中低压配电网铁磁谐振过电压抑制措施研究进展

国网新疆电力有限公司 赵普志 国网新疆电力有限公司昌吉供电公司 何 龙 王清彬 朱咏明

安徽正广电电力技术有限公司 刘 俊

我国35kV 及以下中低压配电网系统一般采用中性点不接地运行方式，为了测量母线电压，也会在母线处安装电磁式电压互感器（PT），电磁式电压互感器一次侧中性点采取直接接地的方式，当系统发生扰动而导致系统三相不对称时，中性点则成为系统中唯一对地放电通道，造成流过PT 绕组的电流超过期耐受极限，导致其铁芯饱和，并最终在扰动结束后激发PT 发生铁磁谐振。铁磁谐振时，会在PT 两端激发起持续的、较高幅值的过电压和过电流，从而导致PT 高压保险熔丝熔断、PT 烧毁等事故。

为了抑制和避免PT 铁磁谐振过电压带来的危害，国内外研究者提出了多种治理措施，根据安装位置可大致分为三类：一类是安装在在系统中性点的消谐线圈，第二类安装在PT 一次侧中点处的一次消谐装置，第三类则是安装在PT 二次侧开口三角处的二次消谐装置。

1 铁磁谐振故障机理分析

PT 励磁阻抗正常时非常大，流过的电流很小，单相接地故障时过电流流过绕组造成励磁阻抗减小并与系统电容参数发生不利配合而造成铁磁谐振，从而出现分频、基频和高频谐振过电压。通过对单相接地故障前和单相接地故障后PT 上流过的故障电流分析得：影响故障电流的主要因素有电压互感器自身参数、系统电压大小和故障发生时刻。单相接地故障消失时刻不同，对应电压大小不同，系统电压越高、饱和电流越大，PT 进入饱和程度越深越容易与系统形成不利配合产生铁磁谐振，而如果能够在饱和电流回路中串入电阻，将流过PT 绕组中的电流减小使其达不到饱和程度，则可有效避免谐振的发生。

2 铁磁谐振过电压抑制措施

2.1 系统中性点消谐

在我国的10kV 电力系统中，规定当接地电流大于20A 时，采用中性点经消弧线圈接地方式运行，通过中性点经消弧线圈接地方法相当于将电感与PT的每一相励磁电感上并联连接，当系统发生接地故障时，消弧线圈和励磁电感一起并联接入零序回路中。谐振时接入的消弧线圈电感值比PT 励磁电感值要小很多，从而破坏了谐振条件，抑制铁磁谐振的发生。

经消弧线圈接地的中性点电压波形、PT 一次侧中性点电流波形显示，系统经消弧线圈接地消谐效果都十分明显。一般来说消弧线圈接地时系统一般都采用过补偿方式，不发生串联谐振过电压的问题。当系统中性点串接小电阻时大地与系统中性点有了电气连接，可以限制接地故障电流大小和故障后过电压水平。本节中仿真选择的系统中性点接地电阻为30Ω，以MATLAB、ATP-EMTP 仿真结果中PT 三相电压波形、中性点电压波形、A 相PT 一次侧电流波形为例（图1）。

图1 系统经小电阻接地波形图

2.2 互感器中性点消谐

一次消谐器安装在PT 中性点，主要可分为阻尼电阻、非线性电阻和零序互感器，其中，非线性电阻又分为压敏电阻和流敏电阻。改变线性电阻R0的取值，仿真得到的系统A 相电压幅值、中性点电压幅值和流过A 相PT 一次绕组电流幅值(表1)。

表1 R0不同取值时消谐情况

从表1中可见，随着中性点电阻R0的增大，谐振过电压和PT 一次侧过电流都逐渐减小，谐振衰减的速度加快，但随着PT 一次侧中性点接入的电阻R0逐渐增大，当系统发生接地故障时，电阻R0承担了绝大部分的系统零序电压，导致PT 开口三角侧测量到的零序电压值偏小，影响电力系统继电保护装置的正确动作。取压敏电阻伏安特性如表2所示，则非线性电阻接入后中性点电压波形、PT一次侧中性点电流波形、非线性电阻吸收功率变化波形如图2。可见，PT 一次侧中性点经非线性电阻抑制铁磁谐振效果非常明显，非线性电阻随着电流增大，电阻值迅速变大，对比经线性电阻接地，热容量更大，通过相同能量的情况下温度变化更小，电阻吸收功率值明显减小。

图2 非线性电阻消谐效果

表2 非线性电阻伏安特性参数

中性点串接单相互感器也叫4PT 法，就是在三相PT 中行点与大地之间再接入一个单相电压互感器，也叫零序PT，设其零序电抗为XT0，零序PT可以在发生接地故障时分压，有效减小主PT 一次侧电压，避免主PT 饱和，同时增大实际等效励磁电抗，使每相PT 励磁电感的伏安特性曲线的饱和点抬高，从而减小了主PT 对整个系统电感的影响，抑制铁磁谐振，本质上就是提高PT 饱和点。谐振故障发生时，零序回路中的大部分电压都由单相PT承担，有效避免了三相PT 饱和，消谐效果如图3。

图3 零序互感器消谐效果

由图可见，零序互感器对铁磁谐振过电压、过电流都能有一定的抑制效果，但是相对来讲消谐时间较长。相对采用开口三角短路接法，开口三角开路接法更能够有效抑制谐振过电压和过电流；但从波形图显示出的消谐效果来说，后者的仿真电压波形内谐波含量较高，消谐效果较差，此外如果主PT 开口三角短接，也会造成三角绕组环流较大，短时间内不能消除谐振还会造成PT 内部过热，出现热击穿等现象。

2.3 互感器开口三角消谐

在PT 开口开口三角接入电阻消谐在谐振故障时会投入进行消谐。消谐效果如图4。在开口三角侧接入电阻对抑制高频铁磁谐振十分显著，对消除高频铁磁谐振有很好的治理效果，不过需对投入的电阻进行合适的选值。

图4 PT 开口三角电阻消谐效果

可见，PT 一次侧接电阻能够有效地抑制铁磁谐振现象，随着接入电阻的增大，铁磁谐振过电压和过电流都逐渐减小，谐振衰减的速度加快；采用系统经消弧线圈接地可以抵消线路中的对地电容电流，有效抑制铁磁谐振过电压、过电流，但是在电网中需要满足规定脱谐度；采用4PT 接线方式能够有效抑制铁磁谐振现象，但如果系统采用三角绕组短路的方式接线，抑制铁磁谐振过电压和过电流的效果较好，却会造成闭口环流过大的问题，而采用开口三角开路的接线方式可以避免环流过大，但是对谐波的消除效果不是很好。

采用开口三角接电阻方式对单相接地故障引起的高频铁磁谐振有较好的效果，只是由于中性点不接地系统在发生单相接地故障后仍可继续运行一段时间、易造成电阻过热，这种方法的理想情况，是在系统发生谐振时瞬时动作接入电阻、直至谐振消失，可是实际上很难真的准确投入，就很难达到理想中的效果。