王冰冰 王超 陳嵩 邵昱

摘 要：電磁式電壓互感器在我國10 kV配電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用。其勵磁電感呈現(xiàn)非線性，系統(tǒng)擾動時容易發(fā)生鐵磁諧振，由此引起的PT炸裂情況時有發(fā)生，對電網(wǎng)正常運(yùn)行帶來嚴(yán)重的安全隱患。本文針對中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中PT鐵磁諧振進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)例闡述其產(chǎn)生機(jī)理及引發(fā)的危害，并對現(xiàn)有的幾種消諧方法進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：電磁式電壓互感器;鐵磁諧振;消諧

中圖分類號：TM451文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）31-0137-04

Failure Analysis and Prevention and Control Measures

of Electromagnetic Voltage Transformer

WANG Bingbing WANG ChaoCHEN Song SHAO Yu

（State Grid Zhengzhou Power Supply Company，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Electromagnetic voltage transformer （PT） is widely used in my country's 10kV distribution network. Due to its non-linear excitation inductance， ferromagnetic resonance is prone to occur when the system is disturbed， and the resulting PT bursting occurs from time to time. The normal operation of the power grid brings serious security risks. This paper analyzed the PT ferromagnetic resonance in the neutral point ungrounded system， explained its generation mechanism and the harm caused by the case analysis， and discussed several existing resonance elimination methods.

Keywords： electromagnetic voltage transformer;ferromagnetic resonance;resonance elimination

目前，我國10 kV配電網(wǎng)通常為中性點(diǎn)不接地的小電流接地系統(tǒng)，大多使用傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器（PT）[1]。PT一、二次繞組采用星形接線，中性點(diǎn)接地，另三次繞組接成開口三角形，用以監(jiān)測系統(tǒng)是否出現(xiàn)單相接地[2]。系統(tǒng)正常運(yùn)行時，母線上三相電壓平衡，PT勵磁感抗相比10 kV系統(tǒng)對地容抗要大很多，因此，中性點(diǎn)的偏移電壓很小，基本不會對設(shè)備造成影響。但是，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)擾動（單相接地故障、空合母線、系統(tǒng)配置不平衡等）引起中性點(diǎn)位移時，可能會使電磁式PT由于飽和程度不同出現(xiàn)鐵磁諧振，進(jìn)而引起系統(tǒng)過電壓和互感器過電流[3]。

1 電磁式PT鐵磁諧振過電壓基本原理及其危害

1.1 鐵磁諧振過電壓原理

在中性點(diǎn)不接地的小電流接地系統(tǒng)中，母線存在對地電容，電磁式PT通常接在母線上，可以等效為鐵芯電感元件。由于鐵芯材料勵磁曲線的非線性，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大波動時，鐵芯材料可能進(jìn)入飽和，與對地電容配合發(fā)生鐵磁諧振，振蕩過程中產(chǎn)生諧振過電壓[4]。

對于小電流接地系統(tǒng)，其一次接線圖可以簡化為圖1（a）所示，等值電路如圖1（b）所示[5]。圖1（b）中，左為系統(tǒng)母線三相對稱電源，右側(cè)為電磁式PT，其一次側(cè)可以等效為星形連接的勵磁電感，三相分別為[LA]、[LB]、[LC]，[C0]為各相上的設(shè)備對地電容值，并聯(lián)后其導(dǎo)納為：

由基爾霍夫電流定律可知，中性點(diǎn)的電勢為：

系統(tǒng)正常運(yùn)行時，PT的勵磁阻抗很大，流經(jīng)電感線圈的電流較小，互感器鐵芯未達(dá)到飽和，三相平衡，[YA]、[YB]、[YC]基本相等，故三相電動勢，中性點(diǎn)電壓[E0]為0，即PT一次側(cè)中性點(diǎn)電壓為地電位。

電網(wǎng)擾動時，可能會使對地電壓升高，勵磁電流突然增大而進(jìn)入飽和。若三相PT一次側(cè)飽和程度不同，三相導(dǎo)納不平衡，即[YA]、[YB]、[YC]不相等，那么[E0]不等于0，中性點(diǎn)就會出現(xiàn)電壓偏移，偏移程度與PT一次側(cè)飽和差異有關(guān)。

如果參數(shù)匹配不當(dāng)，恰好使得總導(dǎo)納接近零，就可能引起諧振過電壓[6]。一般按照頻率將諧振分成高頻諧振、分頻諧振和基頻諧振三種。設(shè)電壓互感器額定勵磁感抗[Xm=ωL]，系統(tǒng)每相對地容抗[XC0=1/ωC0]，研究表明，系統(tǒng)中發(fā)生不同頻率諧振與[XC0Xm]的值有著直接的關(guān)系，具體如下。

