随着电力系统网络的日益扩大,系统短路容量随之增大,电网上谐波也随之增多.在10 kV、35 kV中压电网中电流互感器(CT)、电压互感器(PT)是电力系统中一次与二次的连接环节,他们的各项性能指标直接影响整个电力系统的安全运行和二次自动化保护的正确动作.
由于电网中谐振现象的普遍存在,所以PT是电网运行中很容易出现故障的元件,选择时一定要谨慎;而某些10 kV、35 kV线路正常供电负荷又相对较小,造成选择CT时既要确保动热稳定要求以及线路短路时保护CT满足10%误差曲线要求,又要保证正常情况下表计测量的准确性,还要考虑结构紧凑、经济合理.实际运行中曾出现过线路短路时CT饱和,保护拒动,因而影响系统安全;也出现过变比选择过大造成计量不准,影响企业效益和信誉.因此在设计和选择PT、CT时必须综合考虑各种因素.
1变电站的实际应用情况
35kVxxx变电站主变容量8000kVar,电压等级35/10 kV.由于该变电站靠近110 kV变电站,10 kV母线短路容量较大,而10 kV出线负荷在一年内不同季节变化较大,正常时负荷比较小,农忙季节负荷又很大.10 kV出线负荷情况见表1.建站时10 kV开关站采用的是预装式开关站,其CT变比为两条线路100/5,两条线路150/5;PT为普通型JDZJ-10一组,采用RN110/0.5熔断器保护.在半年的实际运行中,出现了如下问题:
① 计量上出现35 kV侧与10 kV侧有误差现象;
② PT及保护熔断器各烧坏一只.经过分析认为原因如下: 10 kV侧负荷长时间小于CT负荷的50%,造成计量出现偏差;当地电网中谐振比较大,而PT又没有采取抗谐振措施,熔断器的反应时间过长造成的.伊店变电站35 kV侧系统阻抗为0.098 2 Ω.经计算主变额定容量运行时,10 kV母线三相短路电流为16.12 kA.根据以上计算,CT保护变比选择100/5,则10 kV母线三相短路电流将为CT一次电流的16倍多,而一般CT不超过10%误差曲线的倍数为10~15倍.根据有关技术反事故措施文件要求,10 kV、35 kV系统中CT保护变比选择应大于200/5,以保证继电保护动作的准确性.解决上述问题的措施如下:10 kV侧CT更换为双变比CT,计量、测量变比分别为50/5、100/5;75/5、150/5,保护级变比全为200/5;PT更换为JSZF-10三相一体式电压互感器,它具有抗谐振功能,熔断器换为XRNP-10/0.5型高分断能力的熔断器.投入运行至今两年多没有再出过问题.
2电流互感器的选择
首先根据线路的最大负荷电流选择CT的一次额定电流.确定线路的最大负荷电流时,应考虑回路可能出现的过负荷以及近5年来负荷的增长情况;其次是校验动热稳定要求.根据远景规划计算系统短路容量,由于系统短路电流较大,对于负荷较轻的线路的CT不能满足要求,此时只能提高变比以确保满足该项技术指标;第三是额定输出容量的选择.是指在额定一次电流、额定变比条件下,保证所要求的准确级时,所能输出的最大容量.
CT输出容量根据式(1)选择:
其中: I2为CT的额定二次电流,K2为连接导线的接线系数,Z2为连接导线的阻抗,R为接触电阻,取0.05~0.1 Ω,对于测量表计用CT:K1为测量表计的接线系数,Z1为测量表计的电流线圈阻抗,对于保护用CT:K1为继电器的接线系数,Z1为继电器的电流线圈阻抗.
测量表计用CT二次的实际容量应在额定容量的25%~100%之间,在这一范围内,电流互感器运行在磁化曲线的直线部分,误差最小.保护用CT二次的实际容量应小于额定容量.此外,保护用CT还应按10%误差曲线校验:
1)计算出CT二次所接的实际负荷阻抗Z.
2)计算出在最严重短路情况下,通过CT一次侧的短路电流为一次额定电流的倍数m=KkI1max/I1,式中I1max为CT一次侧可能流过的最大短路电流有效值;I1为一次额定电流值;Kk为可靠系数,取1~2.
3)根据厂家提供的10%误差曲线和算出的m值,查出二次侧允许接入的最大阻抗Zmax≥Z.
根据上述计算值及要求,经综合分析比较,选择出能满足上述各项要求的CT.但因上述各项要求是相互制约甚至相互矛盾的,选择比较时应注意以下两点:
1)大变比CT可使保护CT满足要求,但计量CT可能超出误差,因此应选用多变比计量CT,大变比保护CT.
