就有产生铁磁谐振的可能性。( 如果考虑 7 第二章p t 一次保险熔断原因分析 不同频率的铁磁谐振则电路的共振范围就更广阔了。) ( 4 ) 谐振的产生还要求有一定的外加电压值。铁磁谐振一定要在电源电压处 于一定范围内才能产生。这是因为带铁芯线圈的电感是随电压的高低而改变的， 只有当电压大小合适。电感值才能与电容值匹配，才会发生谐振n 引。 ( 5 ) 谐振频率可以不同于电源频率。物理仿真表明，铁磁谐振电路的电流电 压谐振频率可以是工频，可以是三倍工频，也可以是分频，如1 2 分频、1 3 分频。 ( 6 ) 谐振可以是自激性质，也可以是它激性质。在图2 - 3 中，当电源电压大 于u 1 时，谐振是自激性的，若电源电压小于u l ，工作点有a 、c 两点，a 点是非谐 振状态，c 点是谐振状态。当电源电压为u 2 时，通常有比较强烈的激发，才能工 作在谐振点c ，所以这种谐振是它激性的。一般基波谐振和高次谐波谐振都有自 激和它激两种可能，而分频谐振却只能由它激产生，这是因为电源电势里没有分 频分量，非线性电感元件在电源电势的作用下只能产生高次谐波电势而不能产生 分次谐波电势，所以分频谐波只能由自由分量转化得来，而自由分量只能在激发 条件下才会出现n 仉u 】。 2 2 2 三次谐波谐振 系统中的p t 都是接成三相的，它所引起的铁磁谐振是三相铁磁谐振。电力系 统的运行和实验表明，在中性点不接地系统中，p t 接成v o v o 么的方式，p t 的电 感和线路对地电容匹配时，可以产生不同频率的铁磁谐振，常遇到的有三次谐波 谐振、基波谐振和1 2 分频谐振n 引。 1 、三次谐波谐振 电力系统运行和物理仿真实验表明，在电源向空载母线合闸时最容易出现三 次谐波谐振，有时当变电所的出线很短时，也可能出现三次谐波谐振。当p t 接成 y o y o 1 时，由于电源的中性点不接地，不能向p t 提供三次谐波励磁电流n 飘。因 此受铁芯饱和的影响，各相磁通呈平项状波形，如图2 - 5 。 平顶波可以分解为基波、三次谐波。当然还有更高谐波，如五次谐波及其他 高次的奇次谐波，因其幅值很小，予以略去不计。三次谐波磁通将在互感器绕组 中感应出三次谐波电势，由对称分量法可知，三次谐波电势都是零序分量，由于 电源电势中没有三次谐波电势分量，所以铁心饱和引起的三次谐波电势只能是零 序分量，因为零序电压分量是不需要和电源电势的相应分量相平衡的n 引。 由于各相的三次谐波电势是同相的，故可用图2 7 的串联谐振所示的单相回 路近似分析图2 - 6 所示三相电路的三次谐波谐振现象。( 即把图2 - 6 中圈内的图形 用图2 - 7 等效。) 第二章p t 一次保险熔断原冈分析 夕1 众一 一u 7 图2 5 铁心饱和时的磁通分解 图2 6 三相等效电路 旦，o 图2 7 三次谐波谐振分析电路 对于图2 - 7 的电路，如果电容值很小，电路为容性，此时电流产生的磁通正 好和原来的磁通同相，也就是说这个电流产生的磁势起助磁作用。电容两端电压 为原有电势与这个电流感应的电势之和n7 1 。这时，其有效值比不接电容时的开路 三次谐波电势要大，也就是说电感两端的电压较不接电容时增大了。反之，如果 电容较大，则电流相应的作用为去磁，也就是抵消了铁芯饱和的影响。 由上分析可以得出结论，只有当电容足够小，即回路电流起助磁作用时，才 有出现三次谐波谐振的可能性，但是不能将起助磁作用和发生铁磁谐振混为一 谈。事实上，发生铁磁谐振时回路电流一定起助磁作用，而回路电流起助磁作用 却未必一定发生铁磁谐振n 引。 和图2 - 4 类似，可以根据该图确定谐振范围，只是这时要把相应的频率变成 三倍的工频。 只有铁芯处于饱和状态，固有三次谐波电势才表现为较大的数值，这相当于 电源电压较高的工作状态。一般在电源向空载母线合闸时，因没有负荷电流引起 的电压降，所以电压常常较高些。也正是这种工作状态容易引起三次谐波谐振， 其主要危害表现在过电压倍数较高，往往引起电气设备的绝缘击穿n 钔。三次谐波 谐振在表计上的表现是三相电压同时升高，各相电压表指示值为u2 、u i + u ；， 9 第二章p t 一次保险熔断原因分析 各相的基波电压有效值u 1 相等，各相三次谐波电压u 3 彼此相等，所以三次谐波谐 振时，各相电压表示数也相同啪3 。 