新能源场站35kV不直接接地系统母线电压互感器一次侧熔断器频繁熔断故障分析及治理方案探讨

【摘要】在新能源场站35kV中性点不直接接地系统中，电磁式电压互感器以小车开关形式接至场站35kV母线上监视母线电压及电力设备运行状况，并供保护、计量、仪表装置使用。近几年35kV母线电压互感器高压熔断器频繁熔断，严重影响场站供电可靠性。本文通过故障统计并结合电压互感器的等值电路进行详细分析，得出了在电力系统发生单相接地故障，相对地电容改变、电压互感器铁芯深度饱和激发铁磁谐振以及电压互感器绝缘、励磁特性劣化等问题触发电压互感器一次侧熔断器熔断的结论。依据分析结果，提出了在电压互感器一次侧加装4PT降低电容放电冲击电流，加装一、二次或微机消谐装置来抑制铁磁谐振以及优化电压互感器性能等防止电压互感器熔断器熔断的治理方案，有效降低了熔断器熔断次数。【关键词】高压熔断器单相接地故障铁磁谐振消谐装置引言新能源场站风机出口电压690V升压至35kV后经集电线路汇合后变电站35kV母线，电磁式母线电压互感器以小车开关形式接至场站35kV母线上实现保护、测量、计量与控制的采样，监视母线电压及电力设备运行。近几年新能源场站35kV母线电压互感器高压侧熔断器熔断的问题越来越突出，熔断器熔断后对继电保护、计量都造成很大影响。一旦发生熔断器熔断就需要场站维人员及时进行变电倒闸操作和更换高压熔断器的工作，一方面增加了操作风险，影响场站安全稳定运行，另一方面造成大量的电量损失及经济考核。因此开展新能源场站35kV母线电压互感器熔断器频繁熔断问题研究，找出故障原因、制定应对措施刻不容缓。本文通过对内蒙区域新能源场站35kV母线电压互感器运行条件及其一次熔断器熔断情况的调查、统计和分析，整理并提出了35kV母线电压互感器熔断器频繁熔断的原因分析及应对措施。1.故障情况统计及原因分析1.1故障统计2018年至今，内蒙区域某新能源公司所属的22座场站共发生35kV母线电压互感器高压侧熔断器熔断故障14次，并且随时间有陆续上升的趋势。具体情况的统计数据如表1所示。表1：某区域电网电压互感器高压侧熔断器故障统计1.2

原因分析（1）故障恢复后的电容放电冲击电流引起熔断我公司内蒙古区域所属场站使用35kV母线电压互感器型号为JDZXF11-35R，联结组别为YN，yn，yn，开口三角，为方便分析，以图1等值电路进行分析：图1：3PT等值电路图(L为PT高压侧绕组等效电感，C线路对地等值电容)当系统正常运行时，系统所带的总电荷之和为零，当一相接地时，另两相电压升高到线电压，它们的对地电容也就充上了和线电压相适应的电荷。接地故障还在持续时，在线电压作用下，电荷以接地点为通路在导线和大地(电容器的一个极板和另一个极板)循环往复，形成电容电流。接地故障消除就相当于把导线电荷通往大地的这个通路被切断了，此时各线对地电压力图恢复到正常运行状态下的电压水平，即恢复为相电压值，而原来非故障相的导线是充以线电压下的电荷的，这个电荷是一定要找到出路泄往大地的。由于原来接地点己经被切断，电压互感器一次绕组成为母线侧对地唯一的金属性通道，自由电荷只好通过互感器的一次绕组泄往大地。如果自由电荷很多，在泄往大地的过程中就要引起铁心的过分饱和。具有过饱和铁心的电压互感器，在工频电源电压作用下将出现很大的电容冲击放电电流，进而造成熔断器熔断。我公司宝力格、卓越场站集电线路为地埋电缆方式，熔断器熔断前集电线路均发生过因电缆问题引发的接地故障，故障情况与上述分析一致。晨辉风电场集电线路为架空方式，该场站地处锡林浩特地区，集电线路运行环境恶劣，受雷击引发线路接地跳闸现象显著，熔断器熔断前集电线路均发生过因电缆问题引发的接地故障，故障情况与上述原因一致。通过以上分析因电容放电冲击电流引起熔断10次，占比71.4%。（2）谐振过电压引起熔断为方便分析，将图1所示等值电路变换为图2所示等值电路，每一相可以看成是一个由每一相对地电容C1和每一相励磁电感构成的并联支路组成。