低磁密电压互感器在GIS铁磁谐振解决方案中的应用

李寅伟，穆 焜，李 强，李 勇，杜沛林

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

550 kV气体绝缘金属开关设备(GIS)中，断路器采用双断口型式的应用较多，其断口间配置有改善断口电压分布和开断特性的电容器，断口间电容、母线对地电容以及接地的电磁式电压互感器(简称PT)之间有可能发生铁磁谐振，危害GIS设备安全[1-3]。虽然通过调整开关操作顺序，可以避免铁磁谐振发生[4]，但由于实际操作受诸多因素影响，如系统调试、并网以及各类检修工况的要求，以及电网调度可能要求的非常规操作，从操作流程及管理上避免PT铁磁谐振的方式具有一定的不确定性[5]。因此，为了彻底消除铁磁谐振的隐患，提高GIS设备运行的可靠性，应从GIS设备本身及电气方案上着手，从根本上消除铁磁谐振发生的可能性。

1 GIS PT谐振方案

对于断路器采用双断口型式的GIS，解决铁磁谐振有以下方案选择。

(1)安装谐振抑制装置。谐振抑制装置是由一个速饱和电抗器和电阻串联组成，安装在PT二次侧中性点。在正常运行时消谐装置的励磁电流非常小，不会影响误差等PT性能；在谐振状态下电抗器铁心急剧饱和，通过电抗器和串联电阻消耗了能量，达到消谐的目的。

(2)采用低磁通密度PT。改善PT伏安特性，降低磁密是防止铁磁谐振的有效措施。因PT铁心是非线性元件，降低磁密主要是将PT的额定磁密远离饱和磁密，在过电压下铁心不会饱和，因而不易于产生铁磁谐振。相比常规PT，在给定的精度等级下，低磁通密度PT的二次输出容量相对较少，对于容量较大的PT由于体积大，低磁密PT无法生产。但考虑到当今的保护及测量设备消耗更少的能量，一般对容量要求不高，因此GIS中采用这种低磁通密度PT是可行的。

关于采用低磁密PT消除GIS铁磁谐振，目前没有明确的国家规范。《国家电网有限公司关于印发十八项电网重大反事故措施的通知》(国家电网设备〔2018〕979 号)中提出：为防止中性点非直接接地系统发生由于电磁式电压互感器饱和产生的铁磁谐振过电压，可选用励磁特性饱和点较高的、在 1.9倍额定电压下铁心磁通不饱和的电压互感器。低磁密PT由于抗饱和能力较好，具有较明显的消除谐振作用。

DL/T 866—2015《电流互感器和电压互感器选择及计算规程》中，对于电压互感器消除谐振措施，提出了“在110 kV及以上中性点有效接地系统中，可采用在电压因素为2倍内呈容性的电磁式电压互感器”。电压互感器容性的判定，采用电压、电流间相位角(功率因数角)判定，功率因数角为负时，代表电流超前于电压，互感器呈容性。在理论分析中，相关文献提出了不同观点，对呈容性的PT应关注励磁特性的线性度而不是是否呈容性，无论互感器是否呈容性，只要其励磁特性线性度足够好，铁芯过电压不饱和，在运行中就不会发生谐振。

2 低磁密PT解决GIS铁磁谐振方案分析

在PT二次侧中性点安装消谐装置的方式，不需要对GIS设备选型及结构进行调整，速饱和电抗器是用铁心和漆包线组成，没有电子元器件，不会受到温度、湿度、震动等的影响，使用寿命与PT相同。由于运行稳定、可靠，且体积小，安装在PT二次侧端子箱内即可，因此是目前普遍采用的GIS PT谐振解决方案。

但值得注意的是，在有的电站实际运行中发现，对于部分GIS产品结构和布置，仅采用谐振抑制装置不一定能从根本上避免PT铁磁谐振。据了解，LD电站GIS谐振后，装设了PT中性点消谐装置，但经试验发现不能完全消除谐振。同时，相关仿真计算分析的结论也证明了，安装谐振抑制装置不能完全消除谐振，但对抑制开关操作后的振荡有一定效果。

针对以上情况，多个电站对GIS PT谐振解决方案进行了更为深入的研究分析，寻求更完善的解决方案。通过PT厂家进行铁磁谐振计算分析，和PT产品制造工艺的改进，改用低磁通密度PT，可较为有效地解决GIS的铁磁谐振问题。在实际工程案例中，XJB和XLD电站550 kV GIS发生铁磁谐振后，均通过更换低磁通密度PT解决了谐振问题，目前运行未发生铁磁谐振，运行良好。

3 低磁密PT在官地水电站GIS PT谐振解决方案中的应用

3.1 官地水电站GIS PT谐振简述

官地水电站500 kV断路器3/2接线串中，进线T区装有PT，断路器为双断口，操作中发生铁磁谐振后，为了彻底消除铁磁谐振的隐患，借鉴LD电站、XJB和XLD电站的经验，对采用低磁密PT解决GIS PT谐振进行了分析研究。

