基于10kV配电网PT频繁故障的仿真与改进措施研究

基于10kV配电网PT频繁故障的仿真与改进措施研究

张鹏万

(广东省顺德开关厂有限公司广东省佛山市528300)

摘要：目前，我国10kV配电网中性点接地主要采用小电流接地方式，包括中性点不接地和经消弧线圈接地。这种系统虽然供电可靠性较高，但单相接地时由于非故障相电压升高，容易发生高幅值的弧光接地过电压。同时母线上的电压互感器（PT）通常需要将中性点直接接地，当发生合空载母线、单相接地消失或者系统负荷剧烈变化等情况时，PT励磁电感可能与系统对地电容形成谐振，从而引发过电压现象，造成系统过电压和PT高压绕组中的过电流，严重影响系统的安全运行。本文分析了基于10kV配电网PT频繁故障的仿真与改进措施。

关键词：10kV配电网；PT故障；仿真；措施；

过去由于10kV配电网线路对地电容小，与P电感匹配易形成铁磁谐振，很多文献都是以此观点进行分析。随着10kV电网的发展，系统的对地电容已经避开了铁磁谐振区域，但PT故障仍时常发生，这就需要做进一步分析。

一、PT故障原因分析

1.铁磁谐振。在中性点不接地系统中，由于PT励磁电感和系统对地电容参数匹配，在一定激发条件下，可能会导致系统出过电压，产生铁磁谐振现象，此时铁芯处于高度饱和状态，其具体表现形式可能是相对地电压升高，励磁电流增大，低频振荡等。

2.瞬时性接地故障恢复后电网对地电容通过定线电压作用下的励磁感抗。电磁谐振并不是PT一次熔断器熔断的唯一原因，电网发生瞬时性接地故障时系统三相对地电容在接地过程中的发生的充放电也是造成一次保险熔断的原因之一。以单相接地故障为例，当电网的中性点处于不接地方式运行时，Y0接线的PT高压绕组，就成了电网中三相对地的唯一通道。当电力系统正常运行时，线路对地电容所带总电荷之和为零；当电力系统发生故障时，非故障相的对地电容将充上和线电压相对应的电荷，接地故障消失后，非故障相将恢复至正常相电压。对地电容C0电网间歇性的瞬时单相接地故障就相当于以上过程的反复，造成的冲击电流就相当于几次累计后的效果，使PT高压侧熔断器更容易熔断。为了更好地论证线路对地电压不平衡对电网的影响程度及验证改进措施，利用仿真软件建立系统模型进行论证和分析。中多余的电荷只能通过PT高压绕组泄放，相当于一个直流电源作用在带有铁芯的电感线圈上。在这一瞬变过程中，如果线路长度较长，线路对地电容大，PT高压绕组中将会流过一个幅值很高的直流饱和电流，使PT铁芯严重饱和，这时在工频电压作用下将产生很大的暂态冲击电流，造成PT高压侧熔断器的熔断。发生接地故障后，母线电压会发生变化，根据电压等参数的变化，可以判断出接地故障的类型。这里总结了一些小电流接地系统的故障现象，以此来判断故障类型。

二、基于10kV配电网PT频繁故障的仿真分析

1.模型建立。按照变电站的实际接线方式建立该母线的仿真模型，为尽可能模拟实际配电网的运行情况，变压器模型采用BCTRAN模型,参数设置依变电站的实际情况设定。电缆架空线模型采用LLC模型，为简化处理，每相电缆和架空线均采取相同的参数，电缆采用单芯电缆的π型模型，导线电导率均为1.5E-8Ω•m。直流电阻为0.1181Ω/km，按实际线路情况输入不同线路的长度，得到各个出线的电缆和架空线串联电阻模型模型。PT采用非线性电感串联电阻模型，ZN05A装置电抗值设为6.4mH。

2.仿真计算。模拟某条出线在A相0.2s时发生弧光接地，弧道电阻设置为5Ω，在0.5s时弧光接地消除。在此全过程中各PT线圈中电流的变化过程为：在0~0.2s期间，系统处于正常运行状态，PT一次绕组电流小于10mA；在0.2s，A相发生弧光接地，PT一次绕组电流依然小于10mA；在0.5s，弧光接地故障消除，激发低频振荡，三组PT中励磁电流发生异常增大，其中励磁特性较差的52PT、55PT一次绕组电流均超过0.75A，振荡频率接近2.7Hz，幅值随时间衰减极为缓慢，长达10s以上。三组PT上的电流分布呈现为励磁特性好的PT上电流小，励磁特性差的PT上电流大的特点。电三组PT上的电流分布呈现为励磁特性好的PT上电流小，励磁特性差的PT上电流大的特点。另外将仿真计算的52PT电压波形曲线与电能质量在线监测装置录得的故障时的电压波形对比，两者的波形比较吻合，证明仿真结果准确、可靠。