2 、基波谐振 基波谐振通常表现为两相电压升高，一相电压降低。当系统正常运行时三相 p t 的特性一样，三相对地电容相同，p t 和电源的中性点没有位移噜。当系统( 如 图2 - 6 ) 受到某种冲击，如电源通过断路器向母线合闸，则因p t 的三相绕组受到 的冲击的程度各不相同，三相绕组的饱和程度也将各不相同，各相的综合阻抗也 就各不相同，从而形成了三相不平衡的三相负荷，导致电源变压器中性点发生位 移： 6 ，：墨! 匕墨! 匕垒：兰 。 l + 圪+ k 。 如果冲击的结果使其中一相的综合阻抗为容性，另外两相为感性，则因分母 中的导纳符号相异，互相补偿使y a + y b + y c 显著减小，会出现很高的u y 乜2 叫1 。 用类似三次谐波谐振的方法可以得到在发生基波谐振时的谐振范围图。( 参 考图2 - 4 ) 3 、分频谐振 电源电势是没有分次谐波的，那么怎样会产生分次谐波谐振呢? 当电路接线 有突然改变时( 单相瞬间接地或电源突然接通) ，在电路中要产生过渡过程。在 线性电路中可以把过渡过程的电流、电压分解为两个部分：强制分量和自由分量。 对含有电感和电容的电路，自由分量常常表现为自由振荡的性质，此自由振荡的 周期取决于电路的参数心5 1 。因电路中有电阻存在，线性电路的自由振荡由于没有 电源电势的支持并提供能量，所以要逐渐衰减并最终消逝。但在非线性电路中， 电路的突然改变也要伴随自由分量的出现，如这个自由振荡分量的频率略等于电 源电势频率的1 2 ，它就有可能通过非线性元件的转换从电源获得能量，并在稳 态过程中保存下来啪1 。当然形成分频谐振也是有条件的。自由振荡的周期是电源 电势周期的整数倍，严格讲是略大于某个整数倍。振荡开始以后因铁芯趋于饱和， 电感减小，改变初始振荡频率，使自由振荡精确等于电源频率的整数分之一。如 此时电路损耗很小，这种振荡就能从电源周期性地获得能量，其大小足以补偿消 耗的能量，从而使振荡维持下来。否则如电路损耗很大，维持不了能量的平衡， 就不会出现稳态谐振嚣。 用类似三次谐波谐振的方法可以得到在发生分频谐振时的谐振范围图。( 参 考图2 - 4 ) 第二章p t 一次保险熔断原因分析 2 3 电力系统铁磁谐振产生的条件 电力系统中许多元件是属于电感性的或电容性的，如电力变压器、互感器、 发电机、消弧线圈为电感元件，补偿用的并联或串联电容器组、高压设备的寄生 电容为电容元件，而线路各导线间既存在纵向电感又存在横向电容，这些元件组 成复杂的l c 震荡回路，在一定的能源作用下特定参数配合的回路就会出现谐振现 象。由于铁芯电感的磁通和电流之间的菲线性关系，电压升高导致铁芯电感饱和， 极容易使p t 发生铁磁谐振舢。铁磁谐振发生的条件： 1 、在中性点不接地系统中，如果不考虑线路的有功损耗和相间电容，仅考 虑p t 电感l 与线路对地电容c 。，当c 大到一定值，且p t 不饱和时，感抗x 。大于容抗 v 【3 2 】 a 伪； 2 、p t 的一次线圈中性点直接接地，二次绕组线圈为开路状态； 3 、具有外界的突发条件如：瞬间接地、合闸、雷击等，产生电磁震荡，导 致p t 铁芯严重饱和b 3 川 。 第三章高压熔断器数字仿真 第三章高压熔断器数字仿真 利用a t p 仿真系统，对p t 一次保险熔断现象进行仿真再现，输入相关实际参 数，进一步对p t 一次保险熔断原因进行分析。 3 1 仿真模型 3 1 1 变电站主接线图 以登峰1 l o k v 变电站3 5 k v 儇1 母线所连设备和线路为仿真计算原型，建立的仿 真计算模型如图3 - i 所示。 x 8 3 齿坷 尹 图3 1 登峰变电站仿真模型 表3 1 变电站短路阻抗标幺值 1 l o k v 倾9 3 5 k v 儇, 0 变电站大运行方式小运行方式大运行方式小运行方式 登峰 0 0 6 7 2 3o 1 4 9 2 90 1 6 4 50 3 4 4 1 2 第三章高压熔断器数字仿真 变电站短路阻抗标幺值如表3 - 1 所示。 3 1 2 主变压器参数 登峰变电站主变压器参数如表3 2 所示。 