3.2 低磁密PT特性分析

(1)低磁密PT采用特殊结构的铁芯，降低磁通密度，因为线圈数多及绝缘膜的原因，价格比常规PT略贵。低磁密PT与常规PT的伏安特性对比见图1，饱和特性曲线见图2。常规PT和低磁密PT的主要参数和性能对比见表1。

图1 伏安特性曲线

图2 饱和特性曲线

以上对比可以看出，低磁密PT由于增加绕组匝数，绕组截面变小，其绝缘电阻低于常规PT，相对于常规PT，低磁密PT的励磁特性线性度较好，额定磁密远离饱和磁密，在过电压下不易饱和，因此运行中不易发生谐振。经与制造厂了解，低磁通PT已经为成熟产品，具备型式试验报告，已在多个电站投入运行。相关文献中提出，“只要电压互感器有较高的抗饱和能力(2.3～2.5Um)，一般的操作过电压均不能使互感器铁芯饱和”，也佐证了低磁密PT对消除谐振的作用。

表1 常规PT和低磁密PT的主要参数和性能对比

3.3 官地水电站低磁密PT仿真计算分析

PT的电感值、断路器断口并联电容C1以及母线对地电容C2，构成了铁磁谐振回路的重要参数。在回路元件确定的情况下，PT的电感值确定保持不变。500kV GIS不同工况下的操作引起C1和C2值变化，从而产生多种组合，仿真计算中对可能发生谐振的组合进行分析计算，谐振计算条件和分析结果如下(图中○表示无谐振发生，×表示有谐振发生)。

(1)母线各运行工况分析：常规PT和低磁密PT在母线各运行工况分析下的分析计算分别见图3～4。

(a)不带消谐器

(a)不带消谐器

(2)线路侧短引线工况分析：常规PT和低磁密PT在短引线各种工况下的分析计算分别如图5和图6所示。

图5的分析计算结果表明，在单台断路器和两台断路器并联的情况下，采用常规PT可能发生铁磁谐振。图6的分析计算结果表明，采用低磁密PT与消谐装置结合的方式后，不再发生铁磁谐振。

仿真计算分析了常规PT和低磁密PT分别在各种工况下及加装消谐器后的谐振情况，并得出结论：相比常规PT，低磁密PT带消谐器能有效抑制谐振的发生，安装谐振抑制装置对抑制开关操作后的振荡有一定效果。

(3)据了解，在实际工程案例中，做过PT分别带消谐装置和不带消谐装置的对比试验，结论是消协装置会使振荡波形衰减更快。另外，该仿真计算方法也在实际工程案例进行了计算值和实际测试值的对比，证明其计算方法和结果是可靠的。

3.4 官地水电站PT谐振改造方案及试验

根据XJB、XLD、LD等电厂PT谐振的处理经验和效果，结合官地GIS谐振仿真计算分析，官地电站GIS PT谐振改造采用低磁通密度PT与消谐装置结合的防止铁磁谐振的方案。

(1)降低PT磁通密度的主要措施为增加PT一次侧和二次侧的线圈匝数，为了与GIS设备布置上具更好的通用性，低磁通PT外壳尺寸与常规PT一样，重量几乎不变，其外形、对外接口与安装方式与常规PT一致，具有较好的适应性，可满足已有的GIS布置。

(2)低磁通密度PT的二次输出容量相对较少，经复核其二次侧容量能满足电厂运行的需要。

(3)官地水电站GIS的T区PT更换为低磁密PT后，进行了相关谐振测试工作，验证结果为：在可能出现的倒闸操作方式下，GIS未发生铁磁谐振。试验结果表明，低磁密PT在GIS铁磁谐振解决方案中效果良好。

图5 常规PT在短引线各种工况下的分析计算

图6 低磁密PT在短引线各种工况下的分析计算

4 结 语

为彻底消除GIS运行中发生铁磁谐振的隐患，提高GIS设备运行的可靠性，应从GIS设备本身及电气方案上着手，从根本上消除铁磁谐振发生的可能性。

目前普遍采用在PT二次侧中性点安装消谐装置的方式，在部分电站运行中，有的GIS产品结构和布置不一定能从根本上避免PT铁磁谐振。本文依托官地电站在GIS发生铁磁谐振后的解决方案研究，介绍了低磁密电压互感器在GIS铁磁谐振解决方案中的应用，提出采用低磁通密度PT与消谐装置结合的铁磁谐振解决方案，共同行参考。

对于GIS谐振措施，相关规范中仅提出了指导性思路，没有具体设备及参数选择方法。由于不同PT厂家的产品存在设计上的差异，其仿真计算方法及取值也不尽相同，所以官地铁磁谐振解决方案是否具有普适性有待继续研究。

另外，DL/T 866—2015《电流互感器和电压互感器选择及计算规程》中，对于电压互感器消除谐振措施，判定为采用电压因素为2倍内呈容性的电磁式电压互感器，相关文献中提出的不同观点认为，对PT应关注励磁特性的线性度而不是是否呈容性，该观点是否正确也希望与同行商榷。