3.原因分析。结合该站实际参数，系统每相对地电容约为18μF，估算PT在额定线电压作用下的励磁感抗约80kΩ，在线路发生单相弧光接地时，不会出现大电流流过PT，但当弧光接地消失时，线路电容与PT阻抗就发生超低频振荡。电容电流储存的电荷对PT放电，导致较大的电流流过PT一次绕组，并且持续时间较长，容易引起PT熔断器烧断，此即为瞬时性接地故障恢复后电网对地电容的放电。此时系统已脱离了谐振区域，因此PT熔断器频繁熔断并非铁磁谐振所致。当一段母线上接多组PT时，电流与相应电压下PT励磁阻抗成反比分配，阻抗小的PT电流大，熔断器也容易烧断。通过PT不同电流大小，励磁特性好的装置PT流过较小的电流，而励磁特性较差的流过较大的电流，这样就可能使熔断器更容易烧掉，分析结果与实际情况相吻合。

三、改进措施分析

基于以上分析，电网单相接地故障恢复后线路对地电容通过PT放电而产生的暂态冲击电流是造成变电站10kV系统PT高压熔断器异常熔断的主要原因，而PT励磁特性不同引起暂态冲击电流分布不均亦是其熔断的重要原因。从以上仿真可以看出，装置的投入并不能抑制超低频暂态冲击电流的发生。为此，在实际应用中，我们可以选用励磁特性更好的PT，并尽量使并列运行的PT励磁特性相同或相近，除此之外还可以从以下几个方面考虑。一是在中性点加装消谐器。为了抑制高压侧熔断器熔断，在中性点加装消谐电阻器，消谐器装置为非线性电阻，将其代入并进行A相在0.2s时发生弧光接地，0.5s时熄灭时的仿真，得到流过三个PT的一次侧电流。加装消谐装置不仅可以减小电流幅值，并以更快的速度衰减至很小，因而可有效解决接地消失时，在PT高压绕组上产生的大电流问题。但与此同时，电流幅值有了一定的增长，为了限制电流，在其一次侧也加装消谐器。二是采用4PT接线方式。PT接线方式是在PT高压侧中性点加装一个单相零序PT，正常运行时零序PT中并不通过电流。此方法相当于改善了PT电压互感器铁心的励磁特性，增加了零序电抗，减小原PT承受的零序电压，使其不容易进入饱和区以上出现电流分布不均的原因是由于各PT在一定电压和频率情况下，PT阻抗分布不均所造成的。单相故障消除后母线电压还将周期性地到达10kV，这时容易饱和PT的在线电压作用下阻抗将变得更小。因此，但当母线有多PT并联时，需同时考虑各个PT，使各PT加装消谐器或零序PT后，能在振荡频率和线电压下保持PT连同串联器件的总阻抗尽可能相等，防止暂态电流集中于某一PT，以杜绝任何PT的熔断器因过流被熔断。三是其他改进措施。在PT二次侧安装阻尼电阻，相当于在变压器高压侧Y0接线绕组上并联一个电阻，正常运行时，零序电压绕组所接的电阻不会消耗能量。在实际应用时，需考虑到阻尼电阻的容量要求，当阻尼电阻太小时，PT过载现象严重，可能使电阻本身因过热而烧坏，因而需使用其他一些方法加以克服，设计较为复杂。另外，系统还可以在设计时采用中性点经消弧线圈接地的方式。

在多PT并列运行的母线中，应慎用只在单个PT上加装消谐器或4PT接线方式的方法，而需同时考虑各个PT，以杜绝任何PT的熔断器因过流被熔断。展望未来，如果能开发出一种能即时识别断线故障的保护装置，并即时切除发生断线故障的线路，相信定能有效减少受接地试漏影响而停电的线路条次，大大提高供电可靠性。

参考文献：

[1]阙波，陈蕾，邵学俭．一种配电网单相接地故障判断新方法及其应用[J]．高压电器，2017，53(6)：191—196．

[2]张海．小电流接地系统接地故障的判断与处理[J]．机电信息，2015(21)：9．

[3]孙舒燕，马晓华．变压器铁心多点接地故障的判断与处理[J]．内蒙古电力技术，2016，2l(5)：46—48．