论文部分内容阅读
摘要：本文重点论述了变电站10kV母线PT 设计选择、产生铁磁谐振的原因及其抑制措施，并对变电站10kV PT及避雷器柜柜型与电气一次设计作进一步的探讨。
关键词：10kV PT及避雷器；熔断器；电气一次；
中图分类号：F407.6 文献标识码：A 文章编号：
1 配电柜柜型及电气一次方案的设计
1.1 柜型的设计
我国变电站10kV开关柜柜型主要有GG-1A、XGN2、KYN 等。GG-1A 为我国20 世纪60 年代开始生产的早期产品，由于其体积大、防护等级低，人身安全得不到保障，故从90 年代中期开始，逐渐被XGN2、KYN 所替代。XGN2 为箱型固定金属封闭开关柜，其防护等级可达到IP3X，但柜内主要元件没有相互隔离，一旦柜内起火或发生爆炸，必然殃及整台甚至整组柜，从而造成较大的损失。KYN 为铠装移开式金属封闭开关柜，相比GG-1A、XGN2，其重量较轻、体积较小，防护等级更可达到IP4X。KYN 主要由手车室、母线室、电缆室、继电器室、小母线室等组成，各室相互隔离，主要一次元件分别位于不同室内，若柜内起火或发生爆炸，只会影响事故室内元件，对相邻室内的元件影响相对较小或可避免，有利于缩小事故范围、减少停电时间和降低经济损失。同时，由于该柜型具有可移开的功能，当某一主要元件故障或需要检修时，可将其从柜内移出，其他元件正常工作，这样便于故障检修和日常维护。同样的配置，KYN 的市场价比XGN2 要高10%左右，但作为地区供电的心脏，变电站一旦发生事故，其造成的损失是巨大的，故从安全性及减少因事故造成损失的角度出发，变电站10 kV 开关柜型建议选用KYN。
1.2 PT及避雷器柜一次方案的设计
变电站KYN 柜型的PT 及避雷器柜一次方案设计常见有如图1 所示3 种。方案一与方案二为常用方案，变电站设计时首选方案一。因为方案一的PT 与避雷器分别位于不同的手车内（PT 手车和避雷器手车），而PT 及避雷器又是变电站中易发事故的一次元件，当PT 或避雷器发生事故时，由于它们位于不同的手车内，因而使事故得到有效隔离，从而有效防止事故影响的扩大。方案二可作为容量不大的一般用户工程选用（主要考虑到造价因素）。方案三为早期常用方案，显然该方案存在较大的安全及损失隐患，不利于事故的预防及设备的检修。“2010年江西赣东北供电公司‘8·19’人身伤亡事故”就是典型的例子。在该事故中，当地电力设计院是按方案一设计的，但开关设备制造厂在未征得设计院同意的情况下，按照其企业的一贯做法，按方案三生产，造成柜内结构与柜外一次方案牌不一致。在某220 kV 变电站改造工程消缺工作中，进行更换10 kVⅠ段母线PT 时，在拉出熔断器手车并经验电确认PT 不带电后，工作人员随即进入到柜内更换PT，由于工作人员误以为避雷器不带电而不慎触摸到避雷器，以致造成2 人当场触电死亡、1 人重伤送院救治无效死亡的重大伤亡事故。事故的直接原因是现场工作人员不按操作规程操作，未对柜内可触摸的一次元件进行验电，间接原因是制造厂未按设计院图纸施工及设备验收单位未按图纸验收。可见如果制造厂按图纸（方案一）生产，该起事故是可以避免的，这再次验证了PT 及避雷器柜一次方案的设计是何等重要。
2 主要一次电器元件的设计选择
2.1 PT 的设计
PT是PT及避雷器柜的关键一次元件，其为变电站10 kV系统提供：（1）电压测量。（2）继电保护需要的电压参数，如母线绝缘、过电压、欠电压、备自投等。变电站10kV系统母线PT 二次侧一般设3 个绕组：计量/ 测量/ 保护，一二次侧电压比为（10/）/（0.1/ ）/（0.1/）/（0.1/3）kV ，准确等级为0.2/0.5/5 P，容量根据二次负载容量而定。
