10 kV高压电能计量装置电压互感器杂散电容对高压熔断器的影响研究

蔡春元，李昕锐，李红斌，彭昭煌，陈劲游，焦洋

(1. 广东电网有限责任公司 中山供电局计量中心，广东 中山 528400；2. 华中科技大学 电气与电子工程学院，武汉 430074)

0 引 言

高压电能计量装置是10 kV配网的重要组成部分，能否稳定、可靠运行直接影响电能贸易结算的公平性。但在高压电能计量装置运行过程中，计量异常和装置故障时有发生，影响了供电可靠性，危及电网的安全[4]。特别是在电压互感器(Voltage Transformer，TV)支路上，高压熔断器的异常动作频繁发生，以广东省中山市供电局现场运行状况的统计数据为例，市内在运的高压电能计量装置有6 000余套，每年发生故障百余台次，故障率高达1.7%，其中高压熔断器动作的占比超过50%。

目前，国内针对高压电能计量装置中的电压互感器支路故障已开展了一定研究。文献[5-7]提出了支路故障的主要原因是铁磁谐振，但它们关注的电压互感器研究对象均处于Y形接线方式下，在V形接线方式下，系统中并不构成类似的谐振回路。文献[8]将支路故障归结于操作过电压，数倍的过电压会对电压互感器的绝缘带来冲击，但单纯电压数值的增大，无法在支路上激起安培以上量级的过电流[9]，难以引起高压熔断器的动作。

文章从电压互感器的传感原理出发，就幅值和频率两方面探讨了支路过流的可能，借助Ansoft Maxwell和ATP-EMTP软件，完成了杂散参数的求解和仿真模型的搭建，并以真空断路器的动作为例，计及三相非同期性，研究了不同合闸情况下的支路过流情况。结果表明真空断路器动作时，由互感器杂散电容引起的过电流可达到甚至超过安培量级，并分析了该电流对高压熔断器的影响；最后，针对非同期性和杂散电容带来的过流问题，提出了基于合闸同期性控制和杂散电容控制的支路过电流抑制措施。

1 故障分析

广东省中山供电局下属的10 kV高压电能计量装置采用电压互感器V形接线方式，一次侧安装高压熔断器形成跨接在两相间的支路，熔断器用于防止互感器本身或引出线故障向母线侧的扩大，常用型号为XRNP1-12/1A和XRNP1-12/2A，额定电流分别为1A和2 A。

高压熔断器的基本原理是，当流过的电流超过额定值时，熔断器中熔体的发热超过散热极限，开始熔化过程。若过流状态持续，熔体完全熔化致熔断器动作，电路分断；若过流状态持续较短，熔体尚未完全熔化，熔断器则不会同步动作，但过流依然会加速其性能退化，为异常动作埋下隐患。

那么，电压互感器支路上安培以上量级的稳定或暂态过电流，均会引起熔体的熔化过程，导致高压熔断器同步动作或为以后的异常动作埋下隐患。

电压互感器二次输出为100 V，变比为100:1，其等效电路见图1。

图1 电压互感器等效电路

在互感器正常运行时，电流为0.1 mA量级，若仅考虑电压值的影响，3倍过电压下的过电流也仅能达到mA量级，远小于熔断器额定电流。然而，在电力系统暂态过程中，除过电压、电流之外，还有高频暂态信号伴随出现，频率可达到数kHz甚至MHz[10]，如真空断路器的动作过程，线路会出现高频振荡[11]，此时电压互感器杂散电容的影响就不可忽略。

2 仿真模型介绍

2.1 配网模型模型

图2为中山市某10 kV配电网络，该网络中的专变用户在2015年曾两次发生计量装置熔断器的异常动作，文章以该配电网络为对象，开展相关研究。

图2 10 kV配电网络

从变电站10 kV侧出发，电能先沿埋地电缆1传输数十上百米，后上引至架空输电线，沿架空线1传输一段距离后转接至架空线3，经专变对用户进行供电。高压电能计量装置安装在10 kV侧，主要包括电压互感器(TV)、电流互感器(TA)、熔断器、高压电能表等，采用两表法计量方式(TV为V形接线)。

根据变压器参数经验公式，10 kV出口侧的等效电阻和对地电容参数分别为Rt=0.5 Ω、Ct=1 nF。

电缆1型号为YJV22-3×300，长度约80 m，三相导体被封装于同一保护套中，相间电容值大幅增加。借助Ansoft Maxwell软件，可得到相对地电容和相间电容的数值解约为10.17 nF、 2.90 nF。