2)选择大容量CT可能造成开关柜内设备过分拥挤,给检修带来不必要的麻烦,因此应适当选取CT的二次输出容量,以满足要求,少有余度为宜.
3电压互感器的选择
首先根据变电站的实际情况选择二次电压值及级别精度;其次是校验动热稳定要求;第三是额定输出容量的选择,此外需要注意的就是电网中的谐振对PT产生的危害,特别是分频谐振,它产生的过电压并不高,但流过电压互感器的电流却很大,可以达到正常电流的30~50倍[2],所以常常使电压互感器过热而爆炸,使整个变电站停电,造成比较严重的后果.
根据上述要求,经综合分析比较,选择PT时应注意以下三点:
1) 一次熔断器是保护PT的第一道关卡,它的选择是非常重要的.一定要选用具有高分断能力、响应时间快的熔断器.
2) 在输出容量许可的情况下,一定要选择本身带有抗谐振功能的PT.
3) 选用大容量PT时,由于大容量PT都是单相的,一定要加装消谐装置.
4结束语
PT、CT是35 kV、10 kV电力系统中保证表计计量准确和保护正确动作的重要组成元件,也是变电站系统中一次和二次自动化保护的主要连接元件,对电力系统的安全与运行都有直接影响.在选择PT、CT时,首先应保证它们的动热稳定要求,然后可通过选择多变比CT满足保护和计量要求,通过选择带有抗谐振功能的PT或加装辅助消谐设备的PT,以减少谐振对PT造成的危害.
PT、CT爆炸原因分析
PT爆炸原因分析
在6～35 kV的中性点非有效接地系统中，由于变压器、电压互感器、消弧线圈等设备铁心电感的磁路饱和作用，激发产生持续的较高幅值的铁磁谐振过电压。铁磁谐振可以是基波谐振、高次谐波谐振、分次谐波谐振。
这种谐振产生的过电压的幅值虽然不高，但因过电压频率往往远低于额定频率，铁心处于高度饱和状态，其表现形式可能是相对地电压升高，励磁电流过大，或以低频摆动，引起绝缘闪络、避雷器炸裂、高值零序电压分量产生、虚幻接地现象出现和不正确的接地指示。
严重时还可能诱发保护误动作或在电压互感器中出现过电流引起PT烧坏。1故障现象及相关数据6kV系统共有八段，采用的是xxx生产的电气组合柜，该厂设备自投产以来，主部件未发生大的缺陷，但其辅助测量PT发生了8台次损坏，现象表现为本体炸裂、内部绝缘物质喷出故障，致使6kV系统的相关保护不能投运，部分自动功能无法实现。这给厂用系统的安全稳定运行带来了极大的隐患。
2故障原因初探根据故障现象，经过初步判断，估计是由于下述的几个原因所致。
1) 产品质量不好：如果由于产品本身绝缘、铁心叠片及绕制工艺不过关等，均可能致使电压互感器发热过量使绝缘长期处于高温下运行，从而导致绝缘加速老化，出现击穿。该类型的电压互感器一次侧绕组发生匝间短路，这样电流会迅速增大，铁磁也将迅速饱和从而导致谐振过电压，使绝缘击穿，高压熔断器被熔断。
2) 电压互感器二次负荷偏重，一、二次电流较大，使二次侧负载电流的总和超过额定值，造成PT内部绕组发热增加，尤其是在电压高于PT额定电压(6kV)情况下，PT内部发热更加严重；再者，该系统属于中性点非有效接地系统，故一次侧电压在运行中容易发生偏斜，当某相出现高电压时，该相PT更加容易发生热膨胀爆裂。
表1故障统计编号 电压互感器型号 现象 备注
601 VKI7.2 C相爆裂，引起匝间短路 更换为JDZX8-6型电压互感器后，投运不到两天时间，又发生B相爆裂，引起匝间短路
603 VKI7.2 A相爆裂，引起匝间短路
604 VKI7.2 A相爆裂，引起匝间短路
606 VKI7.2 A、C相爆裂，引起匝间短路
607 VKI7.2 A、C相爆裂，引起匝间短路
主要技术参数：变比600/根号3/100根号3/100/3，额定容量90/100VA，上海互感器厂
注：1)VKI 7.2型电压互感器为引进型，国内相应的产品型号为JDZX8-6；6kVⅠ段至Ⅷ段各有一组(3台)变比为6000/3／100/3／100/3的互感器，
2)工艺为树脂浇注式半绝缘，一次中性点的耐受为3kV(出厂值)。
