铁磁谐振在继电保护中的影响研究

吉林电子信息职业技术学院 宋 宇

铁磁谐振在继电保护中的影响研究

吉林电子信息职业技术学院 宋 宇

本文针对铁磁谐振对中性点有效接地系统和中性点非有效接地系统的影响，分析了铁磁谐振引起保护装置误动的原因，并且提出了抑制铁磁谐振的的方法，使用EMTP仿真软件，通过软件仿真的方法验证消谐措施的正确性和可行性。

铁磁谐振；继电保护；中性点有效接地系统；中心点非有效接地系统

1.引言

当对系统进行操作或系统发生故障时，电力系统回路中的非线性元件（电感，电容）如果满足谐振条件，就可能产生共振现象，即铁磁谐振现象[1]。铁磁谐振会在线路上产生过电压，同时可能在非线性电感中产生巨大的过电流，使电感线圈温度升高，从而引起电力系统中继电保护装置误动作，设备损坏，严重威胁电网安全运行。变压器的接地短路的后备保护通常是由接地故障时变压器中性点出现的接地电流，母线出现的零序电压等电气量构成的。由于铁磁谐振在母线上产生的过电压即可能会使变压器的接地短路的后备保护误动，对保护的正确动作有很大的影响，从而影响电网的安全运行[2]。本文针对铁磁谐振对中性点有效接地系统和中性点非有效接地系统的影响，分析了保护装置误动原因以及解决措施。

2.铁磁谐振对继电保护的影响

当发生PT铁磁谐振现象时，会在母线和PT上产生很大过电压和过电流，通常情况下，母线上的电压互感器都是带有开口三角的PT，其最主要的作用是监视对地绝缘和测量零序电压。铁磁谐振过电压现象是一种不正常运行状态但不是故障。在中性点有效接地系统中，变压器的接地后备保护中的零序过电压后备保护是以PT开口三角的电压为参考电气量，通过继电保护整定来保护变压器，能够在变压器主保护失灵的情况下，迅速地将故障切除，而当发生铁磁谐振过电压的情况时，PT的开口三角电压会很高，变压器接地后备保护就可能误动作，从而影响系统的安全运行。对于中性点非有效接地系统而言，在正常运行状态下，PT的开口三角处的电压为零，而当发生接地故障或者铁磁谐振现象时，PT的开口三角会有零序电压，这样就与接地故障的现象很相似，很容易使保护装置错误指示和动作[3]。

2.1 铁磁谐振过电压对中性点有效接地系统继电保护的影响

对于中性点有效接地系统，本文研究的是铁磁谐振过电压对变压器中性点部分有效接地系统中零序过电压后备保护的研究。所谓中性点部分接地系统就是在并列运行的变压器组中有一部分变压器中性点是直接接地的，另外一部分变压器中性点不接地，这样既可以限制发生接地故障时的过电流，还可以使整个系统的零序电流不受系统的运行方式改变而变化。接地系统的接线图如图1所示。

图1 中性点部分接地系统

图2 中性点部分接地变压器零序保护

图1中变压器T2，T3直接接地运行，变压器T1中性点不接地运行。对于如图所示的中性点部分接地系统，首先变压器配有零序电流保护，若其保护范围发生接地故障时，保护装置可迅速地动作。而对于上图中的中性点不接地变压器，由于在母线上发生接地故障时，不能构成零序回路，所以没有零序电流，这样的话中性点不接地变压器会带着故障运行，会产生接近额定相电压的零序电压，威胁系统的绝缘。针对此种情况，必须为中性点不接地的全绝缘变压器配置零序过电压保护，从而保证系统的安全运行[4]。图2为中性点不接地的全绝缘变压配置的零序过电压保护原理图。

上述零序电压保护的动作电压是按照中性点部分接地系统中发生单相接地故障时保护安装处可能出现的最大零序电压进行整定的，同时又必须保证发生单相接地且失去接地中性点时有足够的灵敏度。这就说明零序电压保护只有在中性点接地变压器切除后才能动作，不与其他元件的接地保护配合。

通过分析零序电压保护，当中性点部分接地系统发生单相接地故障后，零序电流保护首先切除中性点直接接地变压器，此时系统就是中性点不直接接地系统，当此时接地故障消失，系统的参数已发生变化，就有可能达到谐振条件，发生铁磁谐振现象，在PT的开口三角处产生过电压，基于此情况下，零序电压保护作为中性点不接地运行时的保护，零序电压取自电压互感器二次侧的开口三角处，此时零序过电压保护就会动作，从而会切掉变压器，这样就造成了严重的事故。