架空线型号为LJ-240，架空1和架空3的长度分别为200 m、120 m，根据经验值可得到模型参数分别为0.03 Ω、1.78 nF和0.018 Ω、1.07 nF[12]。

真空断路器和电压互感器是仿真模型的核心，下文将详细说明二者的建模方法和参数设置。

2.2 电压互感器模型

电压互感器绕组与屏蔽层间的杂散电容是场效应的产物，它并非以器件集中参数的形式存在，而是随着绕组、屏蔽层的延展在空间中分布，文章将采用结构细分的方法来逼近杂散电容的存在形式。在图1基础上，略去漏电感、铁耗电阻、二次铜耗电阻，形成高频信号下的互感器等效电路见图3。

图3 电压互感器高频等效电路

杂散电容是场效应的产物，难以计算其解析解。在文章中，借助有限元算法来获得近似数值解。采用结构细分逼近杂散电容存在形式的方法，将互感器绕组整体离散为20个细分结构。

根据互感器结构尺寸，在Ansoft Maxwell软件环境中建立绕组、屏蔽层、铁芯、绝缘填充等结构的物理模型，见图4。

图4中，标识1表示一次绕组，离散为20个细分结构，设置材料为铜，设置电位依次为10 kV、9.5 kV…0.5 kV；标识2表示铁芯，纵向贯穿，设置材料为硅钢，悬浮电位；标识3表示圆筒状屏蔽层，设置材料为铝，设置电位为10 kV；标识4表示绝缘填充，设置材料为环氧树脂，悬浮电位[14]。

图4 杂散电容计算模型

静电场求解方式下，经14次迭代计算，得到1%精度的杂散电容计算结果为：屏蔽层与两端绕组细分结构的杂散电容值约为9.71 pF，屏蔽层与其他18个细分结构的杂散电容值约为9.04 pF。

2.3 真空断路器模型

断路器的分合过程涉及导电通道的多次建立和消失，如在合闸过程中，真空断路器触头间距不断减小，当断口电压大于绝缘临界值时，金属质点析出并形成导电通道，但通道在电流过零时刻无法维持，由于触头间距和端口电压均在不断变化，当质点析出条件再次成立时，导电通道再次形成。

在ATP-EMTP软件环境中，借助TACS(控制系统模拟)器件可建立起真空断路器的仿真模型[15]，包括导电通道建立判定(A)、分合速度控制(B)、导电通道消失判定(C)、断路器状态控制(D)四个模块，见图5。

图5 真空断路器状态判定模型

模块A：当断路器开始动作但未完全闭合时，进入导电通道建立判定。当触头电位差大于绝缘临界值时，金属质点析出，导电通道建立，断路器进入导通状态;

模块B：初始绝缘临界值设置为385 kV，通过调节临界值的变化速率(35 kV/ms)可实现对触头运动速度(1 mm/ms)的控制，过程持续11 ms;

模块C：当导电通道存在，进入导电通道消失判断，比较当前时刻与上一时刻的电流方向是否发生变化，若电流方向变化，可认为电流在t时刻和t-Δt时刻之间发生了过零，导电通道消失，断路器变为断开状态，并进入下一次导电通道建立判定；若不过零，状态不变，进入下一次导电通道消失判断;

模块D：根据导电通道建立和消失的判定结果，输出断路器状态的标志信号。

3 仿真结果与分析

基于以上建模方法和参数设置，在ATP-EMTP软件中建立起完整的仿真模型[16]，研究真空断路器合闸过程中， 电压互感器支路上的过流情况。模型中，两支电压互感器分别跨接于A、B相和B、C相之间。

3.1 三相同期合闸

讨论断路器同期合闸的情况，断路器在1ms时刻开始合闸动作，以跨接在A、B相之间的互感器为例进行说明。

此时，流过电压互感器支路电流的变化情况见图6，放大处为峰值电流脉冲的展开。

图6 同期合闸时互感器支路过电流情况

由图6可知，断路器同期动作过程中，电压互感器支路上会出现多个过电流脉冲，过电流峰值可达到-94.905 A。

3.2 三相非同期合闸

实际10 kV配电网络中，三相断路器的动作存在一定的非同期性，现讨论合闸出现非同期时电压互感器支路的过流情况。

3.2.1 断路器滞后动作过程

由于B相为V形接线的公用相，故需要就非共用相(以A相为例)滞后和公用相滞后分别讨论。仿真中，已完成动作的断路器保持闭合状态，滞后相断路器在1 ms时刻开始合闸动作，以跨接在A、B相之间的互感器为例进行说明。

