陈明忠

（南京铁道职业技术学院，南京 210031）

供电系统在运行过程中，会出现各种形式的过电压，常见的为外部雷击过电压和内部操作过电压。通常系统都采用避雷器（电压限制器）来吸收过电压的能量，从而限制过电压的幅值，保护系统中高压电气设备的绝缘结构。但避雷器动作时，会有工频续流和工频电弧流过避雷器的阀片，系统此刻处于“瞬间接地”的状态，统的保护装置进入“预备启动”前状态。此时流过互感器二次侧的电流响应变化及特性演变是至关重要[1]，往往引起系统保护启动，造成断路器跳闸而中断供电。长期的运行实践表明，运行的高压供电系统在过电压条件下，往往会由避雷器动作而引发的断路器跳闸[2-4]，中断供电而造成损失。因此有必要对过电压避雷器动作时工频续流的发展变化及特性演变影响因素进行分析研究，弄清楚断路器跳闸的正真原因，从而对系统绝缘配合和保护配合进行优化，保证供电系统的安全可靠。

1 系统暂态模型

在冲击暂态电压作用下，供电系统的馈线、母线、电压（电流）互感器和继电保护二次回路都处于暂态波动过程。因此，分析此刻的互感器的高频暂态模型十分重要[5-7]。通常系统都安装电流保护做为主保护，其中无延时电流速断的使用较为广泛。如图1中所示， S1为过电压的冲击波发生源，为等效工频电压源。A为避雷器模型，C、D为系统传输线（例如：馈电线，母线，连接线等），B为电流互感器模型（本模型中采用电磁式），保护只考虑安装电流速断的情形。为了使问题得到简化，不考虑传输线和电流速断保护二次回路的高频瞬态特性。

图1 冲击电压下的系统模型

当避雷器动作时，由 C、D看进去的系统被冲击过电压形成的高频电弧电流“短路”，此刻若流过电流互感器二次侧电流有稳定增量，则可认为避雷器动作满足断路器动作跳闸条件，因此，断路器的跳闸条件可归结为求解图1模型中电流互感器二次侧电流的问题。电流互感器暂态模型的高频暂态特性，将对电流互感器二次侧电流的特性产生较大影响。

由C、D看进去的系统等值电路如图2所示。Z为线路和电流互感器的波阻抗，Rm为互感器励磁等值电阻（非线性电阻）， Lm为互感器励磁电抗（非线性电感）。 N1， N2为互感器一次线圈和二次线圈的有效匝数，R2，L2互感器二次侧等值电阻和电抗。本系统不考虑互感器铁芯磁通泄漏的影响，各元件的杂散电容不计。

图2 电源和互感器侧的电路模型

避雷器的动作瞬间，可以看作是在 C、D间等效冲击电流源δ(t)作用于系统。此刻只需要分析互感器二次侧电流 i2的特性，便可得到保护是否动作的判据和相关影响因素。

式中，us为冲击电流源两端的电压； K12, K21为互感器常数。

2 电流互感器二次电流特性

为了使问题的讨论具有针对性，对南京车站某铁路 10kV自闭贯通线的降压变电所安装的 LZZB9-10电流互感器所组成的系统进行实验分析[8-10]。馈出线避雷器安装处距离变电所高压开关柜（开关柜型号KYN42-12，馈线安装电流速断保护）约150m，流互的变比为 N1: N2= 5 :300，互感器二次侧按照额定负荷Z2=0.8Ω考虑（cosφ=0.8）。

对于 Lm, Rm为互感器的励磁特性，会随着互感器线圈中电流和铁芯磁通量变化的参数。在图2所示的电路模型中，可认为其是常数，但在具体讨论互感器二次侧电流特性时，需要通过试验对其进行分析。

