关键词：
10kV电压互感器
一次侧熔断器
轻熔断
故障原理
仿真分析
抑制措施
摘要：
电压互感器在10kV中性点不接地系统电能计量与安全稳定运行方面起着非常重要的作用。为保护电压互感器与避免电压互感器故障对主系统产生的不良影响,一般在电压互感器一次侧安装熔断器。熔断器正常熔断的工作原理为当超过熔断器标称最小开断电流的故障电流流经熔断器一段时间后,该电流产生的热量使熔体温度超过熔断温度,从而使得熔体汽化起弧,并在灭弧介质作用下熄弧熔断。但许多现场运行经验表明:当与熔断器发热、散热有关的参数发生变化,从而引起熔体电阻值R增大或散热量减小时,低于标称最小开断电流作用于熔断器一段时间后,该电流产生的热量也会使得熔体温度超过熔断温度致使熔体汽化起弧,从而导致熔断器发生本不应该发生的异常熔断,我们把这种异常熔断故障称为轻熔断故障。电压互感器一次侧熔断器频繁发生轻熔断故障会严重影响供电设备的正常工作,甚至可能会影响整个电力系统的安全稳定运行,给社会发展带来不必要的经济损失。因此研究10 k V电压互感器一次侧熔断器轻熔断故障机理尤为重要,对于保证电网、设备的安全运行,减小经济损失意义重大。目前国内外学者针对熔断器正常熔断的弧前过程与熔断原因进行了一系列的研究,但几乎没有对熔断器发生异常熔断的熔断原因展开研究,轻熔断故障是熔断器异常熔断故障,因此目前对于熔断器轻熔断故障机理的研究还比较欠缺。本文以常见的10 k V电压互感器一次侧熔断器为研究对象,对该熔断器轻熔断故障机理开展了理论、仿真研究。首先,根据熔断器工作原理推导熔体温升过程数学模型,基于此得到低于标称最小开断电流作用下熔体稳定温度表达式,分析影响其数值大小的参数,并联系实际得到可能造成上述参数变化的实际原因主要为熔断器质量不佳与电力系统故障。轻熔断故障的实质为当低于标称最小开断电流作用于熔断器一段时间后,熔体稳定温度超过熔断温度,导致熔断器能在该电流作用下发生异常熔断。因此熔断器质量不佳与电力系统故障造成参数变化引起该稳定温度上升可能导致10 k V电压互感器一次侧保护用熔断器轻熔断故障的发生。其次,针对熔断器质量不佳引起参数变化对熔断器的影响进行了ANSYS仿真分析。熔断器质量不佳会导致熔体材料物理、结构等参数不达标,从而引起熔体热传导系数、常温电阻率、截面半径、长度、石英砂热传导系数等参数发生变化。为研究上述参数变化对熔断器的影响,仿真建立了熔体热电耦合有限元模型,对标称参数熔体及非标称参数熔体在不同交流电流作用下的温升过程进行了仿真计算。仿真结果表明:若熔断器质量不佳引起常温电阻率增大、熔体截面半径减小、熔体长度增大、石英砂热传导系数增加,将可能导致10 k V电压互感器一次侧保护用熔断器发生轻熔断故障。同时根据仿真结果分析得到抑制该熔断器轻熔断故障的措施。最后,针对电力系统故障引起参数变化对熔断器的影响进行了ATP-EMTP仿真分析。仿真中建立了10 k V电压互感器工作电路,对系统单相接地故障及电压互感器单相一次绕组非稳定匝间短路故障后一次电流值进行了仿真计算。若该故障电流介于熔断器标称额定电流与最小开断电流之间,且该故障长期存在,则可能导致熔断器熔体表面出现氧化层,引起熔体出现有效通过电流面积减小等变化,从而导致熔断器轻熔断故障的发生。仿真结果表明:当匝间短路故障范围一定时,电压互感器一次绕组单相非稳定匝间短路故障引起的故障电流介于标称额定电流与最小开断电流之间,且由于该故障将长期存在,因此该故障可能会引起10 k V电压互感器一次侧保护用熔断器发生轻熔断故障。同时根据仿真结果分析得到抑制该熔断器轻熔断故障的措施。
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