（电气工程专业论文）35kv电压互感器高压侧熔断器异常熔断原因研究.pdf

重庆大学工程硕士论文 英文摘要 a b s t r a c t f u s ei sa l s ok n o w na sh i 曲- p r o s s u r eh y p e r b a r i cf u s e ，c o n s i d e r e dt h em o s ts i m p l es e t u pt h ep r o t e c t i o no fe l e c t r i c a l i np o w e rn e t w o r l ( ，u s e dt ow h e np r o t e c tt h ee l e c t r i c a l e q u i p m e n to v e r l o a da n ds h o r t - c i r c u i tc u r r e n td a l l l a g 髂i nt h el l i g h - v o l t a g ep o w e rs y s t e m u s i n gh i g h - p r e s s u r ea n dh i g h - p r e s s u r ec o n t a c tf u s e ( v a c u u me o n t a e t o r so r s f , ) m a t c h e d c o n s t i t u t ea “f - cc k e u i t ”a n di t 啪b eu s e dt ob r e a ks h o r t - c i r c u i tc u r r e n t d o i n gt h i sc a n r e d u c em ec i r c u i tb r e a k e rn u m b e ri nt h eh i g h - v o l t a g ep o w e rs y s t e mt h e ne c o n o m i c b e n e f i t sw i l li n c r e a s e t h i sp a p e rd i s c u s s i n gt h ef u s ei sr i g h tf o rt h ep r o t e c t i o no ft h e c v t c v tm e a s u r e sv o l t a g eb yu s i n gt h ep r i n c i p l eo fc a p a c i t i v ep r e s s u r e a sw i t ht h e e l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o ns y s t e mv o l t a g ei n c r e a s i n g , u s i n gt h et r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i c v o l t a g et r a n s f o r m e rt h ev o l u m ei n c r e a s e sa n dt h ec o s t sd s e , s i n c et h ec v ti sl o wc o s ta n d c a nb es e r v e da se o m m u n i e a t i o me q u i p m e n t , i n s u l a t i o np e r f o r m a n c ea n da d v a n t a g e so f h i g h e rp r e s s u r e ，t h e r e f o r e ，i nc h i n ap o w e rs y s t e mc v ti sw i d e l ya p p l i e d , c o v c r i i l g a 1 i l a o s t3 5 - 5 0 0 k v i nt i a n s h u ic i t yg a n s up r o v i n c ep o w e rs y s t e m , 3 5 k vs i d eo f l o n g r ds u b s t a t i o nu s e c v tt om e a 翻】v o l t a g e b u ti nt h ec o u i 豫o f o p e r a t i o n , w h e n e v e rt h eo p e r a t o rc l o s et h e c v t , i t sf u s ew o u l db u r s t i nt h i sc a s e ，t h i sa r t i c l e 删y z i gt h ec v ts t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l e u s i n ge l e c l r o m a g n e t i cw s