2.2 铁磁谐振过电压对非有效接地系统的影响

根据多年的现场数据统计，在中性点非有效接地系统中过电压事故大部分都是由于谐振现象引起的，而谐振产生的过电压会使电气元件产生大量的谐波损耗，影响电气设备的绝缘和正常工作，并产生虚幻接地现象，往往会引起继电保护自动装置误发接地信号，严重时会使保护装置误以为是接地故障从而使保护误动作[5]。

如某110kV变电站投入运行，110kV侧投入正常，35kV侧投入时，继电保护装置发出“35kV母线接地”信号，经过判断为系统发生了铁磁谐振现象。这是由于在中性点非有效接地系统中，变压器母线上一般都接有监视对地绝缘和对地电压的带开口三角的电磁式电压互感器，当系统处于正常运行状态时，开口三角处的电压为零，当系统受到某种冲击或者扰动时，有可能使PT的的非线性电感饱和，由于在一般情况下，PT的三相绕组的励磁特性是不一样的，其中的某一相绕组就会饱和，从而可能产生铁磁谐振现象，使电源中性点零点漂移，如图3：

由上面的三相电压向量图可知，中性点位移电压为E0，并且有：

PT的两相由于励磁饱和呈感性阻抗，另一相由于励磁未饱和呈容性。在此种谐振情况下，两个饱和相对地电压升高，另一相对地电压降低，此种现象和中性点非有效接地系统发生单相接地故障的现象相似，就容易造成虚幻接地现象，从而使继电保护自动装置发出不正确的接地指示。

3.抑制铁磁谐振的仿真研究

本文采用EMTP电磁暂态仿真软件来模拟铁磁谐振的产生及抑制过程，所取系统模型如图4，其中SOURCE是161kV的电压源，161KV电压经Y/Y/△变压器降到13kV和46kV，13kV侧母线上带有绝缘监视用的PT，负载（LOAD）挂在46kV侧母线上。DL为断路器，当断路器闭合，为13kV空母线供电时，可诱发铁磁谐振现象。图5为该系统的仿真模型。

通过上述的仿真可以看出，PT发生铁磁谐振时，在PT的一次侧，二次侧和开口三角侧均产生过电压。正常情况下一次侧的相电压应为7.5Kv峰值应为10.6Kv，而在谐振过程中过电压的峰值最大达到54.577kV。幅值是正常电压幅值的5倍多；PT的开口三角电压幅值可达到1400V。上述的PT一次侧，开口三角侧的电压都非常高，足以威胁到PT的绝缘，甚至使PT烧毁，并且由于PT开口三角电压非常高，可能会使变压器的接地后备保护中的零序电压保护误动。

由仿真波形和表一的数据统计结果可以看出，在开口三角加电阻时，所加电阻的阻值越小，PT一次侧电压幅值和开口三角电压幅值也越小，抑制铁磁谐振的效果就越好。

通过对两种消谐措施的仿真，可以看出它们都能够抑制铁磁谐振，但是，在PT开口三角处加电阻的消谐措施，一次侧电压虽然满足系统要求，但是PT的开口三角处电压下降速度较慢。而在PT一次侧中性点处加电阻的消谐方法，从电阻开始投入时就可以起到良好的消谐效果，因此，从消谐效果来讲，在PT中性点一次侧加电阻的方法更胜一筹。

4.结论

本文分析了铁磁谐振过电压对继电保护的影响及抑制铁磁谐振的方法。首先研究中性点有效接地系统，介绍了变压器接地短路后备保护中的零序过电压保护，分析了铁磁谐振过电压对零序电压保护的影响。还分析了中性点非有效接地系统，铁磁谐振过电压使继电保护自动装置误发接地指示的原因。通过分析铁磁谐振过电压对继电保护的影响，并提出了相应的解决措施，主要介绍了PT一次侧中性点加电阻和PT开口三角处加电阻两种消谐措施，并用EMTP进行软件仿真，通过仿真图形比较得出在PT一次侧中性点加电阻的消谐效果比较好。

[1]葛耀中.新型继电保护与故障测距原理和技术[M].西安:西安交通大学出版社,1996.

[2]徐正亚.输电线路新型距离保护[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

[3]许建安.电力系统微机继电保护[M].北京:中国水利水电出版社,2001.

宋宇（1966—），女，吉林人，大学本科，高级工程师，现供职于吉林电子信息职业技术学院，研究方向：电力自动化。