小接地系统4PT方式的二次电压分析与建模

赵淑敏, 凌光

(绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000)

小接地系统4PT方式的二次电压分析与建模

赵淑敏, 凌光

(绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000)

中性点不接地系统中4PT接线方式是消除铁磁谐振的一项有效措施。系统分析了4PT方式下正常和故障态时的二次电压特征。之后针对现场经常出现的中性点PT极性反接的问题，总结出随着相PT和中性点PT阻抗比值的变化，二次测量电压的分布规律。最后，建立了基于PSCAD/EMTDC的4PT仿真模型，进行多种工况下的仿真；并结合现场运行实例，验证了理论计算的正确性。的工作给变电所运行和检修人员提供了4PT方式的运行维护提供了参考经验。

电压互感器；4PT；中性点不接地系统；二次电压；建模

0 引 言

中性点不接地系统中，由于铁磁谐振而产生的过电流和过电压，严重威胁电网和设备的安全。谐振的产生，通常是由于在系统发生故障、或者设备投切过程中系统参数发生改变等，母线电压互感器(简称PT)的励磁电感和系统对地电容满足谐振条件，从而引发铁磁谐振[1-2]。

目前有不少研究提出了消除铁磁谐振的方法，有加装消弧线圈，采用临时倒闸措施，采用励磁阻抗好的PT，在开口三角绕组并接一定的阻抗，在PT高压中性点串接一定的阻抗或者单相零序PT(即4PT方式)，在PT开口三角加装消谐器等[3]。近年来，4PT方式得到了广泛的推广。文献[4]理论分析了4PT方式增加了系统零序阻抗，有效起到消谐作用。文献[5]基于仿真模型分析，探讨各种防止铁磁谐振方法的优缺点和适用范围，验证了4PT方式可以明显的降低铁磁谐振引起的过电压和过电流。

与变电所目前普遍采用的3PT星型接线方式相比，采用4PT方式对于二次电压测量和故障检测必然产生一定影响。变电站现场安装工程中，经常发生测量、计量和零序电压回路中把零序PT极性接反的问题[6-7]。在调试和验收中，现有的规程没有零序PT极性校验内容，各方人员也没有重视此问题。正常运行时，由于零序PT的感应电压为零，运行人员无法发现异常。导致发生故障时，后台的电压监测信号无法正确反映故障情况，影响运行人员判断故障状况，严重时造成熔丝熔断PT烧毁。

所以，4PT接线方式需要系统的二次电压分析和检查方法。在接线错误的情况下，相PT和中性点PT的阻抗对二次相电压和开口三角电压值有非常大的影响。目前已有的文献都是基于相PT和中性点PT的阻抗相同假设下给出的计算结果[8]526，但是变电所现场所安装的PT设备往往二者并不相同。因此，本文详细分析了4PT正确和错误接线时的相PT和中性点PT的阻抗比值对二次电压特征的影响，并基于PSCAD建模仿真和现场实例验证，验证了分析结果的准确性。

1 4PT接线形式二次电压分析

按照中性点PT是否接入开口三角，4PT接线可分为两种方式[9],下面分析正确接线时的二次电压特征。

1.1 中性点PT接入开口三角

4PT接线方式如图1a所示，其等效阻抗如图1b所示。零序PT顺极性接入三相二次电压和开口三角电压回路中，图中的三相相电压代表测量、计量或保护电压回路，开口三角UL用于判断接地故障。EA、EB、EC为一次系统电源相电动势，UA、UB、UC为一次系统相电压，Ua、Ub、Uc为二次相电压，UL为开口三角电压。

图1a 中性点PT接入开口三角的4PT系统接线图

图1b 4PT方式系统等效阻抗图

(1)

计算得到：

(2)

其中k为相PT和中性点PT的等效阻抗之比由此可见，发生单相接地故障时，中性点电压UN’会发生偏移，并且偏移值与k呈反比关系。作用在4个PT上的一次电压为：

(3)

记Ea为二次额定相电压，二次电压测量值为：

(4)

经由以上的计算过程可以看到，在二次侧正确接线方式的前提下，中性点零序PT的感应电压可以抵消相PT感应电压的偏移，各个电压测量值与常规的3PT接线形式相同。k值的大小不会影响故障电压的正确测量。根据以上计算结果，可以看出故障相得电压为零，非故障相电压以及开口三角电压为故障前的线电压值。常规的变电站接地报警系统和值班员以此为依据，可以较为准确的接地故障的发生相别。

