论电气成套设备ＰＴ柜运行事故的分析探讨

[摘要]总结近年来中压开关设备中PT柜运行质量事故,探讨电压互感器发生烧毁以及保护电压互感器的熔断器反复熔断之原因。分析当前电力系统配电网络中成套产品的配置设计存在之缺陷,进而提出消除事故隐患的改进方案。

[关键词]电压互感器限流熔断器额定电压因数并联/串联谐振消谐装置

中图分类号:TM1文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0920023-02

一、引言

在电力系统的变电站及配电网中,PT柜是不可缺少的功能单元,其主要组成为熔断器和电压互感器,是将电网的高电压转换成低电压,用以提供继电保护、自动装置及测量表计,同时实现自身的短路保护和绝缘监察。它属于连接在高压母线上所有元器件(如发电机、变压器、输电线路等)的共用电气装备。

近年来,很多电网工程的成套开关设备在调试、送电过程中,或者在已运行过程中,时常发生PT柜内电压互感器烧毁以及熔断器反复熔断的现象。如湖北电力公司某110kV变电站的35kV系统发生PT柜燃烧、河南电力公司某220kV变电站的10kV系统在运行过程中出现PT柜内电压互感器烧毁、云南某水电站发生电压互感器爆炸现象,还有许多电网项目在通电运行过程中保护电压互感器用熔断器出现多次熔断现象。

二、原因归纳及分析

出现电压互感器烧毁现象有一个共性:即所配的保护电压互感器用熔断器,其熔芯的额定电流皆为0.5A或1A,有的甚至是2A。而熔断器反复熔断现象也有一特点:即所配的保护电压互感器用熔断器,其熔芯的额定电流为0.2A、0.3A或0.5A。而电力系统的PT柜内均未配置一次和二次消谐装置。

针对事故发生的起因进行综合并加以归纳,主要有:(1)发生单相接地导致电压互感器烧毁;(2)进线开关的突然合闸、断续弧光接地等引起电压互感器本身的铁磁谐振,导致电压互感器损坏或使得保护电压互感器的熔断器反复熔断;(3)保护电压互感器用熔断器的额定电流与电压互感器的匹配存在缺陷。下面进行逐一分析:

(一)最高运行电压下的电压互感器运行时间要求

额定电压因数是电压互感器的主要参数之一。国家标准GB/T 1207-2006《电压互感器》中已明确说明:额定电压因数是与额定一次电压标准值相乘的一个系数,以确保电压互感器必须满足规定时间内的有关热性能要求并满足有关准确级要求的最高电压。并列出与各种接地条件相对应的额定电压因数标准值及在最高运行电压下的允许持续时间,见下表。

我国的3.6～40.5kV电网绝大多数是中性点非有效接地系统,而标准明确规定:“带有自动切除对地故障装置的中性点非有效接地系统的相与地之间,当系统额定电压因数达1.9时,应在30s内有效切除故障或断开电压互感器与系统的连接”。

中性点非有效接地系统中,发生单相接地时,另两相电压升高至√3倍,引起电压互感器输入端的两相电压达到额定电压的1.9～2.1倍。由于电压互感器的输入端电压升高,其磁通迅速达到饱和,使输入端的电流呈线性关系从而达到1.9～2.1倍。按照GB/T 1207-2006要求必须由电力系统在30秒内自动解除,否则在单相接地情况下电网出现微小波动时,电压互感器就可能被烧毁。然而根据电力系统的《运行规则》规定,电网发生单相接地时允许2小时内继续运行。从而出现电网在实际运行过程中,由于没有配置自动切除故障装置,导致电压互感器烧毁的现象时常发生。

(二)系统中电压互感器的铁磁谐振现象

我国3.6～40.5kV的输、配电电网基本上都是中性点不接地或中性点经消弧线圈接地系统,与电网并联的PT回路大部分采用电磁式接地电压互感器,其一次绕组作星形连接,中性点直接接地。这样,每相的一次线圈和每相线路对地的电容组成并联谐振回路,如图1所示。若每相对地电容相等,则各相总导纳大小相等,电网中性点的零序电压为零。各相的总复导纳为:

正常运行情况下,电压互感器的励磁阻抗非常大,由公式可知:对于总导纳的电纳部分,感纳小于容纳,故每相电路显容性。当电网出现冲击波动的非正常情况时,如空载母线合闸而导致电压互感器的一相或两相励磁电感降低,感性电流增大,又如单相断续电弧接地瞬间,其余完好的两相电压瞬时并振荡升高,产生很大的涌流,这就势必出现一相或两相电路显感性而另两相或一相电路显容性,电网中性点出现零序电压,电压互感器中出现零序电流,三相电路组成串联谐振回路,等效电路如图2所示。

可见,只要电网出现冲击波动,使得电路中的参数变化满足一定条件(谐振条件)时,就可能发生电压互感器一相电路的并联谐振、或三相电路组成的零序回路串联谐振,即所谓的铁磁谐振。电压互感器发生铁磁谐振时,其励磁电流迅速增大引起铁芯饱和,产生饱和过电压,增大的励磁电流以及产生的过电压都将造成电压互感器的严重损坏。