在我国，10 kV 系统大多采用中性点不接地的运行方式。当线路发生单相接地等故障时，造成电压互感器电压升高，三相铁芯受到不同的激励而呈现不同程度的饱和，中性点偏移而产生零序电压。由于线路故障电流不断增大，导致电压互感器铁芯逐渐饱和，当满足ωL=1/ωC 时，即具备谐振条件，产生谐振过电压。从而引发电磁式PT 铁磁谐振，使得PT 一次侧熔断器熔断，严重时甚至烧坏PT，这样容易导致系统低电压保护误动，电能计量损失，部分继电保护失灵，严重威胁电网的安全运行。所以设计选择PT 时，根据铁磁谐振产生的原因，优先选择以下类型的PT：（1）在1.3 倍线电压下，铁芯不饱和，励磁特性好的PT；（2）电容式或微容式PT；（3）抗谐振型PT；（4）近年新推出的光电式PT。
2.2 PT 铁磁谐振抑制措施
在现有10 kV 系统中，电磁式PT 所占的比重还是很大的。由于系统单相对地等故障会诱发PT 铁磁谐振，因此，采取相应的铁磁谐振抑制措施就显得特别重要。而原有的PT 开口三角接电阻、灯泡，PT 一次中性点接零序PT 等铁磁谐振抑制措施，由于电力网络的不断扩大及线路变化复杂性增加等原因，这些措施都存在不同程度的缺陷，起到的效果有限。所以，根据现有变电站10 kV 系统多年的运行经验和积累，宜采取如下措施抑制铁磁谐振：（1） 尽量采用励磁电流小于1 mA（一次绕组）的PT；（2） 盡量采用伏安特性基本一致的3 个PT 构成1 组；（3）在PT 中性点串入新型消谐器，如LXQⅢ-10 或LXQ（D）Ⅲ-10（此措施既可以抑制PT 铁磁谐振，又可以降低PT 一次幅值涌流），使其允许的通流容量满足实际要求；（4）当PT 一次中性点串入的消谐器引起开口三角平衡电压的升高时，可在开口三角两端安装与消谐器配套的二次侧产品“三次谐波限制器”，以限制消除励磁电流的三次谐波的影响。
2.3 PT 一次侧熔断器的设计
PT 一次侧的熔断器主要是保护电压互感器的内部故障（匝间短路故障）、电气系统故障（谐振过电压、一次引线故障等）。为限制短路电流，电压互感器使用的高压熔断器要求熔断件具有一定的电阻值，而且采用灭弧能力较强的石英砂作为填料，是一种限流熔断器。这种熔断器在熔断过程中会产生超过熔断器额定电压数倍的电压。为了将过电压限制在允许的范围内，应选择与系统额定电压（10 kV）相对应电压等级的熔断器。其额定电流一般为0.5 A；三相断流容量根据短路点的短路电流而定，一般选择的最大断流容量不低于200 MVA。
2.4 避雷器（过电压保护器）的设计
PT 及避雷器柜中的避雷器（过电压保护器），主要是用于母线过电压保护。根据10 kV 系统中性点不接地的运行特点，母线过电压保护避雷器建议选择YH5WZ-17/45，额定电压17 kV，雷电冲击电流下残压45 kV，2 ms 方波通流容量不小于400 A，并应配带放电监测仪，用于监测避雷器过电压放电次数及泄漏电流的大小，以便实时监测过电压的情况。但对新型避雷器（过电压保护器），要选用经过一段时间运行证明为安全可靠的，才能用到变电站的设计中，否则容易酿成重大事故。
3 结语
作为10kV配电成套装置的组成部分，与断路器柜的设计相比，PT及避雷器柜容易被设计人员所忽视。但在实际的设计工作中，PT及避雷器柜设计的合理与否，将直接影响变电站的安全运行及电气测量的准确性。在设计过程中，要结合现场及电力系统的实际情况，经过周密的分析与计算，尽最大可能使设计做到安全、合理、经济。