表3 - 2 登峰变电站主变压器参数 编号 1 #2 # 型号s f s z 9 - - 7 5 0 0 0 11 0 s f s z 9 7 5 0 0 0 ll0 额定变比1 1 5 8 1 2 5 3 8 5 1 1 5 8 1 2 5 3 8 5 5 6 3 k v 5 6 3 k v 接线方式y n y n o d l1 y n v n o d l1 空载电流i o 0 5 8o 5 6 空载损耗k w 4 8 64 8 短路电压u k 1 5 5 01 5 4 0 短路损耗k w 3 2 6 83 2 5 6 3 1 3 线路参数 不同型号线路的序参数如表3 3 所示；线路型号和长度如表3 4 所示。 表3 33 5 k v 线路序参数 线路型号 r + 民 l +kc + c o l g j 一1 5 0 0 2 l0 3 4 91 1 7 94 0 5 50 0 0 9 80 0 0 5 l l g j 一1 8 0 0 1 70 3 0 91 15 5 4 。0 3 50 0 1 0 。0 0 5 2 单位：电阻( q k i n ) 电感( m h k m ) 电容( pf k i n ) 表3 - 4 登峰变电站3 5 k v 线路型号和长度 出线 出线名称 出线类型及型号长度k m 编号架空线电缆架空线电缆 0 1 0 3 7 中六线l g j 一1 5 0y j l v 一2 6 3 5 1 水2 4 0 1 9 40 1 6 4 0 1 0 3 8 西五线l g j 1 5 0y j l v 一2 6 3 5 一l 术2 4 0 4 5 30 1 6 5 0 1 0 3 9 登西线l g j 1 5 0y j l v 一2 6 3 5 1 水2 4 0 2 2 90 1 6 4 l g j 一1 5 0 1 1 3 0 1 0 4 3 中十三线y j l v 一2 6 3 5 1 术2 4 0 0 2 9 2 l g j 1 8 5 2 5 5 0 1 0 4 4 中十线l g j 一1 5 0y j l v 一2 6 3 5 1 牛2 4 0 1 5 80 2 9 2 0 1 0 4 5登十五线 l g j 1 5 0 1 9 4 1 3 第三章高压熔断器数字仿真 0 1 0 4 0 中八甲线l g j 。1 5 0y j l v 2 6 3 5 - 1 2 4 02 9 00 1 9 3 0 1 0 4 6 中八乙线l g j 1 5 0 3 9 4 0 1 0 5 0中二线 l g j 15 0y j l v 2 6 3 5 - 1 2 4 0 5 8 60 3 0 1 0 4 9 北油气线 l g j 1 5 0y j l v - 2 6 3 5 - 1 2 4 0 3 3 70 4 1 6 0 1 0 4 1北十三东线 l g 3 一1 5 0y j l v 2 6 3 5 - 1 2 4 0 5 2 2 40 1 3 3 1 4p t 参数 3 5 k v p t 型号为j d j j l 3 5 。在a t p 仿真计算p t 饱和谐振时，二次侧的各种数 据在仿真中并不需要涉及，仅须考虑由于p t 饱和引起的过电压和过电流对一 次保险熔断的影响，因此p t 模型可用3 - i - 能反映铁芯饱和励磁特性的非线性 电感代替，用于仿真计算的p t 简化模型如图3 - 2 所示。 3 2 仿真计算 图3 2p t 仿真计算模型图 以登峰一次变为例，利用所建立的模型分别对不同情况下、中性点不同接地 方式情况进行仿真计算、分析。 3 2 1 分频谐振 仿真计算电网在中性点不接地、经消弧线圈接地、经消弧线圈并联电阻 接地三种接地方式下，电网发生分频谐振时p t 高压侧各相电流，对p t 一次保 险熔断的影响。以下均以登峰变电站仿真结果为例进行说明。 1 ) 中性点不接地 在t = o 2 s 时c 相接地，t = o 2 11 4 s 时接地消失，电网三相对地电容为 0 7 1 u f ，此值位于分频谐振区，经c 相发生接地故障激发，发生分频谐振。 p t 高压侧各相电流如图3 - 3 所示。 1 4 第三章高压熔断器数字仿真 a 相p t 电流波形 b 相p t 电流波形 c 相p t 电流波形 图3 3 分频谐振时p t 高压侧各相电流 2 ) 中性点经消弧线圈接地 在t = o 2 s 时c 相接地，t = o 2 1 1 4 s 时接地消失，电网三相对地电容为0 7 1 u f ， 此值位于分频谐振区，脱诣度按照v = 一0 0 5 计算。