1.2 中性点PT不接入开口三角

图2 开口三角直接短接4PT方式的系统接线图

上节中中性点PT接入开口三角的接线方式，因原PT无法提供三次谐波励磁电流通路，在4PT的二次侧会出现较大的以三次谐波电压为主的不平衡电压，严重时会虚报出假的接地故障信号。为了克服这个缺点，可将PT的三次电压组成的开口三角短接，3UO取自零序PT的三次绕组，如图2所示。对于此种接线方式，由于开口三角被短接，相PT的一次等效阻抗的零序阻抗远远小于正、负序阻抗，也远小于中性点PT的相阻抗。因此可以近似的看作正序电势全部作用于三个相PT的一次线圈上，零序电势全部施加于中性点零序PT的一次线圈上[8]530。

系统的正序电压为EA，零序电压为-EA。由于相电压的接线方式一致，因此二次测量的相电压不变，零序电压则变为：

(5)

在这种接线方式下，各个电压测量值与常规的3PT接线形式相同。阻抗比值的大小不会影响故障电压的正确测量。

2 错误接线时的二次电压分析

因为种种原因，现场经常发生中性点PT反极性接入回路的情况。由于正常运行状态时，中性点PT没有感应电压，极性反接并不影响二次电压的正确测量，因此很难发现。下面分析反极性错误接线时二次和三次电压。

当零序PT因故极性反接，假设发生单相接地故障(以A相为例)，错误接线方式下中性点电压反向，参照正确接线时的二次电压计算式，各个二次电压计算值为：

(6)

根据以上计算结果，错误接线的情况下，中性点偏移电压会反映到二次三相电压和开口三角电压，所以三相二次电压和开口三角电压并不是一个固定的值，会随着变电所母线相PT和中性点PT的等效阻抗的比值即k的变化而变动，这就给现场故障的判断带了很大的干扰，二次测量电压随k的变化规律如图3所示。

图3 二次三相电压随k值变化曲线图

由图3可知，k值越大，故障相二次电压越小，非故障相二次电压有效值在k=1时最小后逐渐增大。开口三角电压有效值随着k增大逐渐减小到k=3时为零，然后逐渐增大。尤其值得注意的是，k等于3时，故障相电压和非故障相电压的二次值相等，都为额定电压；开口三角电压为0，与非故障情况下完全相同，对故障判断造成了严重的干扰。当k小于3时，故障相电压二次值大于非故障相电压二次值；而当k大于3时，故障相电压二次值小于非故障相电压二次值。

对于中性点PT不接入开口三角的拓扑，当因为某种原因中性点PT极性接反时， 假设此时发生A相接地故障， 因此其二次测量电压为：

(7)

3 仿真及实例验证

为了验证理论计算的正确性，本节基于PSCAD /EMTDC软件建立4PT仿真模型，考察仿真结果和理论计算是否相符。根据前文分析，中性点PT接入开口三角的接线方式，错误接线时二次电压的测量值误差很大，会对故障判断造成很大干扰，因此针对此情况进行仿真分析，仿真电路图如图4所示。图中各元件的参数模拟现场设备参数：变压器额定容量为40 MVA，变比为115 kV/10.5 kV；变压器高压来电侧用三相对称电源模拟，RLC为电源模拟阻抗；10 kV线路模型采用π模型。

图4 中性点不接地系统接地故障仿真电路

正常运行时等效负荷阻抗为500 Ω；电压互感器采用4PT接线(图中未画出)，取零序PT阻抗为相阻抗的1/3，即k=3。本研究案例中，故障点位置对研究结果影响不大，不妨选在线路出口处。仿真电路共运行0.25 s，其中故障发生时刻为0.15 s，故障类型选A相接地。4PT接线正确时的一次和二次电压的仿真结果，如图5所示。

图5 4PT接线正确时一次和二次的电压波形

正常状态一次相电压有效值为6.06 kV(线电压为10.5 kV)，因而峰值为8.57 kV。0.15 s时刻A相接地故障，故障相电压降为0，非故障相电压升高为原来的√3倍，与理论计算相符。