关键词：10kV PT及避雷器；熔断器；电气一次；
中图分类号：F407.6 文献标识码：A 文章编号：
1 配电柜柜型及电气一次方案的设计
1.1 柜型的设计
我国变电站10kV开关柜柜型主要有GG-1A、XGN2、KYN 等。GG-1A 为我国20 世纪60 年代开始生产的早期产品，由于其体积大、防护等级低，人身安全得不到保障，故从90 年代中期开始，逐渐被XGN2、KYN 所替代。XGN2 为箱型固定金属封闭开关柜，其防护等级可达到IP3X，但柜内主要元件没有相互隔离，一旦柜内起火或发生爆炸，必然殃及整台甚至整组柜，从而造成较大的损失。KYN 为铠装移开式金属封闭开关柜，相比GG-1A、XGN2，其重量较轻、体积较小，防护等级更可达到IP4X。KYN 主要由手车室、母线室、电缆室、继电器室、小母线室等组成，各室相互隔离，主要一次元件分别位于不同室内，若柜内起火或发生爆炸，只会影响事故室内元件，对相邻室内的元件影响相对较小或可避免，有利于缩小事故范围、减少停电时间和降低经济损失。同时，由于该柜型具有可移开的功能，当某一主要元件故障或需要检修时，可将其从柜内移出，其他元件正常工作，这样便于故障检修和日常维护。同样的配置，KYN 的市场价比XGN2 要高10%左右，但作为地区供电的心脏，变电站一旦发生事故，其造成的损失是巨大的，故从安全性及减少因事故造成损失的角度出发，变电站10 kV 开关柜型建议选用KYN。
1.2 PT及避雷器柜一次方案的设计
变电站KYN 柜型的PT 及避雷器柜一次方案设计常见有如图1 所示3 种。方案一与方案二为常用方案，变电站设计时首选方案一。因为方案一的PT 与避雷器分别位于不同的手车内（PT 手车和避雷器手车），而PT 及避雷器又是变电站中易发事故的一次元件，当PT 或避雷器发生事故时，由于它们位于不同的手车内，因而使事故得到有效隔离，从而有效防止事故影响的扩大。方案二可作为容量不大的一般用户工程选用（主要考虑到造价因素）。方案三为早期常用方案，显然该方案存在较大的安全及损失隐患，不利于事故的预防及设备的检修。“2010年江西赣东北供电公司‘8·19’人身伤亡事故”就是典型的例子。在该事故中，当地电力设计院是按方案一设计的，但开关设备制造厂在未征得设计院同意的情况下，按照其企业的一贯做法，按方案三生产，造成柜内结构与柜外一次方案牌不一致。在某220 kV 变电站改造工程消缺工作中，进行更换10 kVⅠ段母线PT 时，在拉出熔断器手车并经验电确认PT 不带电后，工作人员随即进入到柜内更换PT，由于工作人员误以为避雷器不带电而不慎触摸到避雷器，以致造成2 人当场触电死亡、1 人重伤送院救治无效死亡的重大伤亡事故。事故的直接原因是现场工作人员不按操作规程操作，未对柜内可触摸的一次元件进行验电，间接原因是制造厂未按设计院图纸施工及设备验收单位未按图纸验收。可见如果制造厂按图纸（方案一）生产，该起事故是可以避免的，这再次验证了PT 及避雷器柜一次方案的设计是何等重要。
2 主要一次电器元件的设计选择
2.1 PT 的设计
PT是PT及避雷器柜的关键一次元件，其为变电站10 kV系统提供：（1）电压测量。（2）继电保护需要的电压参数，如母线绝缘、过电压、欠电压、备自投等。变电站10kV系统母线PT 二次侧一般设3 个绕组：计量/ 测量/ 保护，一二次侧电压比为（10/）/（0.1/ ）/（0.1/）/（0.1/3）kV ，准确等级为0.2/0.5/5 P，容量根据二次负载容量而定。