p t 高压侧各相电流如图3 - 4 所 示。 3 ) 中性点经消弧线圈并联电阻接地 在t = o 2 s 时c 相接地，t = o 2 11 4 s 时接地消失，电网三相对地电容为 0 7 1 u f ，此值位于分频谐振区，脱谐度按照v = 一0 0 5 计算。电阻值为4 2 0 0 2 。 母线各相电压和p t 高压侧各相电流如图3 - 5 所示。 4 ) 仿真结果分析及结论 第三章高压熔断器数字仿真 各种接地方式下的p t 高压侧各相电流最大值对比结果如表3 - 5 所示。 a 相p t 电流波形 ( f bp i - f p - x p 1 4 ；x - v b i t ) c ：x d 0 0 1 b - b 相p t 电流波形 ( f i l ep t - f p - x p 1 4 ；x - v f l ft ) c ：x o 0 0 1 c - c 相p t 电流波形 图3 - 4 电网中性点经消弧线圈接地时p t 高压侧各相电流 f 糖p t - f p - x 4 2 0 0 p 珥：x - v i t t ) c ) q ) o o i a - a 相p t 电流波形 第三章高压熔断器数字仿真 b 相p t 电流波形 叭蝴w r p t - f p - x 4 2 0 0 p h ：x v 8 r t ) c ) 目d 0 0 1 c - c 相p t 电流波形 图3 5 电网中性点经消弧线圈并联电阻接地时p t 高压侧各相电流 表3 5 分频谐振过电流统计 p t 电流峰值a 分频谐振 a 相b 相c 相 不接地 1 2 5 11 2 7 81 3 0 4 消弧线圈接地 0 6 7 00 6 7 10 5 7 8 消弧线圈并联电阻接地 0 。g 7 40 。6 7 40 。2 0 2 通过分析表3 5 和图3 3 图3 5 可以看出： a 、在电网中性点不接地方式下，当发生分频谐振时，p t 高压侧各相均发 生了严重的过电流事故，各相电流最大值均在1 2 7 a 左右，并且过电 流一直持续，各相电流严重超过了p t 一次保险的熔断电流，会造成p t 一次保险的熔断。 b 、在电网中性点经消弧线圈接地方式下，在分频谐振条件下，p t 高压侧 各相电流最大值均在0 7 a 以下。 c 、在电网中性点经消弧线圈并联电阻接地方式下，在分频谐振条件下， p t 高压侧各相电流最大值均在0 7 a 以下，而且大电流维持时间很短， 从能量的角度看比电网中性点经消弧线圈接地方式好。 1 7 第三章高压熔断器数字仿真 3 2 2 基频谐振 仿真计算电网在中性点不接地、经消弧线圈接地、经消弧线圈并联电阻 接地三种接地方式下，电网发生基频谐振时p t 高压侧各相电流。 i ) 中性点不接地 电网三相对地电容为0 7 1 u f ，在t = 0 0 4 s 、t b = 0 0 6 3 3 s 、t c = o 0 3 3 3 s 时， 切除母线大部分出线，剩余线路单相对地电容为0 0 2 7 u f ，此值位于基频谐 振区。p t 高压侧各相电流如图3 - 6 所示。 a 相p t 电流波形 b 相p t 电流波形 f f p t - j p - b p w ：x - r i l l t ) cx o o o i c - c 相p t 电流波形 图3 _ 6 基频谐振时p t 高压侧各相电流 2 ) 中性点经消弧线圈接地 脱谐度按照v ：一0 0 5 计算，电网三相对地电容为0 7 1 u f ，在t = o 0 4 s 、 第三章高压熔断器数字仿真 t 。= 0 0 6 3 3 s 、t 。= 0 0 3 3 3 s 时，切除母线大部分出线，剩余线路单相对地电容 为0 0 2 7 u f 。p t 高压侧各相电流如图3 - 7 所示： a 相p t 电流波形 b 相p t 电流波形 c 相p t 电流波形 图3 7 电网中性点经消弧线圈接地方式下p t 高压侧各相电流 3 ) 中性点经消弧线圈并联电阻接地 电网三相对地电容为0 7 1 u f ，在t 一o 0 4 s 、t n = 0 0 6 3 3 s 、t c = 0 0 3 3 3 s 时， 切除母线大部分出线，剩余线路单相对地电容为0 0 2 7 u f ，脱谐度按照v = 一 0 0 5 计算。