o n a r l w i t ht h er e l e v a n tk n o w l e d g ea n dt h e n e t w o r ko fs o m ef e a t u r e sr e c e i v et h ee q u i v a l e n tc i r c u i ti nf u l lc o n s i d e r a t i o no fa l lt h e c i r c u m s t a n c e sc a u s e dc v tf e r r o s o n 卸1 c ec i r c u m s t a n c e s w ec a l c u l a t ei t sa 田t 咖 i 岱o n a n c e v a r i o u s 砷氍峪。璐c a u s 吨t h ef u s eu m l s l l a lb u r s ta c o m p r e h e n s i v ea n a l y z e , t a f t e rt h i s , u s i n gm a t l a bs o t b c a r et o o ls i m u l i n ko nt h ec v ts t r u c t u r e so fas p e c i f i c m o d e ls i m u l a t i o n - t ov e r i f yt h er c a s o n sf o rt h eb u r s ta n a l y s i s ，t of i n dt h em o s tp r o b a b l e d 目勰o mt h e nt h ec o r r e s p o n d i n go v e r h a u l sm c a s l 1 l - 鼯a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fv a r i o u sm e a s u 船a n dt h ef e a s i b i l i t y i nt h ee n d , t h ew o r ka n dp r a c t i c a lv a l u eo ft h i s p a p e r 撒s u m m a r i z e da n d t h ef i k l t h e rw o r ki sp r o s p e c t e d k e yw o r d s ：f u s e ；c a p a c i t o rv o l t a g et r a n s f o r m e r ；, f e r r or e s o n a n c e ；s i m u l a t i o ni nm a t l a b 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及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 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谢意。 学位论文作者签名：刍，秒签字日期：妙年朔日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 黜一繇名孑撇名。乍 学位论文作者签名：，；o 。，孑导师签名： l 吃：夕 签字日期：。) 年朔砂e t签字日期：户月e l 重庆大学工程硕士论文1 绪论 1 绪论 1 1c v t 及其熔断器概述 1 1 1 电压互感器概述 目前，电力系统广泛应用的电压互感器按功能结构分为电磁型和电容型两种。 其作用主要有下面两点：( a ) 、将高压侧的高电压缩小为二次回路中的低电压，并规 范为标准值。这样可以使测量仪表、继电保护和自动装置标准化、小型化，使电力 系统远动通信能力得到提高等。( b ) 、可以实现一次回路和二次回路间的电气隔离， 让它们间只存在电磁间的联系而没有电压和电流的直接联系，这样就提高了二次设 备和工作人员的安全性，还可以保证在计划检修及维修的时候不必要中断一次运行 设备，提高系统供电的可靠性【l 】。其主要特点是：( a ) 、二次测仪表和继电保护的电 压线圈阻抗均比较大，整个互感器运行状态接近于空载。( b ) 、当电压互感器的一次 绕组电压等于额定值时，二次额定线电压为i o o v ，额定相电压为1 0 0 怕v 。( c ) ， 电压互感器二次侧不允许短路，由于电压互感器内阻抗很小，若二次回路时，会出 现危险的过电流，将会损坏二次设备及危及人身安全【2 1 。 其中电磁式电压互感器的工作原理与变压器类似，其主要特点是容量很小，类 似一台小容量的变压器，但在结构上它要比不同变压器要求更高的安全系数。其电 压误差较小。由于测量仪表和继电保护装置对要求接入的电压不同，形成各种不同 的电磁式电压互感器接线方式，通常有： 单相电压互感器接线方式 这种简单的接线方式应用于单相或三相系统中，继电器或测量表计只需接入任 一线电压；采用这种接线方式时，电压互感器的一次绕组不能接地的，为了安全起 见，二次绕组的一端是接地的。 