廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司河池環(huán)江供電局 王海霖 黃廣海 葉 高 農(nóng)燦勛

1 引言

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，電磁式電壓互感器一般安裝于母線端，具有較強(qiáng)的非線性特性，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障或弧光接地等故障時(shí)很容易造成PT 鐵芯飽和，勵(lì)磁電感的減小會(huì)使互感器感抗參數(shù)與系統(tǒng)電容參數(shù)相匹配從而引發(fā)鐵磁諧振。鐵磁諧振過(guò)電壓會(huì)對(duì)系統(tǒng)絕緣造成威脅，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致避雷器爆炸事故以及絕緣閃絡(luò)事故等，對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重的威脅，本文通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)電壓互感器的鐵磁諧振故障原理展開分析，探究其對(duì)電壓互感器的影響；提出了有效的抑制鐵磁諧振方法，通過(guò)算例分析，驗(yàn)證了其抑制方法的有效性，在實(shí)際工程中具有重要價(jià)值。

2 鐵磁諧振故障機(jī)理

2.1 鐵磁諧振的產(chǎn)生及危害

中低壓配電網(wǎng)中，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同程度的過(guò)電壓擾動(dòng)。例如，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障瞬間以及故障消除后；系統(tǒng)發(fā)生間歇性弧光接地故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)高頻次的過(guò)電壓；當(dāng)系統(tǒng)空載或輕載運(yùn)行時(shí)，以及投切帶有電壓互感器的空載線路時(shí)[1]等。不同程度的過(guò)電壓會(huì)使電磁式電壓互感器的鐵心趨于飽和，長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)電壓沖擊會(huì)最終使系統(tǒng)感性參數(shù)與容性參數(shù)相匹配，激發(fā)鐵磁諧振，引發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓，對(duì)系統(tǒng)造成更大的危害。

一般中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，最容易引起電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振的故障是單相接地故障，因?yàn)樵谙到y(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)正常相電壓升高為線電壓，而非故障電壓會(huì)降低趨于零，當(dāng)單相接地故障消除后，非故障相中會(huì)將多余的容性能量釋放出去，而電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)此時(shí)為系統(tǒng)中唯一的對(duì)地通道，同時(shí)故障相也會(huì)從零升高為相電壓，該過(guò)程會(huì)從電源端吸收能量進(jìn)而形成暫態(tài)回路[2]。在單相接地故障發(fā)生瞬間以及故障消除后，暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)過(guò)程都會(huì)對(duì)電壓互感器造成沖擊，其中電壓互感器為系統(tǒng)中的主要感性元件，而系統(tǒng)中線路對(duì)地參數(shù)為容性參數(shù)，當(dāng)過(guò)電壓流經(jīng)電壓互感器后就會(huì)使其鐵心趨于飽和進(jìn)而降低其感性參數(shù)，很容易使系統(tǒng)中的感性參數(shù)與容性參數(shù)構(gòu)成諧振匹配激發(fā)鐵磁諧振[3-4]。除了單相接地故障，弧光接地產(chǎn)生的高頻次過(guò)電壓對(duì)電壓互感器的飽和也有較大影響，在電弧持續(xù)燃燒的情況下極易導(dǎo)致電壓互感器燒毀以及絕緣薄弱地方燒毀。

鐵磁諧振對(duì)電力系統(tǒng)以及用電設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生較大的危害。一是鐵磁諧振故障剛發(fā)生時(shí)故障特征不明顯，很難通過(guò)觀察直接判斷其故障類型，但是諧振過(guò)電壓會(huì)產(chǎn)生較大害，其隱秘性不容小覷。二是鐵磁諧振具有較強(qiáng)的持續(xù)性，如果沒(méi)有外界干擾破壞諧振條件，鐵磁諧振會(huì)一直發(fā)生下去，其中長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)電壓沖擊會(huì)使系統(tǒng)中絕緣薄弱部分擊穿進(jìn)而引發(fā)更大的故障，同時(shí)也有可能導(dǎo)致電壓互感器因持續(xù)的過(guò)電流而溫度過(guò)高進(jìn)而燒毀，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成重要的威脅。三是鐵磁諧振還有可能對(duì)變壓器造成不可逆損壞，長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)電壓和過(guò)電流會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備絕緣老化加快，絕緣油質(zhì)量下降并且還會(huì)導(dǎo)致變壓器產(chǎn)生持續(xù)的噪聲，工作溫度升高等一系列故障。四是鐵磁諧振會(huì)使系統(tǒng)中的零序分量變大，導(dǎo)致電力系五是鐵磁諧振由于故障的不對(duì)稱性，會(huì)使系統(tǒng)中性點(diǎn)產(chǎn)生較大的過(guò)電壓偏移現(xiàn)象，稱該現(xiàn)象為虛幻接地現(xiàn)象，中性點(diǎn)電壓的升高很有可能導(dǎo)致故障檢測(cè)裝置誤動(dòng)作，降低電力系統(tǒng)的可靠性。