在我国，10 kV 系统大多采用中性点不接地的运行方式。当线路发生单相接地等故障时，造成电压互感器电压升高，三相铁芯受到不同的激励而呈现不同程度的饱和，中性点偏移而产生零序电压。由于线路故障电流不断增大，导致电压互感器铁芯逐渐饱和，当满足ωL=1/ωC 时，即具备谐振条件，产生谐振过电压。从而引发电磁式PT 铁磁谐振，使得PT 一次侧熔断器熔断，严重时甚至烧坏PT，这样容易导致系统低电压保护误动，电能计量损失，部分继电保护失灵，严重威胁电网的安全运行。所以设计选择PT 时，根据铁磁谐振产生的原因，优先选择以下类型的PT：（1）在1.3 倍线电压下，铁芯不饱和，励磁特性好的PT；（2）电容式或微容式PT；（3）抗谐振型PT；（4）近年新推出的光电式PT。
2.2 PT 铁磁谐振抑制措施
在现有10 kV 系统中，电磁式PT 所占的比重还是很大的。由于系统单相对地等故障会诱发PT 铁磁谐振，因此，采取相应的铁磁谐振抑制措施就显得特别重要。而原有的PT 开口三角接电阻、灯泡，PT 一次中性点接零序PT 等铁磁谐振抑制措施，由于电力网络的不断扩大及线路变化复杂性增加等原因，这些措施都存在不同程度的缺陷，起到的效果有限。所以，根据现有变电站10 kV 系统多年的运行经验和积累，宜采取如下措施抑制铁磁谐振：（1） 尽量采用励磁电流小于1 mA（一次绕组）的PT；（2） 盡量采用伏安特性基本一致的3 个PT 构成1 组；（3）在PT 中性点串入新型消谐器，如LXQⅢ-10 或LXQ（D）Ⅲ-10（此措施既可以抑制PT 铁磁谐振，又可以降低PT 一次幅值涌流），使其允许的通流容量满足实际要求；（4）当PT 一次中性点串入的消谐器引起开口三角平衡电压的升高时，可在开口三角两端安装与消谐器配套的二次侧产品“三次谐波限制器”，以限制消除励磁电流的三次谐波的影响。
2.3 PT 一次侧熔断器的设计
PT 一次侧的熔断器主要是保护电压互感器的内部故障（匝间短路故障）、电气系统故障（谐振过电压、一次引线故障等）。为限制短路电流，电压互感器使用的高压熔断器要求熔断件具有一定的电阻值，而且采用灭弧能力较强的石英砂作为填料，是一种限流熔断器。这种熔断器在熔断过程中会产生超过熔断器额定电压数倍的电压。为了将过电压限制在允许的范围内，应选择与系统额定电压（10 kV）相对应电压等级的熔断器。其额定电流一般为0.5 A；三相断流容量根据短路点的短路电流而定，一般选择的最大断流容量不低于200 MVA。
2.4 避雷器（过电压保护器）的设计
PT 及避雷器柜中的避雷器（过电压保护器），主要是用于母线过电压保护。根据10 kV 系统中性点不接地的运行特点，母线过电压保护避雷器建议选择YH5WZ-17/45，额定电压17 kV，雷电冲击电流下残压45 kV，2 ms 方波通流容量不小于400 A，并应配带放电监测仪，用于监测避雷器过电压放电次数及泄漏电流的大小，以便实时监测过电压的情况。但对新型避雷器（过电压保护器），要选用经过一段时间运行证明为安全可靠的，才能用到变电站的设计中，否则容易酿成重大事故。
3 结语
作为10kV配电成套装置的组成部分，与断路器柜的设计相比，PT及避雷器柜容易被设计人员所忽视。但在实际的设计工作中，PT及避雷器柜设计的合理与否，将直接影响变电站的安全运行及电气测量的准确性。在设计过程中，要结合现场及电力系统的实际情况，经过周密的分析与计算，尽最大可能使设计做到安全、合理、经济。