两个单相电压互感器接成v - v 形接线方式 这种接线方式的电压互感器的一次绕组也不能接地。二次绕组为了安全起见， 一端是接地的。这种接线适用于中性点非直接接地或经过消弧线圈接地的电网中。 三个单相电压互感器接成星型接线方式 这种接线方式中的电压互感器的一次绕组和二次绕组的中性点是直接接地的， 而且从二次绕组的中性点还引出供接入相电压的中性线。所以，在中性点直接接地 的电网中，采用这种接线方式可以将继电器和测量仪表接入相电压或线电压。在中 性点非直接接地或经消弧线圈接地的电网中，这种接线方式可用来接入线电压和供 绝缘监视用。但不能用来接入要求相电压的精密测量表计 三相三柱式电压互感器的星型接线方式 重庆大学工程硕士论文 l 绪论 这种接线方式可以用来接入线电压和相对电网中性点的相电压。三相三柱式电 压互感器一般都使用在中性点非直接接地或经消弧线圈接地的电网中。一次绕组的 中性点是不允许接地的。 三相五柱式电压互感器的接线方式 三相五柱式电压互感器，是磁系统具有五个磁柱的三相三绕组的电压互感器， 一次绕组和主二次绕组接成中性点直接接地的星型，而辅助二次绕组接成有零序电 压回路的接线方式。 电力系统中，2 2 0 k v 以下的发电厂升压交和将压变电站的母线，以往多采用电 磁式电压互感器作为电压保护、测量电压和功率的设备，经过多年的实践，电磁式 电压互感器经过多次改进，但是事故仍未杜绝。究其原因，设备质量是一个方面， 但由于谐振而引起的电压升高致使设备的绝缘损坏，也是一个重要的原因。在国内 几乎所有生产1 1 0 2 2 0 k v 等级的p t 的制造厂的产品都发生过爆炸事故。随着电力 系统输电电压的提高，p t 体积越来越大，成本也越来越高，再加上不可克服的缺 点，如容易与线路分布电容产生铁磁谐振、渗漏油现象较多、只能够作测量电压、 功率和发电保护等，因此在此基础上研制了电容电压互感器( c 、仃) 。它的原理是 利用电容分压来实现对一次侧高电压的测量工作，与电容式电压互感器相比其具有 的优点主要有： 1 1 由于采用电容分压器结构，使c v t 整体抗耐受雷电冲击电压及其他种类过 电压的能力增强，维护简单，运行可靠。 2 ) 既可以作电能计量测量、供给继电保护的电压信号，又可兼作载波通讯等， 具有一机多能的用途。 3 ) 由于电容分压器的存在，使整台c v t 对外呈容性负载，避免了与断路器断 口电容产生谐振的可能性。 4 ) 二次输出精度高，负荷一精度特性曲线线性度好。 5 ) 使用先进的速饱和电抗，能有效地抑制铁磁谐振，并具有良好的瞬态特性， 使快速继电保护有了保证。 1 1 2c v t 的发展情况 电容式电压互感器( c v t ) 在国外已有四十多年的发展历史，在7 2 5 - 9 0 0 k v 电力 系统中得到普遍应用。国产c v t 从1 9 6 4 年在西安电力电容器厂诞生以来，也积累 了三十多年的制造和运行经验，现己进入成熟期。尤其是近几年，国产c v t 在误差 及输出容量的提高以及成功地采用速饱和电抗型阻尼器使铁磁谐振阻尼特性和瞬变 响应特性明显改善等方面有了突破性进展。在电力系统中的使用表明：国产c v t 己 达到或超过电磁式电压互感器( t v ) 的各项性能指标，同时还具有绝缘强度高、不会 与系统发生铁磁谐振、高电压下价格较低以及可兼作复合电容器用于载波通信( p l c ) 2 重庆大学工程硕士论文 i 绪论 等优点。所以，“九五”以来，国产c v t 得到广泛应用，产品电压范围覆盖3 5 5 0 0 k v 。 在1 1 0 - , - 2 2 0 k v , c v t 用量已占绝对优势，不仅在新站优先选用，在老站改造中往往 用c v t 取代v t 3 3 0 - - 5 0 0 k v 等级无一例外地选用了c v t 。即使在3 5 - - 6 6 k v , c v t 价 格并不占优势，考虑到从根本上消除t v 与系统产生的铁磁谐振，有的电站也选用 了c v t 。 国外c v t 精度一般为0 2 级，额定输出容量有逐步降低的趋势。以a b b 为例， 目前其标准产品在o 2 级下的输出从2 5 0 v a 已降低到1 2 0 v a ，其它国外公司各种电 压等级c v t 额定输出也不超过2 5 0 v a ，这主要是由于现代继电保护装置和测量系 统所需负荷大幅减小。 国内情况则相反。根据需求，国产c v t 在o 2 级条件下的额定输出容量不断提 高。母线c v t 一般为3 0 0 - 4 0 0 v a ，有的已做到5 0 0 v a ，为达此要求，就必须采取提 高中压、增大主电容和加大导线直径等措施，其结果是材料成本升高，产品体积增 大。其根源可能是国内继电保护器件不同、保护回路多、留有裕度大，也有“额定输 出越大越好”的错觉所影响。 本文分析所用到的是由西安西电电力电容器有限责任公司于2 0 0 4 年4 月生产的 型号为t y d 3 5 3 h 一0 0 2 f h 电容式电压互感器。 1 1 3c v t 二次输出精度及额定负荷的选取 二次精度的选择，宜根据实际用途确定。