一种抑制电压互感器铁磁谐振的新方法

2012-05-22陈晨，裴健

山东电力技术 2012年4期

陈晨，裴健

(1.东营供电公司，山东东营 257091；2.山东电力集团公司，山东济南 250001)

0 引言

在配电网广泛使用的中性点不接地系统中，母线上安装的电磁式电压互感器通常采用Y0/Y0/开口三角接线方式。当合闸空载母线、线路发生瞬间单相弧光接地或系统负荷剧烈变化时，所产生的暂态冲击过程会引起PT饱和以及铁磁谐振现象，经常导致PT一次侧保险熔断。尤其当现场人员为了省事而给PT一次侧换装大容量保险时，严重的铁磁谐振还有可能导致PT烧毁，进而严重威胁系统的安全运行［1-2］。

为了尽可能防止铁磁谐振的发生，近几十年来先后提出了很多防护措施，主要包括采用励磁特性较好的电压互感器、减小同一网络中并联电压互感器的台数、在母线上装设中性点接地的三相星形电容器组、系统中性点经消弧线圈或电阻接地、高压侧中性点串接单相电压互感器、PT一次侧中性点经电阻或零序PT接地、开口三角绕组加阻尼绕组等。这些措施各有其优点和局限性［3-8］。

针对PT铁磁谐振问题，提出一种新的抑制方法。理论分析和仿真研究结果验证了所述方案的有效性。

1 铁磁谐振的基本原理

对于图1所示的中性点不接地系统，为了监视绝缘，PT一次绕组中性点直接接地，其励磁电感分别为 LA、LB、LC，与其并联的电容 C0代表该相母线总对地电容。C0与励磁电感并联后的导纳为YA、YB、YA。

正常运行条件下，励磁电感LA=LB=LC，故YA=YB=YA，三相对地负载平衡，中性点电位为零。

当电网中发生冲击扰动，例如电源合闸至空母线或线路瞬间单相弧光接地，使PT一相或两相出现涌流，造成对应相互感器磁路饱和，励磁电感L减小，这样三相对地负荷不再平衡，中性点出现位移电压，其值为：

图1 带有PT的铁磁谐振回路

系统正常运行时，由于PT励磁阻抗很大，各项导纳呈现容性，而扰动使PT饱和，对应相导纳可能呈现感性。这样一来，感性和容性导纳相互抵消，使总导纳YA+YB+YA显著减小，位移电压Eo大为增加，如果参数匹配适当，总导纳接近于零，就产生了串联谐振现象，中性点位移电压将急剧上升。此时三相导线的对地电压等于各相电源电势和位移电压的相量和。

由于铁心的磁饱和引起电压、电流波形的畸变，即产生了谐波，使上述谐振回路还会对谐波产生谐振。随着线路长度的逐渐增加即C0的逐渐增加，将依次发生高频、工频和分频谐振，相应的依次产生高频、工频和分频谐振过电压。当空载母线合闸时C0很小，将产生三倍频及以上高频谐振；较大的C0则会出现工频谐振；在出线较长时C0很大，将产生分频(通常为1/2次)谐振。当发生高次谐波谐振时，一般过电流不大，但过电压很高；基波谐振时，会呈现两相对地电压升高，一相对地电压降低；分频谐振过电压一般不超过两倍相电压，但由于励磁感抗减半，电压互感器深度饱和，励磁电流将急剧增大，甚至达额定值的百倍以上，从而造成电压互感器发热、喷油甚至爆炸［1］。

2 阻尼谐振原理

谐振过电压的持续时间一般很长，甚至可以稳定存在，直到谐振条件被破坏为止。它的危害性既取决于其幅值的大小，也取决于持续时间的长短。因此，消除铁磁谐振的方法，从原理上也分为两类：改变谐振回路参数和阻尼谐振的方法。

改变回路参数是通过改变谐振回路的电感或电容参数，从而破坏谐振条件，或谐振条件虽然满足，但已难以激发谐振，从而达到消除谐振的目的［1-4］。

增大系统阻尼、消耗谐振能量也可以很好的抑制或消除谐振发生。由于配电网PT谐振具有零序性质，系统负荷、相间电容等正序参数均不参与谐振，因此可以通过在零序回路中增加电阻来阻尼谐振的产生和发展［6-8］。

