配电网单相接地期间电压互感器直流偏磁机理及抑制措施分析

2022-08-23王玉川赵洪峰

科学技术与工程 2022年21期

王玉川，赵洪峰

(新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐 830017)

随着能源需求和环境保护问题的日益严峻，电力资源在能源体系中的主导地位逐步凸显。电磁式电压互感器(potential transformer， PT)作为电网测量、保护和监视并连接一、二次系统的重要设备[1]，电磁式电压互感器常用于10 kV中性点不接地配电网中，其安全运行对用户、电网至关重要。如果电压互感器发生损坏，将导致电力系统与其相连的继电保护、控制和监测系统无法正常工作，严重时有可能导致电力系统解列等。故在工程实际中常在PT一次侧安装熔断器保护设备和人身安全[2]。

目前对PT铁磁谐振造成损坏已有大量研究，发现系统对地电容与PT铁心电感产生串联或并联谐振，导致PT过电流损坏、一次侧保险频繁熔断，工程中通过增大熔断器熔断电流或安装消谐器的方式进行抑制[2-5]。但近年来故障仍时有发生，故障率还有上升的趋势，甚至出现了PT与消谐器一起烧毁的情况[6]。现有PT的故障研究大多在系统剧烈变化时，如重合闸空载母线、单相接地故障消失瞬间[7]，对带故障运行期间PT的状态研究较少。而为保证持续供电，配电系统发生单相接地故障时常带故障运行直到消除故障[8]，这期间PT熔断器经常烧毁，严重时PT甚至发生爆炸[9]。据统计，系统发生单相接地故障概率占系统总故障概率的80%以上[10]，故对单相接地期间PT运行状态的分析有着重要意义。

李明洋等[11]提出母线PT多由单相PT组成，单相PT与单相铁心式变压器相似，具有独立的磁回路和磁阻低的特点，直流分量较容易引起其磁饱和。马明等[12]提出铁路机车和动车运行中，使用的电力电子设备会产生直流电流，容易使车载PT发生直流偏磁，导致PT面临过热爆裂。韩笑等[13]对配网单相接地故障期间故障电流分析，发现其中包含直流分量和交流分量，母线PT一次侧中性点接地为故障电流提供通道[14]，遭受直流入侵的励磁电流是否使PT发生直流偏磁以及造成何种影响有待深入研究。

现基于PSCAD/EMTDC仿真软件，搭建10 kV中性点不接地配网模型，采用瞬时对称分量法对带故障运行时母线PT励磁电流进行分析，从而得到母线PT直流偏磁的原因，针对母线PT直流偏磁现象，分析直流偏磁造成的影响并提出抑制方法。对影响PT直流偏磁的因素及抑制措施的有效性进行仿真验证。为中性点不接地配网单相接地故障引起PT发生直流偏磁瞬时过电流，造成本体故障及一次侧熔断器熔断等问题提供新角度。

1 单相接地故障期间PT直流偏磁产生机理

单相接地故障是配网最常见的故障类型，若故障运行期间产生的直流分量入侵PT励磁电流，极易造成PT直流偏磁。因此，采用瞬时对称分量法对系统单相接地时流过各相PT一次绕组的励磁电流进行分析，并分析造成PT直流偏磁机理。

1.1 故障期间PT励磁电流

基于中性点不接地配网实际接线搭建仿真系统如图1所示，等效电路如图2所示。

母线PT采用非线性电感LPT、非线性电阻RPT等效[15]。假设图1线路L3始端的f点A相金属性接地，f点各相电压为

图1 系统接线图Fig.1 System wiring diagram

EA、EB和EC分别为系统的三相对称电源；N1为配网中性点；N2为PT一次绕组中性点；LPT为非线性电感；RPT为非线性电阻；C为各相对地电容图2 系统正常运行等值电路Fig.2 Equivalent circuit for normal system operation

(1)

式(1)中：EA、EB、EC为故障前相电压；UA、UB、UC为各相对地电压。

f点A相接地，PT一次侧中性点零序电压为

(2)

则对式(1)A相电压进行序分解可得

(3)

式(3)中：Ua(1)、Ua(2)、Ua(0)分别为A相正序、负序和零序电压，发生故障后正序电压、负序电压没变化，零序电压变为-EA。

中性点不接地配网中，零序网络忽略电源和负荷[13]。故此时配网零序网络如图3所示，正序网络如图4所示。

设故障时A相电压为

EA=Umsin(ωt+φ)

(4)

式(4)中：φ为相角；Um为峰值电压；ω为角频率。

f为故障点；Uf为故障点零序电压；C为线路对地电容； LPT和RPT等效为PT图3 A相接地故障时零序等效网络Fig.3 Zero-sequence equivalent network when phase A is grounded

图4 A相接地故障时正序等效网络Fig.4 Positive sequence equivalent network during phase A grounding fault