一般情况下，若用计量，则宜选0 2 级；若用于电压检测兼保护，则只需选o 5 级；对于剩余电压绕组，一般均是将a 、 b 、c 相的三台c v t 的剩余电压绕组接成开口三角，以获得零序电压保护信号，因 此选3 p 级即可。 c v t 设计制造出来后，其精度及其变化范围与额定二次负荷有着十分密切的关 系，具体如下： & 额定二次负荷越大，其精度变化范围越大，即当二次负荷在最大值与最小值 之间变化时，其正、负误差最大值越接近该精度等级的极限值。 b c v t 的负荷一精度曲线是一条过零点的直线。根据g b ，r 4 7 0 3 2 0 0 l 电容 式电压互感器5 2 3 条要求c v t 的二次绕组在2 5 1 0 0 额定负荷的范围内均满 足额定精度要求。所以，厂家在调试c v t 的精度时，总是以6 2 5 0 负荷点为零点， 即该工作点的精度最高，误差为0 ；2 5 6 2 5 0 负荷以下为正误差，负荷越小， 正误差越大；6 2 5 0 以上至1 0 0 , 4 以下负荷为负误差，负荷越大，负误差越大：若 负荷小于2 5 额定负荷或大于1 0 1 p d 顽定负荷，c v t 的精度均可能超出额定精度的 范围。 根据上述特点，为了在实际使用c v t 时，能获得最佳使用效果，应尽可能算准 c v t 的实际使用负荷，并合理地确定c v t 的额定负荷。，一般来说，选择c v t 的 3 重庆大学工程硕士论文1 绪论 额定负荷为实际负荷的1 6 倍时，可使c v t 实际工作点在最高精度点上。 根据某省电力科学研究院等单位的调查、统计，以及运行经验和对大量用户对 c v t 实际使用负荷的调查发现，由于电子仪器、仪表及电子计算机保护的大量使用， 实际使用c v t 的最大负荷不超过3 0 v a 。因此在确定c v t 的额定二次负荷时，一 定要仔细核算实际需要的二次负荷。 1 1 4 熔断器概述及注意事项 熔断器是最简单的一种保护电器，它是在电气设备承受大的电流时，先于被保 护的电气设备而熔断，起到保护该电气设备免受过载和短路电流的损害。在实际应 用过程中往往将高压熔断器和高压接触器( 真空接触器或者是s f o 接触器) 相配合， 也被称为“f 二回路”。f 二c 回路可以应用限流式高压熔断器作为保护元件，关合 或者开断短路电流。而应用接触器来作为操作元件，接通或者断开负荷电流。在高 压系统中，如果仍选用断路器来开断短路电流，则在经济上的代价花得过大。利用 这种熔断器加接触器的方式既可以达到开断短路电流的作用以此来保护电气设备的 安全及人身安全又可以达到熄灭电弧的作用。于是与断路器的功能类似，因此在保 护一些电气设备的安全上如本文中的电容式电压互感器就采用了利用熔断器来对它 构成保护，以此来开断它上面的短路电流或因铁磁谐振产生的过流。 在选择高压熔断器的过程中应该选择故障几率小，能够有效地切断短路电流， 其额定电压u 。必须要大于或者等于电网的额定电压( ，。但是对于充填石英砂有限 流作用的限流式熔断器，由于其灭弧能力很强，熔体在熔断时因为截流而产生的过 电压，针对u 。= u 。的电网那个过电压约为2 2 5 倍相电压，对电网中的电器设备 的绝缘不会造成影响；但是如果在u 。 c t + c 2 ) 当电源电压d 短路时，从a 、x 看过去等值阻抗为： x ：j 一 ( 2 2 ) 。( c l + c 2 ) 式中墨即是c l 与c 2 并联后的容抗。由此得到简化了的等值回路如下图所示： l o 重庆大学工程硕士论文2c v t 及其熔断器的工作原理 如 磁 图2 4 电容式电压互感器的等值电路 f i g u r e2 4e q u i v a l e n tc i r c u i to f c v t 图中等值电源电压为7 专吼( 即电容分压器不带负荷时c 2 两端的电压) ，电 o l 1 v 2 源的等值内阻抗为c l 与c 2 并联后的容抗。简化后的等值电路与一般电磁式电压互 感器的等值电路相似，只不过在一次侧增串了电容( c l 、c 2 ) 和调谐电抗器( r 、工) 。 由于u c ：与以此电压u 成比例变化，故可以测出相对地的电压，当c 2 两端与 负荷接通时，c 1 、c 2 上有内阻抗压降，使得，小于电容分压值，造成误差。为解 决这一闯题，获得理想的电压源，在网络中串入了补偿电抗l 于是可以得到工频 内阻抗： z ：砌e + 三一 ( 2 3 ) 。_ ，出( c l + c 2 ) 当础2 石面- 1 丽时r 输出电压u c z 与负荷无关实际上由于电容器和电抗器 都不是理想元件有损耗，会产生一定的误差。由图2 3 所示的等值电路，为简化分 析，不计电阻包括r 、焉、砖和激磁电流厶，于是得到c v t 的工作相量图如下： 图2 5 电容式电压互感器相量图 f i g u r e2 5p h a s ed i a g r a mo f c v t 由图2 3 和图2 5 可知： u c 2 = 以+ _ ，x = 以+ ，+ 五+ z ) ( 2 4 ) 重庆大学工程硕士论文2c v t 及其熔断器的工作原理 由于j o 一，2 x o ，i c 2 = j o ) c 2 u c 2 ，即，o 滞后29 0 。