科技与创新┃Science and Technology & Innovation
文章编号：2095－6835（2016）16－0088－02
2016年 第16期
10 kV电压互感器熔丝熔断的仿真计算研究
孙 志，孙素娟，王 倩
（1.国网江苏省电力公司泰州供电公司，江苏 泰州 225300；2.东南大学，江苏 南京 210096）
摘 要：基于铁磁谐振的暂态发展机理，利用EMTP-ATP软件建立10 kV中性点不接地系统模型，对系统中的铁磁谐振导致母线压变熔丝熔断的故障进行仿真研究。结果表明，分频谐振冲击电流是压变熔丝熔断的主要原因。在PT高压侧经非线性电阻接地，能够有效抑制铁磁谐振。
关键词：铁磁谐振；EMTP-ATP；电压互感器；熔丝熔断
中图分类号：TM457 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.088
往因此熔断。根据铁磁谐振的机理，谐振频率由振荡回路的电感和电容参数决定。由于PT励磁电感的非线性特性，电感值不是常数，谐振可以是基频谐振、高频谐振（3次、5次等），也可以是分频谐振（1/2，1/3，1/5等）。 2 数学模型
忽略线路的相间电容，系统正常运行时的电路方程为：
dψe1−i1r1−1+u0=0
dtdψ2
+u0=0e1−i2r2−dt
. （1）
u0+e1u0+e2u0+e3
++i1+i2+i3+RRR
（u0+e1）d（u0+e2）d（u0+e3）⎡d⎤+C0⎢++⎥+u0=0dtdtdt⎣⎦式（1）中：e1，e2，e3为三相电源电势；i1，i2，i3为流过PT的电流；rl，r2，r3为PT高压绕组的电阻；Ψ1，Ψ2，Ψ3为PT的磁链；u0为中性点电压；C0为导线对地电容；R为母线与电气设备的对地绝缘电阻。
为了不失一般性，当A相接地故障时，方程改写为：
dψi1r1+1=0
dt
dψ2
+u0=0. （2） e2−i2r2−dtdψe3−i3r3−3+u0=0
dt
当单相接地故障消失后，不管系统是否发生铁磁谐振，其等值电路与系统正常运行时的电路完全相同，因此，方程也是相同的。 3 仿真计算
EMTP 程序主要用于电力系统中电磁暂态过程的计算。本文以图2所示的电网简化模型为例，建立铁磁谐振仿真模型。
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低压配电网分布面广，直接面向用户，为了监视每相对地的绝缘情况，便于测量、计量和保护等，变电站母线一般装设有电磁式电压互感器（简称“压变”），以便为上一级变压器的后备保护、线路保护和测量、计量提供电压值。在中性点非有效接地的10 kV系统中，通常在压变高压侧装设熔断器，防止系统受压变或其引线上的故障影响，并保护压变本身。
电力网络在某种大的扰动或操作作用下，PT非线性电感元件可能饱和，从而与线路、设备的对地电容形成单相或三相共振回路，激发起持续的较高幅值的过电压，即铁磁谐振过电压。谐振时出现的异常过电压可能会导致绝缘闪络、避雷管爆炸、PT熔丝熔断等。 1 铁磁谐振
.com.cn. All Rights Reserved.系统暂态电流引起熔体发热是导致PT高压熔丝熔断的直接原因，而铁磁谐振是PT高压熔丝产生冲击电流的主要原因之一。
PT是铁芯电感元件，在系统遇到开关操作、雷击侵入等故障时，PT非线性铁芯饱和并与线路电容谐振，从而出现过电压、过电流。图1为配电网简化电路图，其中，EA，EB和EC为三相对称电源电动势，LA，LB和Lc为PT各相电感，C0为各相线路的对地电容，它与互感器各相电感并联后的综合导纳记为YA，YB和YC。
在系统正常运行的情况下，LA＝LB＝LC，因此，有YA＝YB＝YC，三相电路处于平衡状态，系统中性点电压为0. 当系统发生某些冲击性扰动，比如雷击、断路器合闸于空载母线、线路单相瞬间接地故障时，就会导致一相或两相对地电压瞬时升高。此时，如果PT的三相绕组受到的冲击程度不同，则三相绕组的饱和程度也不相同，进而导致各相的综合阻抗不同，使中心点电压U0发生位移。如果扰动使一相等值阻抗为容性，另外两相为感性，则YA＋YB＋YC将明显减小，会出现较高的U0，以激发铁磁谐振。而三相对地电压则为各相电动势E和位移电压U0的矢量和。由此可知，其中一相、两相甚至三相对地电压都可能会升高。