由于电压互感器接线正确，因此二次侧如实反映了一次侧的电压。二次电压与一次电压幅值比值为PT变比(10/0.1)，相位上完全一致。当电压互感器的零序绕组极性接反时，一次电压仍与正确接线时一致，二次电压的波形却发生了很大的变化，如图6所示。

图6 4PT接线错误时一次和二次的电压波形

上述仿真结果可以看到，虽然一次侧的电压仍然满足小接地系统单相接地的故障特征，但二次侧的电压已经不能如实反映故障电压了，而是变成了与故障前一样的三相对称电压，与110 kV松坞变单相接地故障时的现象一致。这一现象导致依靠二次侧电压的接地选线装置、故障报警装置失效，给故障判断带来了严重的干扰，对现场安全运行是极为不利的。2015年7月30 日，110 kV松坞变，10 kVIII段母线后台报母线接地故障，某间隔带电显示器B相显示无电，但是后台各相电压值均正常，3U0值为100 V。造成运行值班人员无法判断故障情况，不能立即断开故障间隔开关排除故障。若干日后该段母线停电检修PT接线，验证确实测量和计量电压二次回路的中性点PT的二次绕组极性反接。在PT一次测各相与地中间做加压试验，测量相PT与中性点PT的二次电压分压比约等于3。以上实例与仿真中k等于3时，故障相电压和非故障相电压的二次值相等，都为额定电压的结论完全符合。

假设零序PT阻抗和相PT阻抗一致，再次进行仿真，并计算故障相和非故障相的有效值，得到的仿真结果如图7所示。

图7 故障相和非故障相的有效电压值

由图7可知，故障相电压的二次值升高至原先的1.5倍，非故障相电压的二次值降至原先的0.866倍，与推导结果一致，这也间接验证了现场的4PT中零序和相PT阻抗并不一致。本节通过仿真试验，重现了小接地系统中，因4PT接线错误而造成的接地故障判断干扰，同时也验证了前文中对4PT接线影响的分析。

4 结束语

电力系统采用4PT方式可以有效地防止小电流接地电网铁磁谐振，具有推广意义。但同时，此种接线方式运行和检修人员对其接线方式还不是很熟悉，经常出现中性点PT极性接反的情况。本文通过理论计算推导，提供了变电所故障实例验证，并且基于PSCAD/EMTDC软件进行仿真模拟，全面分析了相PT和中性点PT阻抗的关系对二次电压的影响趋势，数据详尽。相对于现有的文献仅设定二者阻抗相同的条件进行理论分析，本文更加具有参考意义，更加符合现场实际情况。

[1] 刘增良，李铁玲，刘国亭,等. 对电压互感器饱和引起电位偏移与铁磁谐振的分析[J]. 电力自动化设备,2006， 26(11): 21-23.

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[3] 杨斌文，李文圣. 电压互感器铁磁谐振的产生与消除[J]. 电力自动化设备，2010， 30(3): 134-136.

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[5] 梁志瑞， 董维，刘文轩,等. 电磁式电压互感器的铁磁谐振仿真研究[J]. 高压电器，2012， 48(11): 18-23.

[6] 周建军, 樊高瑞. 10 kV防谐振PT二次回路分析[J]. 高压电器，2006， 42(6): 475-476.

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Analysis and Modeling of Secondary Voltage of 4PT Small Grounding System

Zhao Shumin, Ling Guang

(Shaoxing Power Supply Company, Shaoxing Zhejiang 312000, China)

The 4PT connection in the isolated neutral system is an effective measure for eliminating ferromagnetic resonance. This paper analyzes the features of secondary voltage in the normal and faulty 4PT cases. Focusing on frequent reverse polarity of neutral point PT, it summarizes the distribution rule of secondary voltage on the basis of the change of the ratio between the impedances of phase PT and neutral point PT. Finally, a 4PT simulation model is built up on the base of PACAD/EMTDC, and simulation experiments are made in different working conditions. Correctness of theoretical calculation is verified in site operational examples, thus providing valuable experiences for people working on the operation and maintenance of substations in the aspect of 4PT.

potential transformer；4PT；isolated neutral system；secondary voltage； modeling

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.023

TM76

A

1000-3886(2017)01-0078-04

赵淑敏(1981-)，女，河北保定人，硕士，工程师，研究方向为电力系统继电保护。 凌光(1986-)，男，浙江绍兴人，硕士，工程师，研究方向为智能变电站、电力系统继电保护。

定稿日期: 2016-07-08