电阻值为4 2 0 0 2 。p t 高压侧各相电流如图3 - 8 所示。 4 ) 仿真结果分析及结论 各种接地方式下的母线瞬时过电压最大值以及p t 高压侧各相电流最大 值见表3 - 6 所示。 第三章高压熔断器数字仿真 a 相p t 电流波形 b 相p t 电流波形 ( f 帖p 1 - j p - x 4 2 0 0 p 9 4 ；x - v i l rt ) c ：x f l o o lc - c 相p t 电流波形 图3 - 8 电网中性点经消弧线圈并联电阻接地方式下p t 高压侧各相电流 表3 6 基频谐振p t 过电流统计表 p t 电流( a ) 分频谐振 a 相b 相c 相 不接地0 4 5 6 1 3 3 9 1 1 8 5 消弧线圈接地 0 2 1 60 3 3 90 2 4 4 消弧线圈并联电阻接地 0 1 7 60 2 2 20 2 3 6 通过分析表3 - 6 和图3 6 图3 8 可以看出： 第三章高压熔断器数字仿真 a 、在电网中性点不接地方式下，当发生基频谐振时，p t 高压侧发生了严 重的过电流事故，电流最大值达1 3 4 a ，并且过电流一直持续，电流 严重超过了p t 次保险的熔断电流，会造成p t 一次保险的熔断。 b 、在电网中性点经消弧线圈接地方式下，在基频谐振条件下，p t 高压侧 各相电流与电网中性点不接地方式相比有了很大幅度的降低，仅在网 络结构改变的瞬间在非故障相存在过电流现象，且各相电流最大值均 在0 3 4 a 以下，小于p t 一次保险的熔断电流，不会造成p t 一次保险的 熔断。 c 、在电网中性点经消弧线圈并联电阻接地方式下，在基频谐振条件下， p t 高压侧各相电流与上述三种接地方式相比有了很大幅度的降低，各 相电流最大值均在0 2 4 a 以下，并且仅在网络结构改变瞬间存在过电 流现象，网络结构改变后，p t 高压侧各相电流立即恢复到正常值，远 小于p t 一次保险的熔断电流，不会造成p t 一次保险的熔断，因此中性 点经消弧线圈并联电阻接地方式对p t 一次保险的熔断具有非常明显 的抑制作用。 3 2 3 高频谐振 仿真计算电网在中性点不接地、经消弧线圈接地、经消弧线圈并联电阻 接地三种接地方式下，电网发生高频谐振时p t 高压侧各相电流。 1 ) 中性点不接地 电网三相对地电容为0 7 1 u f ，在t 。= 0 0 4 s 、t b _ 0 0 6 3 3 s 、t c ：0 0 3 3 3 s 时，切 除母线大部分出线，剩余线路单相对地电容为0 0 0 4 1 u f ，此值位于高频谐振区。 p t 高压侧各相电流如图3 - 9 所示。 2 ) 中性点经消弧线圈接地 电网三相对地电容为0 7 1 u f ，在t _ 0 0 4 s 、t b - 0 0 6 3 3 s 、t 。= 0 0 3 3 3 s 时，切除 母线大部分出线，剩余线路单相对地电容为0 0 0 4 1 u f ，脱谐度按照v = 一0 0 5 计算。 p t 高压侧各相电流图3 - 1 0 所示。 w小m 州m m 第三章高压熔断器数字仿真 a 相p t 电流波形 盯酗p t - c - , p - - b at ；x - v mt ) c ：y , 0 0 0 1 b - b 相p t 电流波形 1从飞晰州删愀 ( f 岫p t - g p - 8 p ：x - v kt ) c ：, x o o o lc c 相p t 电流波形 图3 9 高频谐振时p t 高压侧各相电流 5 a 相p t 电流波形 盯碍p t - g p - x 辟4 ：x - v a i ) c ) t 0 0 0 1 b - b 相p t 电流波形 第三章高压熔断器数字仿真 ( f p t - g p x p h ：x - v f t ) c ：y , 0 0 0 l c c 相p t 电流波形 图3 1 0 电网中性点经消弧线圈接地方式下p t 高压侧各相电流 ( f 抽阼g p - x 4 2 0 0 p h ：x -