表1为电流互感器磁化特性数据，表2为电流互感器频率特性数据。

表1 电流互感器的励磁特性

表2 过电流条件下的励磁特性

试验的互感器的一次测额定电流为150A，试验电流由 2A增加到 40A（小于一次额定电流 30%）时，互感器的等值励磁电阻 Rm~随试验条件发生改变，但总体趋势随一次电流的增加而增大。互感器的等值励磁电感 Lm~也一次侧电流发生改变。在避雷器动作时，由工频续流形成的冲击电流高达数千安培。例如该变电所安装的氧化锌避雷器标称放电电流为2kA。因此也必须考虑 6m=（m互感器为一次电流和二次电流的比值，m取6是受试验条件限制）以下互感器的励磁特性。表2为在大电流倍数下互感器的励磁特性。

由表2可见，互感器工作在额定值附近具有最高的功率因数。随着过电流倍数的增大，铁心趋于饱和，互感器的等效计算电感不再明显降低。可根据上表的数据由曲线拟合的方法来确定图2中互感器非线性电阻 Rm和励磁电感 Lm的约束方程：

对式（1）和式（2）进行拉氏变换并整理得到

由上式解得互感器二次侧的暂态电流为

式中， K = K12K21；为时间衰减常数。以上互感器二次电流中含有冲击函数和阶跃函数分量，如图4所示，且还含有衰减的指数函数分量。对于如图 2模型中的波阻抗 Z，其与馈线的长度无关，仅与馈出线分布电感和分布电容有关。对于110kV以下的供配电系统，馈线波阻抗的变化范围一般为 50～270Ω，在模型中可认为是一个常数，也可采用实验和测量的方法确定[11-12]。对于本系统波阻抗Z别取不同值时用Matlab对互感器二次回路的暂态电流 i2进行时域仿真，分别得到下列图3至图6。

图3 Z=50时二次侧电流

图4 Z=100时二次侧电流

图5 Z=150时的二次侧电流

图 3所示，当 Z = 5 0Ω互感器一次冲击电流取i1=1（标幺值，下同）感器工作在额定状态下，二次侧电流具有强的线性阻尼特性，衰减的时间常数为 τ = 0 .82μs。当 Z = 1 00Ω时，互感器二次电流中含有阶跃分量，如图4所示。图5中，当 Z = 1 50Ω互感器的一次冲击电流i1= 1 00时二次侧的电流出现了震荡衰减特性，此时衰减的时间常数为τ= 0 .15μs。同时，二次侧的电流出现了延迟效应，最大幅值也有所降低，说明此时互感器已经出现了饱和。当 Z = 2 50Ω时，即使互感器不工作在饱和状态，二次侧电流也出现震荡。

图6 Z=250时的二次侧电流

由此可见，在过电压条件下避雷器动作时，电流互感器二次侧中的电流特性响应，受多种因素影响。若某次避雷器动作时，互感器二次侧出现的阶跃电流对等效均方根值大于电流继电器动作的最低阈值时，断路器动作跳闸，否则断路器就不动作。

根据南京地区（该地区的雷暴日为46d/a）某铁路10kV变电所2013年馈线跳闸记录的综合分析，过电压下避雷器动作引起断路器跳闸有明显的统计特性，见表3。

表3 10kV变电所雷击跳闸统计表

分析表3可知，馈线避雷器因雷击过电压而动作后，该馈线断路器的跳闸情况某种统计规律。在断路器因雷击而跳闸时，变电所的电流速断保护均已启动。由此可见，断路器动作情况取决于电流互感器二次侧冲击电流的特性。

3 结论

在避雷器动作瞬间，可认为是给系统叠加了冲击电流。在冲击电流的作用下，电流互感器二次侧的电流的响应特性，决定了继电保护（电流速断）是否动作跳闸。在具体设备条件下，根据给定的计算模型参数，对电流互感器二次侧电流进行了求解分析。可得到如下结论：①在冲击电流作用下，互感器二次侧电流中包含冲击响应和阶跃响应分量，其衰减时间常数取决于线路波阻抗和互感器一次测电感参数与电阻参数；②在幅值较高冲击电流作用下互感器二次侧电流有震荡衰减特性，且时间常数均小于1μs；③系统的波阻抗Z对互感器二次电流有很大影响，互感器二次侧负荷的特性对衰减常数无影响，而工作在饱和状态下的电流互感器对二次电流的响应特性影响较大。

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