2.2 鐵磁諧振仿真分析

6～35kV 通常采用中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)中，通常采用干式電磁式電壓互感器，其中電壓互感器與線路為并聯(lián)形式。本節(jié)通過(guò)ATP-EMTP 電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)電壓互感器以及10kV 電力系統(tǒng)進(jìn)行建模。模型中采用110/10kV 主變壓器、一臺(tái)10kV電磁式電壓互感器，型號(hào)為JDJZ-10，非線性電感參數(shù)根據(jù)實(shí)際勵(lì)磁曲線設(shè)定、線路用LCC 架空線路代替。

在系統(tǒng)發(fā)生單相短路故障時(shí)，母線故障相電壓接近于0，非故障相升高至線電壓。系統(tǒng)單相接地故障消除引發(fā)鐵磁諧振，電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)電壓幅值會(huì)達(dá)到3.75A，互感器一次側(cè)相間電流幅值高達(dá)2.49A。

由單相接地仿真模型分析可知，單相接地故障很容易激發(fā)鐵磁諧振，但不局限于單相接地故障，任何過(guò)電壓干擾都有可能破壞系統(tǒng)參數(shù)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其容性參數(shù)與感性參數(shù)滿足諧振條件激發(fā)鐵磁諧振，例如：?jiǎn)蜗嘀睾祥l、弧光接地故障、合空變等。

3 中性點(diǎn)涌流抑制

電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)非故障相容性元件會(huì)儲(chǔ)存能量，故障消失后會(huì)通過(guò)唯一對(duì)地通道即電壓互感器中性點(diǎn)進(jìn)行能量釋放，因此流過(guò)互感器一次中性點(diǎn)故障電流大小和時(shí)間長(zhǎng)短是造成電壓互感器高壓保險(xiǎn)熔斷及本體燒毀的根本原因，為此提出了以飽和諧振理論為基礎(chǔ)的抑制涌流的治理策略，通過(guò)在能量釋放通道加裝電阻進(jìn)而起到諧振能量消耗的作用。對(duì)于10kV 電力系統(tǒng)中，在電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)加裝消諧裝置等效于對(duì)互感器三相繞組均加裝了消諧電阻，能起到統(tǒng)一均衡的耗能、阻尼和抑制諧波的作用。

理想情況下，中性點(diǎn)電阻在正常運(yùn)行時(shí)阻值為零，對(duì)PT 的測(cè)量精度沒(méi)有影響；當(dāng)諧振發(fā)生時(shí)，電阻值趨于無(wú)窮大，相當(dāng)于PT 一次側(cè)中性點(diǎn)不接地，即破壞了諧振回路。PTC（Positive Temperature Coefficient）是一種用于制作非線性電阻的正溫度系數(shù)熱敏材料，很多類型的導(dǎo)電聚合物會(huì)呈現(xiàn)出這種熱敏特性，在溫度較低時(shí)電阻較小，隨著溫度的升高達(dá)到某一定值時(shí)其電阻會(huì)急劇增加至極限電阻值，發(fā)生半導(dǎo)體和絕緣體的相互轉(zhuǎn)變；反之，當(dāng)PTC 材料從高溫的環(huán)境降至常溫時(shí)，其阻值也會(huì)隨之下降到低阻狀態(tài)，是當(dāng)下較為理想的限流電阻[5]。

在電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)加裝正溫度特性的中性點(diǎn)涌流抑制裝置，一次側(cè)中性模型使用MOV Type92型非線性電阻，單相接地故障中性點(diǎn)抑制涌流抑制仿真波形。中性點(diǎn)涌流抑制前后仿真比對(duì)見表1。

表1 中性點(diǎn)涌流抑制前后仿真比對(duì)

由表1可知，通過(guò)對(duì)比加裝涌流抑制裝置前后互感器電壓、電流以及中性點(diǎn)電流數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，正溫度特性的中性點(diǎn)涌流抑制裝置可有效抑制電壓互感器中性點(diǎn)涌流，其繞組電壓、電流都有所降低，有效抑制鐵磁諧振。

4 算例分析

為了驗(yàn)證互感器一次涌流抑制的有效性，文中引入某地區(qū)變電站一處鐵磁諧振抑制措施案例，對(duì)其安裝正溫度特性的中性點(diǎn)涌流抑制裝置之后的錄波進(jìn)行分析。