，而，c 2 超前u c 29 0 ， 则有关系式： 又电压i 滞后，a9 0 9 ，则有关系式： c = u c - + u c 2 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由前面的相量图和关系式可以看出电容式电压互感器中的一次侧电压u - 和二 次侧规算到一次侧的电压以在幅值和相位上均有误差，通常其电压幅值误差在 ( 3 5 ) 之间，而角度误差在5 。左右 3 1 ，但本文所关心的不是误差产生的原因， 这里不作详细讨论。而是在开关投入该电容式电压互感器瞬间在充分考虑误差的情 况下，二次侧发生异常情况对一次侧电流的影响，以此来分析其熔断器可能发生爆 炸的原因。 2 1 _ 3 该c v t 的工作参数 本文所分析的是由西安西电电力电容器有限责任公司生产的型号为 t y d 3 5 3 七矿一0 0 2 f h 电容式电压互感器( c v t ) 。该电压互感器的一些参数如下， 以便作为下一章分析事故原因的依据。 它的一次侧额定电压为3 s l a t y ，额定频率为5 0 h z ，总电容量为0 0 2 0 0 3 2 p f ， 其二次侧的相关参数如下表： 表2 1 该c v t 二次侧的参数 t a b l e2 1s e c o n d a r yp a r a m e t e r so f t h i sc v t 二次绕组l a 1 n2 a - 2 nd a - d nd o 一砌 额定电压( v ) 1 0 0 店1 0 0 压 1 1 0 0 压 额定输出功率4 v a ) 1 0 05 04 0 准确等级o 5o 53 p 2 2 熔断器的工作情况 2 2 1 熔断器的基本结构 本文研究所用到的是型号为r w 9 3 5 0 5 的熔断器，它肩负保护前面所提到的电 容式电压互感器不受过流而损坏。其外观示意图和基本结构图如下所示： 1 2 重庆大学工程硕士论文 2c v t 及其熔断器的工作原理 ( a ) 熔断器的外观图 ( a ) a p p e a r a n c ep l a n so f f u s e 1 熔体管2 瓷套3 棒式支柱绝缘子4 紧固法兰5 接线端帽 ( b ) 、熔断器的结构示意图 ( b ) s m j c n j r eo f f u s e 图2 6 熔断器的外观及结构图 f i g u r e 2 6 a p p e a r a n c e a n d 鲥n k n e o f f u s e 重庆大学工程硕士论文 2c v t 及其熔断器的工作原理 由图2 6 ( b ) 的熔断器的结构示意图，可以清楚地看到熔断器是由熔断体管、 瓷套、紧固法兰、棒形支柱绝缘子和接线端帽等部分组成。运用压装的方法将两端 的接线端帽和熔体管固定在瓷套内，然后用紧固法兰把瓷套固定在棒形支柱绝缘子 上。在认识到了熔断器的内部结构后，下面对其工作原理进行介绍，为后面的原因 分析提供依据。 2 2 2 熔断器的工作原理及开断过程中压力特性分析 前面已经提到过，在保护高压电气设备的时候，应用限流熔断器和接触器来代 替价格较高的断路器，可以同时断开短路电流和熄灭由此产生的电弧，以此来提高 经济效益。其具体的工作原理是：熔体管采用含氧化硅较高的原料作为灭弧介质， 应用小直径的金属线来做熔丝。当过载电流或短路电流通过熔体管时，熔丝立即熔 断，电弧发生在几条并联的窄缝中，电弧中的金属蒸汽渗入石英砂中，被强烈游离， 迅速把电弧熄灭。所以，这种熔断器性能好，开断容量大。本文所分析的熔断器是 保护电压互感器的高压熔断器，在选择过程中只需要按照额定电压和短路容量两项 来选择，熔断时间一般足够。不需要热稳定校验。当短路容量较大时，可以考虑在 熔断器前串联用于限流的电阻。 本文所研究的是熔断器的爆裂情况，与其开断短路电流时，所承受的压力有关， 下面就将介绍熔断器在开断过程中的压力特性。 熔断器开断过程产生的压力分为两部分：熔体刚刚气化起弧瞬间产生的脉冲形 式的压力爆炸压力；整个燃弧期间产生的压力燃弧压力。本文所研究的主 要为爆炸压力。其产生和传播的机理是：熔断器起弧过程的弧前阶段，熔体的温度 随电流的增加而上升当达到熔点时，由于电磁收缩力和表面张力的作用出现“液珠” 现象。电流越大，“液体”现象越严重，连接“液珠”之间的金属液体越细，电流密 度越大，温度越高，使这部分熔体首先气化，由于气化时间极短和周围石英砂的限制， 所以金属蒸气瞬间对石英砂产生很大的冲击和挤压，同时“液珠”之间的间隙很小， 金属蒸气的电导率很低，该间隙在很高的电场下很快被击穿。于是，电弧又强烈地 冲击周围的石英砂。产生一上升很快、持续时间很短的脉冲形式的爆炸压力。许多 串联的“液珠”之问的金属并非同时气化产生电弧，而是有先后的，最后形成一个电 弧串。该过程在电弧电压波形上表现为迅速上升，且电流越大，上升过程越快。在 电弧串的形成过程中，每一电弧处都产生一爆炸压力，并各自以自己为中心向周围 传播，这些压力源产生的压力共同作用，便形成一个比单个压力源的压力大得多的压 力。根据热力学观点，在“液珠”现象下，电流越大，压力越高，熔体的沸点也越高， 所以，爆炸压力也越高。