3) 由于铁磁谐振而造成电压互感器被击穿，因为：被击穿的电压互感器所处的母线带的负荷呈感性的比较多，特别是Ⅲ、Ⅳ段，带有大容量的深井泵，在负荷分配上其感抗大于容抗，由于某种原因，而使系统电压波动(如深井泵频繁启停等)，使电路中电流和电压发生突变，可能导致电压互感器铁心迅速饱和、感抗减小，当感抗小于容抗时，将产生铁磁谐振，导致电压互感器激磁电流增大几十倍，而过电压幅值将达到近2.5Ue，甚至于达到3.5Ue以上，而且持续时间较长，电压互感器在这样大电压、大电流下运行，使本身的温度也迅速升高，导致损坏。根据上述的分析，为此组织QC小组对其原因进行分析，同时派人外出调研，调研结果表明：
(1)应不存在产品质量问题，原因是该互感器在华东地区广泛采用，从收集的资料上看，该厂产品的业绩是良好的，虽然在某些地方也曾出现过一些问题，但xxxx电厂这样大量的损坏是没有的。
(2)怀疑电压互感器二次负荷偏重导致PT损坏的理由也不成立，原因是该PT 0.5级二次绕组额定容量为90 VA，在1998年11月16日，测量了604PT二次侧星形接线负荷，在二次接线回路上施加100V的三相交流电源(停用备自投)，测得Ia=0.61 A，Ib=1.05 A， Ic=0.605 A，测得星形接线负荷容量：Sa=35.2 VA，Sb=60.6 VA，Sc=35VA，PT总输出容量为105.6 VA；次日，测量601PT二次侧星形接线负荷，在二次接线回路上施加100V的三相交流电源(停用备自投，有一块电度表未装)，测得Ia=0.4 A， Ib=0.7 A，Ic=0.4 A，测得星形接线负荷容量：Sa=23.09VA，Sb=40.04 VA，Sc=23.09 VA，PT总输出容量为69.28 VA。通过实际测量结果分析，除604PT有一相超出额定值外，其余均在额定值范围内，同时，按照PT的容量为一个数列，一般50 VA就能满足使用，所以说90 VA的容量应该是足够大的。因此，二滩大量的PT损坏原因应该为电磁谐振所致。
3铁磁谐振的几个特点
1)对于铁磁谐振电路，在相同的电源电势作用下回路可能不只一种稳定的工作状态。电路到底稳定在哪种工作状态要看外界冲击引起的过渡过程的情况。
2)PT的非线性铁磁特性是产生铁磁谐振的根本原因，但铁磁元件的饱和效应本身也限制了过电压的幅值。此外回路损耗也使谐振过电压受到阻尼和限制。当回路电阻大于一定的数值时，就不会出现强烈的铁磁谐振过电压。3) 串联谐振电路来说，产生铁磁谐振过电压的的必要条件是ω0=1／L0C＜ω。因此铁磁谐振可在很大的范围内发生。
4) 维持谐振振荡和抵偿回路电阻损耗的能量均由工频电源供给。为使工频能量转化为其它谐振频率的能量，其转化过程必须是周期性且有节律的，即…1/2(1，2，3…)倍频率的谐振。
5) 铁磁谐振对PT的损坏。电磁谐振(分频)一般应具备如下三个条件。
① 铁磁式电压互感器(PT)的非线性效应是产生铁磁谐振的主要原因。
② PT感抗为容抗的100倍以内，即参数匹配在谐振范围。
③ 要有激发条件，如PT突然合闸、单相接地突然消失、外界对系统的干扰或系统操作产生的过电压等。据试验分频谐振的电流为正常电流的240倍以上，工频谐振电流为正常电流的40～60倍左右，高频谐振电流更小。在这些谐振中，分频谐振的破坏最大，如果PT的绝缘良好，工频和高频一般不会危及设备的安全，而6 kV系统存在上述条件。4铁磁谐振的常用消除办法根据以上分析配电系统铁磁谐振的特性，就不难找到加以解决的办法。
通常的解决办法有：
1) PT一次的中性点加装阻尼电阻。该方法在已广泛采用，生产定型产品的厂家比较多，在实际运用中都取得了满意的效果。如西安电瓷厂生产的RXQ系列消谐器，该消谐器串接于PT一次绕组中性点与地之间，内部材料为大容量的非线性碳化硅电阻片及散热片等串联组装于瓷套内而成。其工作原理为：在低压下消谐器呈高电阻值(可达几百千欧)使谐振在起始阶段不易发展，单相接地时，消谐器上出现千余伏电压，它的非线性电阻下降，使其不影响接地保护的工作。
2) 在PT开口三角侧并联固定(或可变)阻尼，一些要求不太高的变电所或配电。