①當(dāng)比值在0.01～0.07時，發(fā)生分頻（主要是1/2次諧波）諧振，系統(tǒng)三相對地電壓輪流升高，并作低頻擺動。

②當(dāng)比值在0.07～0.55時，發(fā)生基頻諧振，系統(tǒng)兩相電壓升高、一相電壓降低。

③當(dāng)比值在0.55～2.8時，發(fā)生高頻（主要是3次、5次諧波）諧振，系統(tǒng)三相對地電壓升高或一相升高另兩相降低，且系統(tǒng)中性點(diǎn)有較高幅值的零序電壓。

④當(dāng)比值小于0.01或大于2.8時，系統(tǒng)不會發(fā)生鐵磁諧振[7]。

實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常出現(xiàn)PT一次側(cè)兩相嚴(yán)重飽和、一相不飽和的情況。假設(shè)互感器鐵芯A相不飽和，其等值電容為[C′]，則有

B、C兩相嚴(yán)重飽和，其等值電感相等為[L']，則有

由此，等值電路可以表示為圖2[8]。

由[ωC+1/ωLωC-2/ωL≥1]可知中性點(diǎn)位移電壓[E0]與[EA]反相，且[E0>EA]，原來中性點(diǎn)O與地（[O′]）是重合的，現(xiàn)因出現(xiàn)中性點(diǎn)位移電壓[E0]，使PT一次側(cè)中性點(diǎn)[O′]發(fā)生偏移，如圖3所示。從圖中的向量關(guān)系位置可以看出，飽和相B、C兩相對地電壓升高，不飽和相A相的對地電壓降低，與系統(tǒng)發(fā)生單相短路接地故障的情況相似，稱這種現(xiàn)象為“虛幻接地”。

1.2 鐵磁諧振的危害

由上述分析可知，當(dāng)系統(tǒng)擾動發(fā)生鐵磁諧振時，PT就會產(chǎn)生諧振過電壓。只要諧振條件沒有改變，它就持續(xù)存在，危害系統(tǒng)安全。它會增大系統(tǒng)中元件的電流和電壓，縮短元件使用壽命;還可能造成虛假接地的現(xiàn)象，導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動作;過電壓長時間存在甚至?xí)斐蒔T燒毀、變壓器燃燒等重大事故，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[9]。

2 某變電站電磁式PT炸裂原因分析

2019年7月13日04：15，某變電站10kV Ⅱ母Ⅱ段、Ⅲ母A相接地，其運(yùn)行方式如圖4所示，04：19，10 kV Ⅲ母TV異常，線電壓降為零。高壓室有巨響，經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)高壓室有濃煙。04：21，3#變低后備保護(hù)動作，103跳閘，該站Ⅱ母Ⅱ段、Ⅲ母失壓。

經(jīng)開倉檢查后，發(fā)現(xiàn)該變電站10 kV Ⅲ母PT手車燒損嚴(yán)重，A相PT本體有燒損痕跡，B、C相PT本體嚴(yán)重?zé)龘p開裂，如圖5所示，PT柜內(nèi)壁存在明顯的放電痕跡，如圖6所示，其余開關(guān)柜內(nèi)母線及跨橋母線無受損跡象，初步判斷PT柜為故障處。

后經(jīng)深入排查，確定事故初始原因?yàn)橐粭l10 kV饋出線發(fā)生A相接地，系統(tǒng)非故障相電壓升高為線電壓并對系統(tǒng)產(chǎn)生擾動。從消弧線圈裝置信息及保護(hù)錄波可以看出，中性點(diǎn)電壓為6 061 V，存在金屬性接地故障。金屬性接地故障電流中存在很高的直流分量且故障電流持續(xù)長達(dá)250 s，直流分量流經(jīng)PT相當(dāng)于線圈短路，會引起PT線圈嚴(yán)重發(fā)熱。同時，在電壓突變過程中，該站10 kV母線PT高壓線圈非接地兩相B、C相的勵磁電流突然增大、飽和，飽和后的PT勵磁電感變小，由此構(gòu)成相間串聯(lián)諧振，產(chǎn)生過電壓。與此同時，感抗下降使得勵磁回路嚴(yán)重飽和，勵磁電流遠(yuǎn)超額定值，導(dǎo)致鐵芯劇烈振動。電壓互感器在大電流下運(yùn)行，自身溫度迅速升高，鐵芯嚴(yán)重發(fā)熱，最終導(dǎo)致PT本體燒損。

PT本體燒損后，煙塵及火焰蔓延引發(fā)A、B、C三相弧光短路，3#變低復(fù)壓過流Ⅰ段保護(hù)動作跳開103開關(guān)，導(dǎo)致該站10 kV II母II段、Ⅲ母失壓，造成事故擴(kuò)大。

3 鐵磁諧振抑制方法

3.1 中性點(diǎn)經(jīng)電阻或消諧器接地

在電壓互感器中性點(diǎn)與地之間串聯(lián)消諧電阻，相當(dāng)于電壓互感器每相對地均接入電阻，可以在發(fā)生鐵磁諧振時起到消耗能量、抑制諧波的作用。這使得電壓互感器的中性點(diǎn)電位升高，從而降低其一次繞組兩端電壓，當(dāng)消諧電阻大小合適時，可以降低電壓互感器鐵芯飽和程度或使其工作在線性區(qū)。此外，在單相接地引發(fā)間歇性電弧時，消諧電阻的接入可以使系統(tǒng)對地電容通過消諧電阻構(gòu)成回路，降低流過電壓互感器繞組中的電流，保護(hù)電壓互感器不因過流而損壞。

