配网PT熔断器故障分析及故障监测系统研究

李 兵 丁顺清 徐 峰 杨 义 刘 杰

（国网重庆彭水县供电有限责任公司，重庆 409600）

配网PT熔断器故障分析及故障监测系统研究

李 兵 丁顺清 徐 峰 杨 义 刘 杰

（国网重庆彭水县供电有限责任公司，重庆 409600）

PT熔断器是电力系统中重要设备，针对PT熔断器故障造成的原因，提出一种新的电压、电流双检测的方法。通过Matlab/Simulink建立熔断器故障模型进行仿真计算，分析了PT熔断器故障电压电流与故障原因之间的关系，并对熔断器故障的诊断技术进行研究。结果表明，铁磁谐振故障和系统中的低频饱和电流是造成PT熔断器熔断故障的主要原因。因此，检测电压、电流特征值对PT熔断器故障的诊断具有重要意义。

PT熔断器；电流检测；故障诊断

PT熔断器是电力系统中的重要设备［1］，PT熔断器熔断频繁异常，会严重影响变压器和计量仪表等供电设备的正常工作［2-3］，严重时甚至会导致大面积停电事故，影响整个电力系统的运行安全，给社会带来很多不必要的经济损失［4］。

根据运行经验，由于 PT熔断器故障所引起的停电事故，占平时各类故障的大多数［5-9］。熔断器故障的引发原因众多，系统原因造成熔断器熔断、电压互感器自身原因造成熔断器熔断、熔断器自身原因造成熔断器熔断、操作故障造成熔断器熔断和环境原因造成的熔断器熔断等［10-11］。因此，针对熔断器故障这一问题展开研究，并从理论上分析造成PT熔断器熔断的原因有很强的现实意义和实用价值。

针对引起 PT熔断器故障的因素进行有效的分析，通过Matlab/Simulink软件对熔断器建立模型，并进行仿真，从理论上来分析 PT熔断器故障的产生原因。通过仿真，记录相应的电流电压数据，并分析所得的实验结果。实验表明，由于各种原因所造成的铁磁谐振是造成 PT熔断器熔断故障的主要原因。根据仿真实验，提出相应的故障诊断和检测技术，并从根本上解决这一问题，将对提高电网的稳定可靠性具有重要的意义。

1 PT熔断器故障仿真模型

在电力系统中需要用到的熔断器数量繁多，电力系统PT熔断器和电压互感器模型［12］如图1所示，Rf为熔断器的仿真模型中的一个定值电阻，Rv、Rv1为电压互感器一次二次侧直流电阻，Lv、Lv1，分别是其相应的漏电抗，Rm是电压互感器的励磁电阻，ZL为电压互感器的负载，Ls是铁心线圈的非线性励磁电感。

图1 电压互感器与熔断器仿真模型

二次侧折算到原边阻抗为

折算后输入阻抗为

正常运行时，流过熔断器的电流为

1.1 单相接地故障模型

为了便于分析铁磁谐振对 PT熔断器的影响，用电阻与电感来模拟电压互感器，R1、R2、R3为电压互感器的电阻，阻值均为150Ω；L1、L2、L3为电压互感器的电感，其值大小均为85.6mH。铁磁谐振的仿真模型如图2所示。R4—R7为小电阻，阻值均为106.5Ω；C1—C3为系统中的三相电容，其值大小约为32.5μF。

图2 铁磁谐振仿真电路

系统发生单相接地故障时，故障相线路熔断器电流接近短路，非故障相电压变为线电压负载流过熔断器电流为

由上式可以看出，单相接地故障时，故障相电流变大，非故障相电压变为相电压的1.7倍。

1.2 电压互感器自身内部故障模型

如图所示，ZL1—ZL3为100VA三相线路负载，三相电源经消弧线圈L4接地，PT1—PT3为线路电压互感器，Fu1—Fu3为线路的PT熔断器。闭合 K1模拟电压互感器自身故障时所导致的二次短路故障的情况。

图3 电压互感器二次侧短路故障仿真电路

当电压互感器二次侧短路时，即K1短路造成的Fu3熔断，设中性点电压为Uo，Z1、Z2、Z3为互感器内阻抗，流过熔断器电流为

由上式可知，电压互感器二次侧短路将造成流过PT熔断器电流激增，系统发生故障。

2 PT熔断器故障仿真

2.1 单相接地故障仿真分析

系统由于单相接地故障引发铁磁谐振后，到指定互感器励磁阻抗减小，中性点电压偏移，流过中性点电流过大，熔断器发生熔断。如图4所示，0.1s发生单相接地，故障后在0.2s切断电源后B相电压波形。

发生单相故障后图 4（a）、（b）分别为断开电源和未断开电源情况，B相电压变为线电压，电压值约为正常运行电压的1.75～2.5倍，使线路电压超过额定电压，引发铁磁谐振，其谐振电压与基频电压叠加形成一个更高的电压，导致电力系统电压过载，造成PT熔断器熔断。