图1 配电网简化三相电路
图2 简化电网模型
铁磁谐振导致系统出现过电压和过电流，PT高压侧熔丝往
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2016年 第16期Science and Technology & Innovation┃科技与创新
仿真以单相接地故障为激发条件，分析母线三相电压、PT高压侧三相电流的暂态发展趋势。仿真所采用的PT励磁特性如表1所示。
表1 PT励磁特性
4.61 5.77 6.924 8.655 10.963 I/mA A相 2.21 3.28 5.91 18.42 48.49 B相 2.15 3.16 5.48 16.66 44.95 C相 2.32 3.52 6.06 18.03 48.56 U/kV LXQ型非线性电阻后，当单相接地消失后，系统中性点电压快速降为0，三相电压快速恢复正常工作状态，流过PT高压侧的电流也较快降低。电网中不再出现铁磁谐振故障表明，非线性电阻对谐振有明显的抑制作用。
10.0[kV]7.55.02.50.0-2.5系统中性点电压图3为故障过程中系统中性点电压、PT高压侧三相电压和电流的波形。
10.0系统中性点电压[kV]7.55.02.50.0-2.5-5.0-7.5-10.00.00.20.40.60.8[s]1.0(file fz.pl4; x-var t) v:UO - 20三相电压[kV]151050-5-10-15-20(file f0.0z.pl4; x-var t) v:UA 0.2v:UB v:UC 0.40.60.8[s]1.0 0.6[A]0.40.20.0-0.2-0.4-0.6(file f0.0z.pl4; x-var t) c:UA -IA 0.2c:UB -IB c:UC -IC 0.40.60.8[s]1.0 图3 系统中性点电压、PT高压侧三相电压和电流的波形
表2所示为发生分频谐振时的电压电流数据。
表2 分频谐振数据
过压倍数 电流幅值 过流倍数 谐振类型 2.24 0.56 A 33.3 1/5分频
分析仿真结果可知，当系统发生分频谐振时，流过PT的三相电流很大，过电流幅值为正常运行的数十倍。在如此高的过流作用下，PT熔丝往往瞬间熔断。这表明分频谐振对压变熔丝危害很大。 4 抑制分析
铁磁谐振发生的主要原因是，电网中电感与电容元件之间出现了能量振荡，因而产生了过电压和过电流。因此，可以引入电路损耗对振荡进行阻尼，使系统电源提供的能量不能维持铁磁谐振的持续发生。本文在压变高压侧中性点接入非线性电阻（LXQ型），仿真分析对谐振的抑制作用。
仿真时，单相故障的接地时刻与接地消失时刻与之前内容相同。在接地消失时，要立即投入非线性电阻，观察系统中性点电压、PT高压侧三相电压和电流，具体如图4所示。
对比图3和图4，经过分析可知，在PT一次侧中性点引入
-5.0-7.5-10.0(file fz.pl4; x-v0.0ar t) v:UO - 0.20.40.60.8[s]1.0 20三相电压[kV]151050-5-10-15-20(file f0.0z.pl4; x-var t) v:UA 0.2v:UB v:UC 0.40.60.8[s]1.0 0.2P T高压侧三相电流[A]0.10.0-0.1-0.2-0.3-0.4(file f0.0z.pl4; x-var t) c:UA -IA 0.2c:UB -IB 0.4c:UC -IC 0.60.8[s]1.0 图4 加入非线性电阻抑制后的暂态波形
5 结束语
通过对铁磁谐振的理论分析，并结合仿真验证，可以得出以下结论：①在中性点不接地系统中，导致压变熔丝熔断的主要原因是铁磁谐振；②分频谐振导致的PT过电流是压变熔丝熔断的主要原因；③在PT高压侧中性点接入LXQ型非线性电阻，对铁磁谐振具有很好的抑制作用，可以有效降低熔断发生的概率。 参考文献
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〔编辑：白洁〕
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