這種方法同時也可能帶來不利影響。消諧電阻的存在會使電壓互感器中性點(diǎn)在鐵磁諧振時產(chǎn)生一定的電壓，電壓過大則有可能對地放電，使中性點(diǎn)絕緣擊穿。此外，還會降低電壓互感器二次側(cè)開口三角繞組的輸出電壓，影響接地指示裝置的靈敏度[10]。

因此，在采用這種方法時，需要根據(jù)系統(tǒng)的參數(shù)選擇合適的消諧電阻。有研究表明，在中低壓配電系統(tǒng)中，接入線性電阻可以在發(fā)生單相接地故障時有效抑制鐵磁諧振，縮短鐵磁諧振時間，降低流過PT的電流值，但需要接入的電阻值較大，對其他故障引起的諧振抑制效果不好[11]。

若接入電阻為非線性，消諧效果好、速度快，但若有較多的負(fù)荷側(cè)PT中性點(diǎn)直接接地，會導(dǎo)致飽和電流過大，零序電壓升高，反而起到反作用[12-13]。

3.2 PT開口三角繞組接電阻或消諧裝置

電壓互感器開口三角繞組端口在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時基本無電壓，因此接入阻尼電阻[R0]并不消耗能量，而在諧振發(fā)生時，可以消耗諧振過程中產(chǎn)生的能量，起到消諧的作用。串聯(lián)電阻后折算至一次側(cè)的原理如圖8所示。其中[Z1=R1+X1]，為一次側(cè)漏阻抗;[Zm=Rm+Xm]，為一次側(cè)激磁阻抗;[Z3=R3+X3]，為開口三角繞組折算至一次側(cè)阻抗;[R]為折算至一次側(cè)的開口三角串聯(lián)電阻。

圖7中，[Z1<

串聯(lián)的電阻[R]若取值過小，三角繞組將在鐵磁諧振時產(chǎn)生巨大環(huán)流，可能會損壞互感器絕緣甚至燒毀互感器。因此，[R]的選擇需要根據(jù)電壓互感器容量綜合考慮，按照《電力設(shè)備過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（SDJ 7—1997）建議的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是[R≤0.4X0]，[X0]為線電壓下電壓互感器每相勵磁電抗換算到開口三角接線處的值[14]。

3.3 4PT方法

該方法一方面可以增大PT等值零序電感，使更容易滿足;另一方面，可以改變PT的電壓分布，使其鐵芯不易飽和，抑制鐵磁諧振的發(fā)生。其原理如圖8所示，3只主電壓互感器星形接線的中性點(diǎn)通過電壓互感器的一次繞組接地，這樣在正常運(yùn)行時中性點(diǎn)電壓偏移很小，故障時零序電壓互感器抑制涌流，可以有效抑制系統(tǒng)的諧振過電壓[15]。

在電網(wǎng)單相接地時伴隨著低頻振蕩，4PT這種方法會因頻率降低導(dǎo)致PT4的阻抗下降。而一次PT的零序電壓升高、開口環(huán)流增大（一次開口零序短路能有效抑制2次諧波），嚴(yán)重時將燒毀PT，而且4PT法體積龐大，成本較高[16]。

3.4 其他方法

減少同一電網(wǎng)中并聯(lián)PT數(shù)量也是一種在實(shí)際中易于實(shí)施的消諧方法，可以增大勵磁感抗，避開諧振區(qū)，效果十分明顯[17]。但是，這種方法無法很好地抑制PT過電流現(xiàn)象，因此需要與其他抑制措施綜合使用。

電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地也可以抑制諧波電流，這相當(dāng)于在零序回路中PT的勵磁電感兩端并聯(lián)了消弧線圈，而消弧線圈的電感值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PT的勵磁電感，PT就不易飽和[18]。但是，由于系統(tǒng)中倒閘操作及中性點(diǎn)方式的不確定性，其很難具體實(shí)施。

4 結(jié)論

本文結(jié)合某變電站電磁式電壓互感器炸裂事故，對電磁式電壓互感器的鐵磁諧振進(jìn)行分析，說明其產(chǎn)生的原因及影響，同時對各類消除鐵磁諧振的方法及其適用范圍進(jìn)行探討。為防止鐵磁諧振事故，應(yīng)選用勵磁特性較好的電壓互感器，避免其在運(yùn)行中出現(xiàn)鐵芯飽和現(xiàn)象。發(fā)生鐵磁諧振的原因復(fù)雜多變，因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的具體情況，多種方法并用，以更好地預(yù)防鐵磁諧振，確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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