磁式电压互感器高压侧熔断器频繁熔断的根本原因是什么？

摘要：电磁式电压互感器(Potential Transformer, PT)高压侧保护用熔断器频繁熔断问题广泛存在于10~35kV的中性点不接地配电网中，增加电网运维负担，威胁供电可靠性。天津大学智能电网重点实验室团队通过研究不同典型故障下的系统空载暂态电压形态，总

电磁式电压互感器(Potential Transformer, PT)高压侧保护用熔断器频繁熔断问题广泛存在于10~35kV的中性点不接地配电网中，增加电网运维负担，威胁供电可靠性。天津大学智能电网重点实验室团队通过研究不同典型故障下的系统空载暂态电压形态，总结了直流偏置电压的产生条件和影响因素，发现直流偏置电压作用下PT深度饱和是触发熔断器熔断的根本原因。通过仿真和现场实验进行了理论验证。

研究背景

在中性点不接地的配电网中，PT高压侧熔断器频繁熔断的现象屡见不鲜。传统观点认为，单相接地故障期间的过电压或铁磁谐振是导致熔断器熔断的主要原因。然而，实际工程中发现，熔断器熔断往往发生在故障消失后的恢复供电阶段，而非故障存续期间；同时线路电缆化发展意味着脱离Peterson谐振分布范围。这表明，传统的解释可能并不完全准确。

论文所解决的问题及意义

本文通过理论分析和仿真计算，揭示了PT高压侧熔断器频繁熔断的深层机理。研究发现，故障消失时，三相杂散电容的净电荷无法泄放，形成直流偏置电压，导致PT深度饱和，进而引发熔断器熔断。这一发现不仅解释了熔断器熔断的根本原因，还为解决熔断器频繁熔断问题提供了新的思路。

论文方法及创新点

1、配电网典型故障下的系统空载暂态电压

图1 单相接地故障恢复后的交直流复合电压波形

图2 直流偏置电压形成机理示意图

本文基于叠加原理，采用数值计算方法，分析了典型故障下的系统空载暂态电压，发现该电压呈现出交直流复合的特殊形态——工频电压附加直流偏置电压。单相接地故障恢复后的系统空载暂态电压如图1所示。任意类型的故障下，只要故障消失时杂散电容净电荷不为零，即Qn≠0，这些极化电荷没有其他路径能从杂散电容正极穿越到负极而消失，只能均匀分配到三相杂散电容中呈现出直流偏置电压。所提直流偏置电压产生机理如图2所示。

2、直流偏置电压的影响因素

图3 直流偏置电压衰减规律及其影响因素

本文通过PSCAD中的10kV配电网模型研究线路长度、PT阻抗、负载及无功补偿装置等因素对直流偏置电压的影响，揭示了直流偏置电压的的影响机制。杂散电容和无功补偿容量越大，则直流偏置电压衰减越缓慢。小负载情况和空载情况类似，大负载情况下直流偏置电压迅速衰减。在不同PT阻抗模式下，可使电容电压表现出不同的形式。不同因素对直流偏置电压衰减规律的影响如图3所示。

3、实验验证

本文建立了一个380V/150V的动态模拟实验平台，如图4所示。

图4 动态模拟实验平台

实验过程中进行了系统空载直流偏置电压形成条件实验，如图5所示，验证了健全相电容电荷在三相电容间重新分配产生直流偏置电压的过程。

图5 空载直流偏置电压波形

同时，进行了直流偏置电压的影响因素及危害实验，如图6所示，验证了当高压侧阻抗参数较小且PT励磁特性较差时，可能引发PT支路在饱和-不饱和状态间的切换，持续的励磁电流脉冲热积累是导致熔断器熔断的最终原因。

图6 直流偏置电压的危害验证实验

结论

1、直流偏置电压的产生条件：故障消失时，三相杂散电容的净电荷不为零且无法泄放，形成直流偏置电压。

2、影响因素：杂散电容、PT阻抗、负载及无功补偿装置等因素会影响直流偏置电压的衰减速度和表现形式。

3、熔断机理：直流偏置电压导致PT深度饱和，引发励磁电流激增，最终导致熔断器熔断。

团队介绍

天津大学电力系统保护控制研究团队现有教授4人、副教授6人，其中国家杰出青年科学基金项目获得者1人，入选国家百千万人才工程1人，入选中科协青年人才托举工程2人。现指导的博士研究生20余人，硕士研究生60余人。近年来，团队在相关领域先后主持国家自然科学基金重点、面上、青年项目10余项，参与多项国家重点研发计划等国家级项目，主持国家电网、南方电网等公司科技项目39项。研究成果产生了重要学术影响。