陳明忠

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210031）

供電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，會(huì)出現(xiàn)各種形式的過電壓，常見的為外部雷擊過電壓和內(nèi)部操作過電壓。通常系統(tǒng)都采用避雷器（電壓限制器）來吸收過電壓的能量，從而限制過電壓的幅值，保護(hù)系統(tǒng)中高壓電氣設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)。但避雷器動(dòng)作時(shí)，會(huì)有工頻續(xù)流和工頻電弧流過避雷器的閥片，系統(tǒng)此刻處于“瞬間接地”的狀態(tài)，統(tǒng)的保護(hù)裝置進(jìn)入“預(yù)備啟動(dòng)”前狀態(tài)。此時(shí)流過互感器二次側(cè)的電流響應(yīng)變化及特性演變是至關(guān)重要[1]，往往引起系統(tǒng)保護(hù)啟動(dòng)，造成斷路器跳閘而中斷供電。長(zhǎng)期的運(yùn)行實(shí)踐表明，運(yùn)行的高壓供電系統(tǒng)在過電壓條件下，往往會(huì)由避雷器動(dòng)作而引發(fā)的斷路器跳閘[2-4]，中斷供電而造成損失。因此有必要對(duì)過電壓避雷器動(dòng)作時(shí)工頻續(xù)流的發(fā)展變化及特性演變影響因素進(jìn)行分析研究，弄清楚斷路器跳閘的正真原因，從而對(duì)系統(tǒng)絕緣配合和保護(hù)配合進(jìn)行優(yōu)化，保證供電系統(tǒng)的安全可靠。

1 系統(tǒng)暫態(tài)模型

在沖擊暫態(tài)電壓作用下，供電系統(tǒng)的饋線、母線、電壓（電流）互感器和繼電保護(hù)二次回路都處于暫態(tài)波動(dòng)過程。因此，分析此刻的互感器的高頻暫態(tài)模型十分重要[5-7]。通常系統(tǒng)都安裝電流保護(hù)做為主保護(hù)，其中無延時(shí)電流速斷的使用較為廣泛。如圖1中所示， S1為過電壓的沖擊波發(fā)生源，為等效工頻電壓源。A為避雷器模型，C、D為系統(tǒng)傳輸線（例如：饋電線，母線，連接線等），B為電流互感器模型（本模型中采用電磁式），保護(hù)只考慮安裝電流速斷的情形。為了使問題得到簡(jiǎn)化，不考慮傳輸線和電流速斷保護(hù)二次回路的高頻瞬態(tài)特性。

圖1 沖擊電壓下的系統(tǒng)模型

當(dāng)避雷器動(dòng)作時(shí)，由 C、D看進(jìn)去的系統(tǒng)被沖擊過電壓形成的高頻電弧電流“短路”，此刻若流過電流互感器二次側(cè)電流有穩(wěn)定增量，則可認(rèn)為避雷器動(dòng)作滿足斷路器動(dòng)作跳閘條件，因此，斷路器的跳閘條件可歸結(jié)為求解圖1模型中電流互感器二次側(cè)電流的問題。電流互感器暫態(tài)模型的高頻暫態(tài)特性，將對(duì)電流互感器二次側(cè)電流的特性產(chǎn)生較大影響。

由C、D看進(jìn)去的系統(tǒng)等值電路如圖2所示。Z為線路和電流互感器的波阻抗，Rm為互感器勵(lì)磁等值電阻（非線性電阻）， Lm為互感器勵(lì)磁電抗（非線性電感）。 N1， N2為互感器一次線圈和二次線圈的有效匝數(shù)，R2，L2互感器二次側(cè)等值電阻和電抗。本系統(tǒng)不考慮互感器鐵芯磁通泄漏的影響，各元件的雜散電容不計(jì)。

圖2 電源和互感器側(cè)的電路模型

避雷器的動(dòng)作瞬間，可以看作是在 C、D間等效沖擊電流源δ(t)作用于系統(tǒng)。此刻只需要分析互感器二次側(cè)電流 i2的特性，便可得到保護(hù)是否動(dòng)作的判據(jù)和相關(guān)影響因素。

式中，us為沖擊電流源兩端的電壓； K12, K21為互感器常數(shù)。

2 電流互感器二次電流特性

為了使問題的討論具有針對(duì)性，對(duì)南京車站某鐵路 10kV自閉貫通線的降壓變電所安裝的 LZZB9-10電流互感器所組成的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析[8-10]。饋出線避雷器安裝處距離變電所高壓開關(guān)柜（開關(guān)柜型號(hào)KYN42-12，饋線安裝電流速斷保護(hù)）約150m，流互的變比為 N1: N2= 5 :300，互感器二次側(cè)按照額定負(fù)荷Z2=0.8Ω考慮（cosφ=0.8）。

對(duì)于 Lm, Rm為互感器的勵(lì)磁特性，會(huì)隨著互感器線圈中電流和鐵芯磁通量變化的參數(shù)。在圖2所示的電路模型中，可認(rèn)為其是常數(shù)，但在具體討論互感器二次側(cè)電流特性時(shí)，需要通過試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行分析。

表1為電流互感器磁化特性數(shù)據(jù)，表2為電流互感器頻率特性數(shù)據(jù)。

表1 電流互感器的勵(lì)磁特性

表2 過電流條件下的勵(lì)磁特性

試驗(yàn)的互感器的一次測(cè)額定電流為150A，試驗(yàn)電流由 2A增加到 40A（小于一次額定電流 30%）時(shí)，互感器的等值勵(lì)磁電阻 Rm~隨試驗(yàn)條件發(fā)生改變，但總體趨勢(shì)隨一次電流的增加而增大?；ジ衅鞯牡戎祫?lì)磁電感 Lm~也一次側(cè)電流發(fā)生改變。在避雷器動(dòng)作時(shí)，由工頻續(xù)流形成的沖擊電流高達(dá)數(shù)千安培。例如該變電所安裝的氧化鋅避雷器標(biāo)稱放電電流為2kA。因此也必須考慮 6m=（m互感器為一次電流和二次電流的比值，m取6是受試驗(yàn)條件限制）以下互感器的勵(lì)磁特性。表2為在大電流倍數(shù)下互感器的勵(lì)磁特性。