电弧串的产生需要一定的时间，因而每一起弧点处压力的产 生也有一定的时间差。当起弧电流较小时，其峰值出现的时刻相差都较大，叠加后 形成的爆炸压力幅值较低、上升时间较长。反之，爆炸压力幅值较高、上升时间较 1 4 重庆大学工程硕士论文2 c v t 及其熔断器的工作原理 短。由于受爆炸压力产生的猛烈冲击，石英砂由静止状态开始位移、被压缩、密度 增高，颗粒之间产生力的相互作用。这个力又进一步向前传播推动更远处静止的石 英砂。在爆炸压力在传播过程中，能量不断消耗于对石英砂做功，其波速、压力、 能量都将随着传播距离的增加而很快减小。即使能量不消耗，也会因波阵面越来越 大，能量不断扩散，使波速、压力、质点速度都减小。从而将使波阵面遭到破坏， 波前蜕变，波前的上升时间逐渐变长、上升速度变慢，波尾延长，波的持续时间变长。 在介绍了爆炸压力的产生及传播机理后，为进一步的研究熔断器熔断时所产生 的爆炸压力，下面介绍一下它的数学模型。在压力波的传播过程中，波阵面上的压 力、质点速度和石英砂密度的变化满足质量守恒定律和动量守恒定律。利用这两条 基本定律和石英砂的物态方程，构成一个封闭的方程组，可求解压力波在传播中的各 种问题。描述波在介质中运动的质量守恒定律和动量守恒定律方程表示如下： 警一咿嚣一掣= 。 亿， 百o u 一去( 嚣= o c 2 8 ) 融、 。粥 式中，- - e u l e r 坐标下的距离，m m ； 手i a g 陷n g e 坐标下的距离，m m t 户压力： f 变形系数； 占：( 岛一p ) p ； 岛，p 石英砂的起始密度和受压后的密度； “石英砂质点的速度； r 时间； 球面波口吃； 柱面波口= 1 。 采用局部迅速热动平衡的概念将石英砂的物态方程用于动态过程，石英砂的物 态方程为 p = k 6 p( 2 9 ) 式中p = 3 1 5 x 1 0 9 p a ； = 1 2 1 3a 式( 2 7 ) ( 2 9 ) 组成一个封闭的方程组，可以计算任何时刻的p 、。假 定当爆炸压力通过石英砂时，其密度由p o 变为成( 最大压力时的密度) 。压力波 过后，成保持不变。在最大压力的波前处，石英砂变形最大，并且艿保持不变。与 整个熔断器相比，石英砂质点的位移非常小，可认为r = 善，5 l 。波阵面处边界 重庆大学工程硕士论文 2c v t 及其熔断器的工作原理 条件为： p = p o u n ( 2 1 0 ) h = 一c n ( 2 1 1 ) 式中波速，；d r 。 饼 由式( 2 7 ) 一( 2 1 1 ) 可求得熔断过程中承受的最大压力只表达式为； 球面波： 柱面波： 己=鼹p。2r(r_ro)jmor 只= 鼹叫妒w ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 由上面的式子可以计算得出熔断器在熔断过程中所承受的最大压力，可以看出 存在一定距离r ，当熔管的长度r 小于这个距离时，承受的最大压力只将会较大1 4 ， 当所选用的熔断器熔管的抗爆炸压力强度小于这一压力时，则会造成熔断器爆炸的 现象。 2 2 3 该熔断器的工作要求及相关技术参数 该熔断器为保护电容式电压互感器的高压熔断器，在应用过程中，其工作要求 如下： ( 1 ) 工作的环境温度不高于+ 4 0 c ，不低于4 0 c 使用，不适用于有燃烧、爆炸 危险、剧烈振动、摆动冲击的场所及重污区。 ( 2 ) 该熔断器允许水平或垂直安装。 ( 3 ) 熔体管的数据与线路的使用电压和额定电流不符时，不得接入线路使用。 ( 4 ) 熔体管熔断后，用户可自行将接线帽拆开，更换同样规格和性能要求的熔 体管。 在符合上面的工作要求的情况下，该变电站在3 5 k v 侧的电容式电压互感器上 装设了这种熔断器，为了分析其异常爆裂的原因，将相关的技术参数如下表所示： 表2 2 该熔断器的参数 t a b l e2 2p a r a m e t e r so f t h i sf u s e 额定线电压额定电流最大开断容量切断最大短路电流限流值 过电压倍数( 不超过) ( k v )( a )( i 、，a )( k a ) 3 5o 52 0 0 02 82 5 倍工作电压 2 3 本章小结 本章介绍了电容式电压互感器( c v t ) 及其熔断器的基本结构，即在此基础上 1 6 重庆大学工程硕士论文2c v t 及其熔断器的工作原理 详细分析了该电容式电压互感器的工作原理及相关的工作参数，同时，为了更好地 分析熔断器爆裂的原因，详细介绍了熔断器在熔断过程中所承受的压力情况及该熔 断器的工作要求和工作参数，为下一章对该事故原因分析及后面的解决方案的提出 打下基础。 1 7 重庆大学工程硕士论文 3 事故原因分析 3 事故原因分析 3 1 引言 通过前面的相关知识的介绍。对电容式电压互感器及其熔断器的基本工作情况 有了一个具体的了解。结合本文研究的具体问题一一起3 5 k v 侧电容式电压互感 器的熔断器在合闸瞬间异常爆裂，并且己知其在更换上另一台完好的电容式电压互 感器( c v t ) ，仍然出现相同的爆裂情况，本章针对这一问题，着重分析了二次侧短 路故障，中间变压器铁芯饱和引起谐振，连接一次侧的电网发生谐振的情况，在更 换熔断器操作过程中的不合理以及电力系统中带来的高频干扰等原因。