常用的阻尼消谐措施是在PT开口角绕组两端接入阻尼电阻，如图1所示。忽略PT自身漏阻抗，在开口角接入阻尼电阻情况下，中性点位移电压为：

其中R′为R折算到PT一次侧的参数。

由式(2)可知，R的阻值越小，由铁磁谐振引起的中性点位移电势就越小，就越能抑制铁磁谐振的发生。如果阻尼电阻R为零，即将PT开口角短接，则相当于图1中电网中性点O直接接地，谐振条件就不能成立，谐振也就随之消失。基于该思路，提出一种新的抑制PT铁磁谐振的方法。

3 PT二次开口角短路对铁磁谐振的抑制

所述抑制PT铁磁谐振抑制方法的实施方案如图2所示。由于系统的非线性，使得无法对可控硅所产生的短路脉冲的波形进行准确的预测，也无法通过控制可控的触发角来实现对可控硅导通时间长短的有效控制。因此选择在可控硅端电压上升沿由负到正过零瞬间对可控硅进行触发导通，这样就可以减小可控硅闭合所产生的暂态脉冲的强度，进而减小对PT的冲击，同时两种状态间的平稳过渡也可以让可控硅保持最长的导通时间，进而保证了最长的阻尼时间。由于谐振过程是逐渐衰减的，可控硅端电压每次过零时间可能无法准确掌握，为了保证在端电压上升沿过零瞬间触发可控硅导通，可以给可控硅提供的触发脉冲持续一段时间，使得这段时间涵盖端电压上升沿过零时刻即可。

图2 PT铁磁谐振抑制方法实施方案

借助Matlab来对PT二次开口角短路的消谐作用进行仿真验证。Simulink中可饱和电压互感器的磁化曲线如图3所示。它通过分段线性化的方法来对饱和后的磁化曲线进行拟合。将实测的PT空载伏安特性逐点转化成瞬时磁通和励磁电流关系后，输入到该PT模型即可模拟电磁式电压互感器的饱和特性。其余线路参数同选线方案仿真中的参数一致。

根据实测的JDZX11-10BG型电压互感器空载伏安特性得到的转换结果如表1所示。

图3 分段线性化的PT饱和磁化曲线

表1 电压互感励磁特性(标么值)

仿真中，C相在0.1 s时刻发生瞬时单相接地故障，0.2 s时刻接地故障消除。随着出线长度的逐渐增加，由消除单相接地故障依次激发三倍频、基频和二分频铁磁谐振。在0.4 s时刻附近可控硅端电压上升沿过零时刻瞬间触发可控硅导通，以实现对铁磁谐振的抑制。图4(a)、(b)、(c)依次为发生三倍频、基频和二分频铁磁谐振时采取PT开口角瞬时短路进行消谐得到的仿真波形。

图4 铁磁谐振及消谐仿真波形

从图4可以看出，随着出线长度的延长，由单相接地故障消除瞬间依次激发三倍频、基频和二分频铁磁谐振，各种谐振所体现出来的特征同1中阐述的一致。在发生铁磁谐振时，通过在可控硅端电压上升沿过零瞬间使开口角瞬时短接，可以有效消除铁磁谐振。

由式(2)可知，当PT开口角内串入的阻尼电阻R在不超过某一阻值的情况下，都可以对铁磁谐振起到有效抑制作用。针对仿真所用系统，通过仿真也发现在R＜15 Ω时，PT开口角内串入阻尼电阻的消谐方法是完全有效的，超过这一阻值则失效。由于PT开口角串入阻尼电阻的另一个目的也是为了限制所产生的短路脉冲的幅值，以防对PT造成不利影响，因此有必要看一下本文所提出的PT开口角直接瞬时短接所产生的短路脉冲的强度是否在PT稳定运行所允许的范围内。图5为所述消谐方案下得到的PT开口角短路脉冲有效值同阻尼电阻阻值的关系曲线，其中短路脉冲有效值计算所用周期为0.5 s，根据JDZX11-10BG型电压互感器热极限输出计算出的PT开口角允许流过的最大电流有效值为9 A。从图中可以看出，在阻尼电阻R=0 Ω情况下所产生的短路脉冲的有效值比9 A要小的多，开口角瞬时短接不会对PT的正常运行造成不利影响。