(1)A相滞后合闸

此时，流过电压互感器支路电流的变化情况见图7，放大处为峰值电流脉冲的展开。

图7 A相断路器滞后时互感器支路过电流情况

由图7可知，断路器出现非同期动作，A相断路器滞后动作时，电压互感器支路上会出现多个过电流脉冲，过电流峰值达到了-142.644 A。

(2)B相滞后合闸

此时，流过电压互感器支路电流的变化情况见图8，放大处为峰值电流脉冲的展开。

图8 B相断路器滞后时互感器支路过电流情况

由图8可知，断路器出现非同期动作，B相断路器滞后动作时，电压互感器支路上会出现多个过电流脉冲，过电流峰值达到了138.649 A。

3.2.2 断路器超前动作过程

与前文类似，需要分别讨论非共用相(以A相为例)和共用相的状态。仿真中，尚未动作的断路器保持断开状态，超前相断路器在1 ms时刻开始合闸动作，以跨接在A、B相之间的互感器为例进行说明。

(1)A相超前合闸

此时，流过电压互感器支路电流的变化情况见图9，放大处为峰值电流脉冲的展开。

图9 A相断路器超前时互感器支路过电流情况

由图9可知，断路器出现非同期动作，A相断路器超前动作时，电压互感器支路上会出现多个过电流脉冲，过电流峰值达到了-28.492 A。

(2)B相超前合闸

此时，流过电压互感器支路电流的变化情况见图10，放大处为峰值电流脉冲的展开。

图10 B相断路器超前时互感器支路过电流情况

由图10可知，断路器出现非同期动作，B相断路器超前动作时，电压互感器支路上会出现多个过电流脉冲，过电流峰值达到了28.213 A。

4 影响分析

以上结果表明，无论合闸过程的同期性，断路器的动作过程均会在电压互感器支路激起过电流，极端情况下可达百安培量级，而超前(或滞后)动作的断路器是否处于共用相对过电流情况的影响很小。

过电流以脉冲的形式存在，并不会造成熔断器的同步动作，但远超额定值的过电流脉冲造成熔断器的性能退化，成为异常动作的潜在诱因。

同时，与同期合闸相比，非同期会造成支路更为严重的过流情况，具体表现为：

(2)超前动作过程中，断路器动作在支路上激起了更为密集的过电流脉冲，其原因是A相断路器动作过程中，用户侧三相均无电源接入，电路无电位约束。一旦导电通道消失，线路对地电容进入放电状态，且无电位约束，用户侧电位快速复原，使得导电通道建立条件更易再次达成，也就导致了更为密集的过电流脉冲。

5 结束语

文章针对高压电能计量装置电压互感器支路过流、熔断器异常动作问题，进行了深入研究并形成如下结论：

(1)在断路器动作过程中，由于杂散电容的存在，支路上会出现百安培量级的过电流脉冲，但由于持续时间短，热量积聚不明显，并不会造成熔断器的同步动作，但远超额定值的过电流脉冲会加速熔断器的性能退化，为异常动作埋下隐患；

(2)与同期合闸相比，断路器的非同期会造成支路更为严重的过流情况，具体表现为滞后动作过程中的更大峰值和超前动作过程中的密集脉冲。

综合上述仿真结果和结论，可从以下两方面来实现对支路过电流的抑制：

(1)仿真研究结果可得，断路器动作的非同期性会加剧电压互感器支路的过流情况，从断路器本身或合闸操作流程出发，提高三相断路器动作的同期性，对于控制支路的过电流、降低高压熔断器的异常动作风险有着积极意义；

(2)断路器动作引起支路过流的根本原因是电压互感器自身的杂散电容参数。通过使用低介电常数绝缘填充、优化屏蔽层结构尺寸等方法，可将杂散电容控制在较低水平，进而有效抑制支路的过电流。借助仿真计算可得，三相同期合闸状态下，当杂散电容减小为原始值的20%时，过电流峰值降低至-6.092 A，为原始峰值的6.42%，远大于杂散电容值的变化，其原因是杂散电容的减小降低了电路的储能能力，进而削弱了断路器动作引起的暂态过程。在某些对电能计量可靠性有更高要求的场合，可增设电阻分压型互感器作为备用，其分压元件为高度集中形式存在的独立电阻器，主回路与屏蔽层间杂散电容极小[17-20]，可基本消除断路器动作过程中的电压互感器支路过流现象。

结合高压熔断器的基本原理，合闸同期性控制和杂散电容控制带来的支路暂态过电流降低，可减小在断路器单次分合过程中熔体熔化和高压熔断器性能退化的程度，进而降低熔断器的异常动作风险，对高压电能计量装置的可靠性提升具有指导意义。