某地220kV 變電站10kV 系統(tǒng)有三段母線，10kV Ⅰ母多次發(fā)生電壓互感器一次保險(xiǎn)熔斷或電壓互感器燒毀事故，并于2023年2月安裝正溫度特性的中性點(diǎn)涌流抑制裝置，并加裝無(wú)線通信模塊，將消諧裝置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、動(dòng)作及報(bào)警信息上傳到云平臺(tái)，實(shí)時(shí)了解抑制裝置的運(yùn)行狀態(tài)。自天10kV Ⅰ母PT 安裝抑制裝置以來(lái)，多次發(fā)生報(bào)警。

正溫度特性的中性點(diǎn)涌流抑制裝置動(dòng)作多次。在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，抑制裝置都會(huì)動(dòng)作，由此也證明了系統(tǒng)發(fā)生接地故障極易引起鐵磁諧振。

2023年02月15日21時(shí)波形如圖1所示。

圖1 2023年02月15日21時(shí)波形

由圖1可知，10kV 系統(tǒng)Ⅰ母2023年02月15日21時(shí)40分22秒B 相發(fā)生持續(xù)性接地故障，在接地故障恢復(fù)過(guò)程中，電壓互感器一次中性點(diǎn)產(chǎn)生涌流，此時(shí)抑制裝置動(dòng)作，抑制涌流。

2023年02月15日22時(shí)波形如圖2所示。

圖2 2023年02月15日22時(shí)波形

由圖2可知，10kV 系統(tǒng)Ⅰ母2023年02月15日22時(shí)46分48秒A 相發(fā)生短時(shí)接地故障，在接地故障恢復(fù)過(guò)程中，電壓互感器一次中性點(diǎn)產(chǎn)生涌流，此時(shí)抑制裝置動(dòng)作，抑制涌流。

2023年02月15日23時(shí)波形如圖3所示。

圖3 2023年02月15日23時(shí)波形

由圖3可知，10kV 系統(tǒng)Ⅰ母2023年02月15日23時(shí)54分43秒C 相發(fā)生持續(xù)性接地故障，在接地故障恢復(fù)過(guò)程中，電壓互感器一次中性點(diǎn)產(chǎn)生涌流，此時(shí)抑制裝置動(dòng)作，抑制涌流。

由圖1～3可知,系統(tǒng)發(fā)生了接地故障（故障相電壓降低，非故障相電壓升高，黃色A 相電壓、綠色B 相電壓、紅色C 相電壓、藍(lán)色開口三角電壓，黑色電壓互感器一次中性點(diǎn)電流），在接地故障恢復(fù)過(guò)程中時(shí)，PT 中性點(diǎn)流過(guò)電流（此電流就是系統(tǒng)故障產(chǎn)生的涌流），由于抑制裝置的作用（工作原理:正常運(yùn)行時(shí)，處于低阻態(tài)，不影響電壓互感器的特性；當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，PT 中性點(diǎn)流過(guò)涌流，流敏消諧器突變?yōu)楦咦钁B(tài)，抑制PT 中性點(diǎn)流過(guò)的激勵(lì)電流小于200mA），快速抑制涌流，避免電壓互感器飽和，確保PT 不發(fā)生諧振，PT 保險(xiǎn)不會(huì)熔斷。

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、故障記錄、故障錄波及鐵磁諧振產(chǎn)生的機(jī)理可知：

一是10kV 系統(tǒng)前期PT 保險(xiǎn)頻繁損壞，主要是由于系統(tǒng)發(fā)生故障誘發(fā)鐵磁諧振導(dǎo)致；二是10kV系統(tǒng)常發(fā)生接地故障，占比63%，頻繁的接地故障易引起系統(tǒng)諧振過(guò)電壓，因此需要加強(qiáng)10kV 系統(tǒng)的鐵磁諧振治理；三是從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和故障記錄可知，10kV 系統(tǒng)Ⅰ母PT 安裝抑制裝置以來(lái)，裝置有效的識(shí)別并記錄系統(tǒng)故障類型（包括故障時(shí)的電壓值），抑制裝置有效地抑制了鐵磁諧振的發(fā)生，保護(hù)了PT及PT 保險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)理論分析，仿真模擬以及算例分析，針對(duì)由鐵磁諧振引起的電壓互感器中性點(diǎn)涌流問(wèn)題，提出了有效的抑制措施，即在電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)安裝消諧性能更好地正溫度特性的中性點(diǎn)涌流抑制裝置。通過(guò)前后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該方案可有效降低互感器的過(guò)電壓和過(guò)電流，對(duì)于電壓互感器中性點(diǎn)涌流也起到了抑制作用，對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題具有重要意義。