图4 单相接地故障B相电压波形

通过图5看出，单相接地故障造成系统故障电流约为正常运行电流的1.75～2.5倍左右，PT绕组中将会流过一个幅值很高的低频饱和电流，电流过大造成熔断器因短时热积累而熔断。而系统对地电容和电压互感器电感相匹配的情况下，会发生线路铁磁谐振过电压，造成PT熔断器熔断。因此，以单相接地故障导致的铁磁谐振故障是导致 PT熔断器熔断的主要原因。

图5 单相接地故障后B相电流

2.2 电压互感器自身故障仿真分析

电压互感器内部出现故障时，仿真B相电压波形如图6所示，通过故障波形可以看出当电压互感器发生短路故障时，故障相会产生系统过电压，使PT熔断器熔断。

图6 电压互感器故障电压波形

当电压互感器负载过重时，如图7所示，电压互感器自身故障会造成系统内部短路，系统电流约为正常运行电流的 2～5倍时，远远超过了额定电流，这样的短时过电流流过熔断器时，就会造成PT熔断器过热熔断。

图7 电压互感器故障电流波形

2.3 其他原因造成熔断器故障分析

熔断器故障有多种原因，制造过程中，造成质量问题，或者安装过程中，接触不良造成性能降低，自然老化等原因都会造成PT熔断器故障［14-15］。

1）在安装过程中，操作失误引起PT熔断器故障；或者在施工过程中错误接线，这些都可以造成PT熔断器熔断。

2）系统过载造成熔断器故障。当系统负载突然增大时，系统的电流过负荷，造成熔断器因电流过载热熔断。

3）环境原因造成PT熔断器故障，长期在野外环境中风吹日晒以及环境污染等条件，导致熔断器接点损坏，从而造成故障。以及雷雨天气中雷击过电流造成熔断器故障。

3 PT熔断器的故障抑制措施

由仿真分析可以得出，铁磁故障和低频饱和电流时PT熔断器熔断的主要原因。PT的熔断原因归根揭底是由于电流过大，造成熔断器热熔断［16］。因此，防止铁磁谐振故障的措施有以下几个:

1）中性点加装非线性电阻。PT高压侧经电阻接地，从根本上抑制低频饱和电流，限制流过高压绕组的过电流防止PT熔断器故障。

2）系统加装电容，破坏PT的谐振条件抑制铁磁谐振，从而防止过电压造成PT熔断器熔断。

另外，采用质量较好的电压互感器及熔断器，并应严格按规程操作，防止由于质量原因和操作不当造成的故障；可以降低系统的电感，破坏铁磁谐振发生的条件；高压侧装设避雷器来防止雷击过电压导致的熔断器熔断故障［17］。

4 系统电路结构

系统包括电流检测、电压检测模块，滤波放大模块，无线模块，处理器以及电源和报警系统。

图8 硬件电路总体结构

通过电压检测和电流检测分别对 PT熔断器的电压、电流信号同时进行采集，由滤波放大模块分别对检测到的信号进行处理，然后送到处理器与数据库进行对比分析。当电压值超过正常运行电压的1.5倍，同时电流值超过正常运行电流的2倍时，报警电路发出报警，对 PT熔断器的运行状况做出故障诊断。由无线模块与管理系统进行通信，实现对PT熔断器的远程监测和信息控制。系统电源供电由外部电源和蓄电池双供电，使系统安全可靠运行。

5 结论

分析总结了导致熔断器故障的原因，通过Matlab/Simulink建立熔断器故障模型，分析了 PT熔断器故障电压电流与故障原因之间的关系，当单相接地故障时系统电压是正常运行电压的1.75倍，同时系统电流是正常运行电流的2～5倍左右，系统同时出现过电压和过电流现象。因此通过电压、电流双检测方法对系统进行检测，实现了对 PT熔断器故障的准确监测，避免了熔断器故障的误判。对PT熔断器故障的诊断技术展开研究，并提出抑制铁磁谐振和低频饱和电流的措施，从根本上解决 PT熔断器故障，为智能电网中抑制 PT熔断器故障措施提供重要理论依据。

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李 兵（1969-），工程师，男，汉族，重庆，主要从事于电力系统运行。

Fault Analysis and Fault Monitoring System Development of the PT Fuses in Distribution Network

Li Bing Ding Shunqing Xu Feng Yang Yi Liu Jie
（State Grid Chongqing Pengshui County Power Supply Co.，Ltd，Chongqing 409600）

PT Fuse is an important power system equipment.For the reason of the PT fuse failure，we proposed a new method of voltage and current double detection.We establish Matlab/Simulink fuse failure model to analyze the relationship between current and voltage PT fuse failure between the cause of the failure，and simulation calculation of diagnostic techniques fuse failure were studied.The results showed that the ferromagnetic resonance of low frequency faults and saturation current system is the main cause of PT fuse blown fault.Therefore，the detection of the voltage and current characteristic value，has important implications for the diagnosis of PT fuse failure.

PT fuses；current detection；malfunction diagnosis