由于电压互感器的参数不同、特别是电网线路对地电容的不同,电压互感器的铁磁谐振通常主要为基波共振和分频谐波共振。基波共振的特点是对应相的电压、电流都升高,但电压升高的坡度较大而电流升高的坡度不大,这种现象就会导致PT柜中的电压互感器内部绝缘破坏而烧毁;而分频谐波共振的特点是各相电压、电流都升高,但电压升高坡度不大而电流升高坡度很大,一次电流达到电压互感器正常额定电流的40～80倍,有时甚至上百倍,这种现象就会导致PT柜中的电压互感器绕组发热,温度急剧升高而引起爆炸,或者导致高压主熔断器的熔芯反复熔断。

(三)保护电压互感器运行的熔断器配置要求

标准GB/T 15166.2--2008《交流高压熔断器第二部分:限流式熔断器》的附录C“使用导则”中,<保护电压互感器熔断器的选择>已明确:保护电压互感器的熔断器主要用来作为隔离装置,将故障的电压互感器从电力系统中隔离出来。因此熔断器不能确保电压互感器本身不被损坏,而这些熔断器的选择只限于它能承受电压互感器的励磁冲击电流。依据这一使用导则,通常成套生产厂及设计部门在选用PT柜中保护电压互感器的熔断器时,不论其额定输出大小如何,熔芯的额定电流皆选择0.5A或1A(有的甚至选配2A)。这种熔断器的选型配置仅能在互感器本身短路故障时起到熔断隔离作用,但不能满足因电压因数升高、铁磁谐振等现象而有效保护电压互感器的要求。

1.首先分析,我国3.6～40.5kV的电力系统,中性点为非有效接地,其成套开关设备的PT柜中,通常配置的电压互感器大多数为电磁式接地电压互感器。

如JDZ-10型,额定电压比:10000/√3∕100/√3∕100/3,以额定输出容量为:50VA、100VA、200VA、400VA等为例,计算出各种情况下的一次侧电流值:

注:电压互感器的阻抗值取Ud=0.6﹪;电压因数为1.9时互感器的励磁电流取IP=0.0025A、IQ=0.0065A。

2.其次再分析保护电压互感器用的P型限流型熔断器,国标GB/T 15166.2—2008对P型限流型熔断器的“弧前时间-电流区域极限”特性正在考虑中。将我国西安扬合电器有限公司生产的XRNP□-12型(如图3)与美国Bussmann公司生产的15.5CAVH型(如图4)之时间-电流特性进行比较:

图3:XRNP□-12型熔断器时间-电流特性曲线;图4:15.5CAVH型熔断器时间-电流特性曲线

从特性曲线的比较可列出如下表数据。

综合可以看出,美国Bussmann公司生产的15.5CAVH型保护电压互感器用限流型熔断器比较接近电压互感器在非正常运行时的保护要求。

三、解决方案

通过以上分析可知,发生PT柜内电压互感器烧毁以及熔断器反复熔断的现象之根本原因。其中,最主要解决的问题是电压互感器可能发生的铁磁谐振以及保护电压互感器用熔断器的选择。

(一)限制或消除电压互感器的铁磁谐振

采用的方法是一次消谐加二次消谐,其基本原理如图5所示。一次消谐就是在电压互感器一次侧中性点与地之间安装一接地电压互感器,能很好地抑制甚至消除电压互感器一次绕组中的过电压,限制铁磁谐振的产生,从而避免互感器的烧毁以及主熔断器的反复熔断。二次消谐就是在电压互感器的剩余绕组开口三角处安装消谐装置,即二次消谐器XZ。目前使用比较流行的是微机消谐装置,它的工作原理方式是当谐振将要产生时瞬间接通阻抗回路,能较好地消除铁磁谐振的发生。

(二)选用合适的保护电压互感器用熔断器

目前我国制造厂生产的保护电压互感器用P型限流型熔断器,额定电流分别有0.2A、0.3A、0.5A、1A、2A等规格。从以上的电压互感器一次侧过电流计算以及与熔断器的时间电流特性对照,我们可以得出:额定电压10kV电网中,采用国产的XRNP□-12型熔断器,应选择额定电流为0.2A,才是比较符合保护电压互感器在非正常运行时不致损坏。

另外,国内应大力研究开发专用熔断器,使其时间电流特性更能接近满足标准GB/T 1207-2006要求。以保证PT柜中主熔断器能在电网不同的电压因数下合理运行并有效保护电压互感器。

四、结束语

选用合适的保护电压互感器的熔断器,就能有效避免电压互感器的烧毁,建议采用额定电流为0.2A的XRNP□型;PT柜内加装一次消谐和二次消谐,消除或限制铁磁谐振,避免熔断器的反复熔断。总之,两者兼顾应用,同时考虑配置自动切除对地故障装置,才能在很大程度上解决PT柜的运行质量事故。

作者简介:

丁永生,上海天正机电(集团)有限公司总工程师、副总经理。