并在下一章 中利用m a 耵。a b 仿真验证这些原因的合理性。为提出合理的解决措施提供依据。 3 2c v t 二次侧短路故障分析 3 2 1c v t 二次侧短路后的等值电路 在现场运行中，该电容式电压互感器( c v t ) 所接入的二次侧回路可能因长期 处于潮湿环境或者是其他原因( 包括人为接线错误等) 造成其短路，使二次侧电阻 很d j 4 1 。应用前一章所介绍的c 、厂r 的工作原理的分析，为了研究方便，由于在中间 变压器没有饱和的情况下，其励磁阻抗较小，可以将其忽略，由图2 4 得到该电容 式电压互感器( c v t ) 二次侧发生短路故障后规算到一次侧的等值电路如下： x h 图3 1 忽略励磁阻抗后c v t 的等值电路 f i g u r e 3 1e q u i v a l e n t c i r c u i t o f c v t n e g l e c t i n g t h e f i e l de x c i t a t i o n i m p e d a n c e rr 图中等效的电压源为；等，上，其中u 是一次侧电压，c i 、c 2 为分压电容，r 、 l l 十l 2 x 分别表示补偿电感线圈的电阻和电感，墨、五为中间变压器一次侧绕组的漏电 阻和漏电抗，墨、蔓为二次侧绕组规算到一次侧的漏电阻和漏电抗，昱：i i 、x _ 为 二次侧所接负荷规算到一次侧的电阻和电抗。f u 为熔断器。 1 8 重庆大学工程硕士论文3 事故原冈分析 3 2 2c v t 二次侧短路的危害 从前面的分析知道，c v t 在工作时，为获得理想电压源，在网络中串入了补偿电 感线圈，如图3 1 所示的r 和z 。由图3 1 可以得到该c 、厂r 的一次侧电流可以表示为： ，1 h = g + c 2 ) 【( r + 墨+ 砭+ 皇；j ，) + _ ，( 石+ 墨+ z + 爿二一k ) 1 ( 3 1 ) 式中各参数在前一小节已经介绍过，这里就不再一一叙述。由式2 3 可以知道 此时感抗x 与分压等效电容容抗j i = j + j 毛构成谐振以此来减小负荷对输出电 压误差的影响。由于变压器在正常工作时期漏阻抗较小，且当二次侧发生短路故障 时，其负荷阻抗r 。+ j r 。较小。所以在式3 1 中其分母部分较小，造成整个计算结 果偏大，使电容式电压互感器的一次侧电流，- 值过大，如果在二次侧熔断器没有即 时的开断这个短路电流的情况下，使得电容式电压互感器一次侧承受过流。实验测 得其短路电流可达到额定电流的几十倍，使得其短路容量超过了连接在电容式电压 互感器上的熔断器或者该短路电流的电动力超过了熔断器熔体所能承受的最大电动 力，导致该c v t 的熔断器熔断。 3 3 中间变压器铁芯饱和的情况 在实际运行中，由于合闸空载线路会引起过电压，导致该电容式电压互感器的 铁芯饱和而使得励磁电抗下降，激发稳定的电容和电感谐振，使系统的等效阻抗减 小，带来大的电流，引起该电容式电压互感器的熔断器熔断，具体的分析过程如下 面所述。 3 3 1c v t 的合闸操作过电压 本文所分析的这起事故是在合闸电容式电压互感器时其熔断器发生爆裂的情 况，因此，这里讨论其合闸过程中，它周围的线路及用电设备对合闸操作过电压的 影响。 由于在正常情况下a 厂r 二次侧近似于空载，为分析简化，在合闸过程中可以将 整个c v t 等效为一个电容，连接c v t 的线路等效为电感，将变压器等效为一电压 源，用集中参数表示的合闸过程的等值电路图如下： e c o s 6 0 t c 图3 2 合闸等值电路 f i g u r e3 2e q u i v a l e r c i f c u i ta f a rs 谢t c i l i n g0 1 1 1 9 重庆大学工程硕士论文3 事故原因分析 图中，e 。c o s a o t 表示所接系统的等值电压源，k 表示该电容电压互感器的合闸 开关，工为连接3 5 k v 母线和c v t 问线路的电感，c 为c v t 的等效电容。当k 闭 合瞬间，由该电路所建立的微分方程，根据初始条件，在该等效电容两端所加的电 压( 即c v t 一次侧所加的电压) 可以表示为： u 。，2 石i 爹药c c o s 耐一c o s 。 ( 3 2 ) 式中瓦为等效电源电压幅值，国为工频角频率，哦为回路自震荡角频率，且 = y r 鬲。在合闸过程中会产生很多次的谐波，当c o s o f o 时，此时弘( f ) 乓， 使电容式电压互感器上产生过电压，影响该过电压的因素有：( 1 ) 、该电容式电压互 感器上的残余电荷，使得该电容式电压互感器上有个电压初值；( 2 ) 、合闸相位，有 一定的影响，由于是多次实验，各种合闸相位角均存在，该影响可在一定程度上忽 略；( 3 ) 、线路上的电感与电容式电压互感器问发生谐振等。在了解这些过电压的基 础上，由于电容式电压互感器上存在电容和非线性电感，在承受过电压的条件下， 使得某些非线性电感饱和，特别是中间变压器发生铁芯饱和而使得该电压互感器等 值回路的阻抗减小，进而使得电流增大，在大的电流的冲击下，连接在上面配套使 用的熔断器发生爆裂。