图2：等值电路图（EA、EB、EC为电源三相电势，C1为导线对地电容，L1、L2、L3为电压互感器高压绕组等效电感，U0为中性点位移电压）当母线电压较低时，互感器铁芯尚未饱和，ωL>l／ωC1,XL>XC1,IC>IL(电容电流大于电感电流)，此时相当于一个等值电容C11；当电压突然升高，由于铁芯饱和，使XL下降，达到一定程度时，会使XL<XC1,即电感电流大于电容电流(IL>IC)，此时，相当于一个等值电感L11。正常运行时，电压互感器铁心不饱和，所以并联支路处于容性状态。若令L1=L2=L3=L0,则并列后的各相导纳YA、YB、YC相等，即YA=YB=YC=jωC+(1／jωL0)，因而不会出现中性点不稳定现象，亦即中性点电位与地电位是重合的。当电网发生某种冲击扰动时，铁芯电感受到“激发”而呈现不同程度的饱和，从而破坏了三相电路的对称性，即YA≠YB≠YC，因此出现中性点位移。而且，位移电压可以是谐波频率的，形成工频、分频或高频铁磁谐振过电压。当中性点电压偏移时，我们使用单相来进行分析，在感抗大于容抗(ωL>l／ωC)时，电路不具备谐振条件，但当电压升高导致铁芯饱和时，其电感XL减小，当降到感抗等于容抗(ωL=l／ωC)时，发生谐振，于是在电感和电容两端出现高电压。电路中励磁电流急剧增大，达到额定电流的几十倍以上，引起电压互感器一次熔断器熔断。通过后续治理发现我公司某风电场是由于铁磁谐振问题引发的熔断器熔断，熔断3次，占比21.4%。（3）电压互感器绝缘、励磁特性劣化引起熔断针对运行超过10年的电压互感器开展感应耐压、局部放电、空载励磁特性测试，测试结果发现，电压互感器局部放电量接近或超过标准值，空载励磁特性的拐点电压远低于标准值。电压互感器绝缘、励磁特性劣化也是造成运行中互感器一次熔断器熔断的重要原因。通过检测发现我公司宏基风电场电压互感器绝缘、励磁特性劣化显著，由此引发的熔断次数1次，占比7.2%。2.改善与治理措施经过以上的调查统计分析，制定出出如下治理方案：2.1四PT方案采取4台电压互感器接线方式，其中3台为主电压互感器，1台为零序电压互感器。主电压互感器一次测绕组接成星形，中性点通过零序电压互感器的一次绕组接地。通过以上方式增加电容电荷释放回路阻抗减小电容放电冲击电流，同时也降低了主PT铁芯饱和度，可显著降低故障恢复后的电容放电冲击电流引起熔断器熔断次数，系统等值电路图3所示：图3：4PT等值电路图（EA、EB、EC为电源三相电势，L为PT高压侧绕组等效电感）2.2增加一次、二次或微机消谐装置在电压互感器一次绕组中性点装设非线性压敏电阻的一次消谐装置，使阻值随中性点电压变化而改变，抑制低频饱和电流消耗零序能量，避免谐振状态下PT快速饱和，抑制谐振。在电压互感器开口三角绕组中安装消谐装置，当发生谐振时，电压互感器中性点发生位移，三相电压不对称，出现零序磁通，高压绕组流过零序电流，在开口三角两端感应出零序电压，接有消谐装置时则有零序电流流通。该电流对高压绕组中零序电流建立的磁通起去磁作用，二次零序电流越大，去磁效果越明显，有效降低PT不饱和，抑制谐振。2.3更换投运10年以上的电压互感器经过统计论证，内蒙区域某新能源公司投运10年以上的场站所使用的35kV电磁式母线电压互感器广泛执行《GB1207-1997-电压互感器》标准设计制造，该标准受当时技术条件限制，对产品结构、材料、工艺要求偏低，随着新标准的执行，运行10年以上场站使用的电压互感器端部绝缘及空载励磁特性已不满足运行要求。随着运行时间的增加，电压互感器绕组端部绝缘、励磁特性劣化问题愈发显著，因此引发的电压互感器熔断器熔断问题呈上涨趋势。更换空载励磁特性好、抗饱和能力强的电压互感器改善电压互感器性能，可有效避免电压互感器在发生谐振时迅速饱和，减少因电压互感器性能劣化引起的熔断器熔断