由表2可見，互感器工作在額定值附近具有最高的功率因數(shù)。隨著過電流倍數(shù)的增大，鐵心趨于飽和，互感器的等效計(jì)算電感不再明顯降低?？筛鶕?jù)上表的數(shù)據(jù)由曲線擬合的方法來確定圖2中互感器非線性電阻 Rm和勵(lì)磁電感 Lm的約束方程：

對(duì)式（1）和式（2）進(jìn)行拉氏變換并整理得到

由上式解得互感器二次側(cè)的暫態(tài)電流為

式中， K = K12K21；為時(shí)間衰減常數(shù)。以上互感器二次電流中含有沖擊函數(shù)和階躍函數(shù)分量，如圖4所示，且還含有衰減的指數(shù)函數(shù)分量。對(duì)于如圖 2模型中的波阻抗 Z，其與饋線的長(zhǎng)度無關(guān)，僅與饋出線分布電感和分布電容有關(guān)。對(duì)于110kV以下的供配電系統(tǒng)，饋線波阻抗的變化范圍一般為 50～270Ω，在模型中可認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，也可采用實(shí)驗(yàn)和測(cè)量的方法確定[11-12]。對(duì)于本系統(tǒng)波阻抗Z別取不同值時(shí)用Matlab對(duì)互感器二次回路的暫態(tài)電流 i2進(jìn)行時(shí)域仿真，分別得到下列圖3至圖6。

圖3 Z=50時(shí)二次側(cè)電流

圖4 Z=100時(shí)二次側(cè)電流

圖5 Z=150時(shí)的二次側(cè)電流

圖 3所示，當(dāng) Z = 5 0Ω互感器一次沖擊電流取i1=1（標(biāo)幺值，下同）感器工作在額定狀態(tài)下，二次側(cè)電流具有強(qiáng)的線性阻尼特性，衰減的時(shí)間常數(shù)為 τ = 0 .82μs。當(dāng) Z = 1 00Ω時(shí)，互感器二次電流中含有階躍分量，如圖4所示。圖5中，當(dāng) Z = 1 50Ω互感器的一次沖擊電流i1= 1 00時(shí)二次側(cè)的電流出現(xiàn)了震蕩衰減特性，此時(shí)衰減的時(shí)間常數(shù)為τ= 0 .15μs。同時(shí)，二次側(cè)的電流出現(xiàn)了延遲效應(yīng)，最大幅值也有所降低，說明此時(shí)互感器已經(jīng)出現(xiàn)了飽和。當(dāng) Z = 2 50Ω時(shí)，即使互感器不工作在飽和狀態(tài)，二次側(cè)電流也出現(xiàn)震蕩。

圖6 Z=250時(shí)的二次側(cè)電流

由此可見，在過電壓條件下避雷器動(dòng)作時(shí)，電流互感器二次側(cè)中的電流特性響應(yīng)，受多種因素影響。若某次避雷器動(dòng)作時(shí)，互感器二次側(cè)出現(xiàn)的階躍電流對(duì)等效均方根值大于電流繼電器動(dòng)作的最低閾值時(shí)，斷路器動(dòng)作跳閘，否則斷路器就不動(dòng)作。

根據(jù)南京地區(qū)（該地區(qū)的雷暴日為46d/a）某鐵路10kV變電所2013年饋線跳閘記錄的綜合分析，過電壓下避雷器動(dòng)作引起斷路器跳閘有明顯的統(tǒng)計(jì)特性，見表3。

表3 10kV變電所雷擊跳閘統(tǒng)計(jì)表

分析表3可知，饋線避雷器因雷擊過電壓而動(dòng)作后，該饋線斷路器的跳閘情況某種統(tǒng)計(jì)規(guī)律。在斷路器因雷擊而跳閘時(shí)，變電所的電流速斷保護(hù)均已啟動(dòng)。由此可見，斷路器動(dòng)作情況取決于電流互感器二次側(cè)沖擊電流的特性。

3 結(jié)論

在避雷器動(dòng)作瞬間，可認(rèn)為是給系統(tǒng)疊加了沖擊電流。在沖擊電流的作用下，電流互感器二次側(cè)的電流的響應(yīng)特性，決定了繼電保護(hù)（電流速斷）是否動(dòng)作跳閘。在具體設(shè)備條件下，根據(jù)給定的計(jì)算模型參數(shù)，對(duì)電流互感器二次側(cè)電流進(jìn)行了求解分析?？傻玫饺缦陆Y(jié)論：①在沖擊電流作用下，互感器二次側(cè)電流中包含沖擊響應(yīng)和階躍響應(yīng)分量，其衰減時(shí)間常數(shù)取決于線路波阻抗和互感器一次測(cè)電感參數(shù)與電阻參數(shù)；②在幅值較高沖擊電流作用下互感器二次側(cè)電流有震蕩衰減特性，且時(shí)間常數(shù)均小于1μs；③系統(tǒng)的波阻抗Z對(duì)互感器二次電流有很大影響，互感器二次側(cè)負(fù)荷的特性對(duì)衰減常數(shù)無影響，而工作在飽和狀態(tài)下的電流互感器對(duì)二次電流的響應(yīng)特性影響較大。

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