下面对这种情况的原理进行详细的分析。 3 3 2 中间变压器铁芯饱和的危害 前面已经说明在系统过渡过程引起的过电压造成非线性电感元件铁芯饱和，激 发稳定的电容和电感谐振，使回路阻抗减小，形成很大的谐振电流，使该电容式电 压互感器上的熔断器爆裂。此时由于该电容式电压互感器的铁芯已经达到饱和，励 磁电抗相对较小，此时不能够忽略励磁电流的影响。因此，此时由图2 4 可以得到 如下的等值电路，为分析方便，这里中间变压器的采用的是r 型模型进行等效。 如 图3 3 考虑励磁阻抗的c v t 等值电路 f i g u r e3 3e q u i v a l e n tc i r c u i to f c v te o m i d e r i n gt h ef i e l de x c i t a t i o ni m p e d a n c e 图中盂举每，c l ，q ，足，j ，爵，如这些参数在图3 2 的说明中均已经 介绍，这里就不在重复。，局表示中间变压器的等值漏阻抗，民，j 0 表示中 重庆大学工程硕士论文3 事故原因分析 间变压器的励磁阻抗。此时回路中有可能出现工+ j 乞+ j 接近等效电容的容抗k 的情况。此时，由于j 0 x i ，在不考虑回路电阻的情况下，该电路构成了一个串 联谐振的情况。此时，由于合闸操作可以带来各高次谐波以及分频谐波，有可能产 生多次或者分频的铁磁谐振，此时，回路中的总阻抗减小，该电容式电压互感器的 一次侧电流可表示为： c 1 u 1 1 。j ：。z 坠鱼!( 3 2 )，2 二1 二二2 0( 3 2 ) r + 如+ 如+ r m 由于回路中的各个电阻的值均比较小，故此时该电容式电压互感器的一次侧将 产生较大的谐振电流。为进一步说明熔断器上产生的过电流的情况，从图2 2 该电 容式电压互感器的结构图出发，并将中间变压器及其以后的部分等效为一电感，其 等效电路见下图所示： 图3 4 熔断器与c v t 的连接电路图 f i b r e3 4t h eq 姗 c i i n gc i r c u i tb c t w 啪c v ta n df i l 图中电源为u - ，用表示熔断器，c 1 、g 表示分压电容，z 表示a 仃的中间 变压器及其以后的部分，即整个虚线框表示c 、厂r 的等值电路图。此时。在不考虑回 路中电阻的情况下，其等值电抗可表示为： 叶壶+ 靠 ， s ， 当中间交压器铁芯饱和时，伴随励磁毫抗j 0 的减小，等值电感z 随之减小， 当2 南时产生谐振其中国表示基频或者高频的谐振频率此时电抗很 小，会产生一个大的电流流过该电容式电压互感器的熔断器凡，最终使其爆裂。 2 1 重庆大学工程硕士论文 3 事故原因分析 3 4c 与其相连的一次侧电网问发生谐振 为计算方便，作了如下简化，首先前面已经提到过由于电容式电压互感器的阻 抗较大，可以等效为一个电容，其次线路主要以电抗为主这里将其等效为电抗。其 简化后的接线图如下： f ux l 电源 图3 5 线路与c v t 的连接图 f i g u r e3 5l i n ea n dc v t c o n n e c t i o nd i a g r a m c v t 这是一个简单的电路结构，当该线路与电容式电压互感器正好构成某次谐波的 谐振时，即此时置= j ，c ，其中置为线路等效电抗，j ，c 为c v t 的等效容抗，此时 在电容式电压互感器上产生会过电压，由此造成变压器铁芯饱和的情况嘲。如前面 一节所分析，将会造成很大的谐振过电流，可引起连接该电容式电压互感器爆裂。 3 5 引起该起事故的其他原因综述 3 5 1 更换熔断器操作不合理及熔断器选型不当 由于电容式电压互感器的熔断器其额定电流较低，当其中一相熔断器发生爆裂 后。由于各相间存在互感，另外两相熔断器虽然没有爆裂，但有可能已经严重损坏 或者内部的熔体的特性已经遭到破坏，如果单为了经济性考虑而仍然只换了一相的 熔断器，那么在第二次投入的时候，另两相仍然可能爆裂 6 - 8 1 。在更换过程中，没有 让回路中的设备特别是一些容性设备有足够的放电时间 9 - 埘，在重新投运后，由于 电容上有残余电荷，也会造成过电压，同样引起铁磁谐振而造成过电流，使熔断器 熔断。如第二章所述，熔断器在开断过程中，会产生较大的压力，当所选熔断器熔 管长度不当等原因导致熔管抗爆炸压力强度小于熔断器开断过程中产生的压力，熔 断器会发生爆裂。 3 5 2 高频干扰的影响 在电容式电压互感器的等值回路中，由于其连接的输电线路和其自身的等值电 路都含有大量的非线性电感和电容元件，都将带来高次谐波的侵入。同样，由于其 二次侧连接有载波通信装置，也会带来高频信号。该电容式电压互感器及其连接回 重庆大学工程硕士论文 3 事故原因分析 路的一些电容电感参数设置不合理的情况下，可以与这些高频信号的某一频率发生 谐振，同样会产生谐振过电流，导致保护该电容式电压互感器的熔断器爆裂。 3 6 本章小结 本章是在前面介绍了电容式电压互感器及其熔断器的工作情况的基础上，针对 该变电站中的电容式电压互感器的熔断器在投运时发生爆裂的原因从一次侧回路、 二次侧回路等多角度多方面进行了分析