由图3零序回路可知，故障点、PT一次绕组接地点和非故障相电容通过大地给零序电流提供通路，故障前后零序电压由0变为-EA，PT非线性电感遵循楞次定律电流不能突变，零序电流则产生衰减的直流分量，若非线性电感直流衰减常数为τ，则A相零序电流iPTa(0)为

(5)

正序电压故障前后不变，由图4正序等效网络得A相正序电流iPTa(1)为

(6)

根据文献[16]采用瞬时对称分量法分析不对称三相电量的暂态过程，则配网A相接地时PT的暂态电流为

(7)

式(7)中：α=ej120°；ia、ib、ic为PT暂态电流的瞬时值；ia(1)、ia(2)、ia(0)分别为故障相正序电流、负序电流、零序电流。

根据式(7)，A相接地时母线PT的瞬时电流为

(8)

由式(5)第二项可知，A相PT零序电流中存在直流分量，则由式(8)可知，PT三相一次绕组均含有直流电流，且呈衰减趋势。

1.2 PT直流偏磁的产生机理

铁心饱和是研究PT直流偏磁的重要因素，虽然单相接地故障时产生的直流分量呈衰减趋势，但直流分量流经PT高压绕组会使铁心中出现直流磁通，直流磁通的大小决定着互感器铁心饱和的程度，铁心不同程度的饱和对PT工况有很大的影响。

铁心磁通ψ与流入的励磁电流i的关系如图5(b)饱和曲线所示，可分为线性区和非线性区。原点到饱和点A点前磁通和电流曲线近似接近直线；A点后为非线性区，特点是流过PT的电流增大磁通增加缓慢直到不再增加。想要得到正弦变化的励磁电流需要PT一直工作在A点附近，但直流流过PT将与同方向的交流磁通叠加，如图5(a)所示同向磁密增加，而另半轴磁通减少的偏磁现象，使PT工作在非线性区如图5(b)中B点处，此时感应出的电流急剧增加，产生波形畸变、正负半波不对称的尖顶波如图5(c)中a曲线所示。

图5 PT直流偏磁产生机理Fig.5 PT DC bias generation mechanism

2 PT直流偏磁的抑制措施

直流偏磁对PT的根本影响为励磁电流的畸变和产生大量奇次、偶次谐波，从而造成振动、噪声、损耗和发热的增加[17]。在复杂环境下，直流偏磁造成PT非正常运行，对配电系统造成安全隐患，提出有效抑制PT直流偏磁的措施是必要的。

2.1 PT直流偏磁的抑制措施

PT直流偏磁的抑制措施，不仅要考虑消除或降低故障电流中产生的直流分量，同时为防止电弧重燃，需要对故障电流进行抑制。通过在PT一次侧中性点串联电阻与系统经消弧线圈接地相组合的方式抑制PT直流偏磁，原理如下。

(1)PT一次侧中性点串电阻，既能减少故障产生的直流分量流过PT绕组，也能限制交流分量的大小，从而抑制PT的饱和程度；电路串联电阻起分压作用，故障时分担PT高压侧的大电压，使PT铁心不易饱和工作在线性区，从而起到抑制PT发生直流偏磁，起到保护PT本体及熔断器的作用。

(2)消弧线圈是配电系统中常见的设备，主要作用是限制故障电流大小，起到消弧作用。消弧线圈相当于一个电感，减小容性的故障电流，破坏电弧重燃的条件。

2.2 抑制系统的搭建

搭建的仿真系统如图6所示。

图6 抑制措施仿真系统Fig.6 Suppression measures simulation system

其中消弧线圈经Z形变压器接地，R为PT一次侧所串接电阻。这种组合方法虽然不能完全消除系统中的直流，但通过调整电阻的大小可以将PT直流偏磁降低到忽略不计的情况，同时消弧线圈在系统发生接地故障时不仅能够消弧，对PT铁心饱和也有一定抑制作用。

3 仿真

3.1 系统的搭建

仿真系统如图1所示，用PSCAD/EMTDC中单相三绕组(unified magnetic equivalent circuit，UMEC)变压器作为单相电压互感器模型，不仅可以手动输入PT的励磁特性，还能模拟损耗、漏磁等损耗。母线PT由3个单相PT通过Y0/Y0/△连接，一次侧中性点接地，当系统发生单相接地故障时开口三角可测量零序电压，PT模型如图7所示。

采用文献[18]中电力行业广泛使用且参数公开的JDZJ-10型电压互感器参数，励磁特性曲线如图8所示。

图7 母线PT模型Fig.7 Bus PT model

图8 JDZJ-10电压互感器励磁特性曲线Fig.8 JDZJ-10 voltage transformer excitation characteristic curve

3.2 单相接地故障期间PT直流偏磁仿真

3.2.1 铁心饱和对PT直流偏磁的影响

系统单相接地时，故障电流中的直流分量与母线PT铁心是否饱和共同决定了PT能否发生直流偏磁。设定系统在0.08 s时发生A相接地故障，图9(a)为母线PT铁心不饱和时故障点的PT励磁电流波形；图9(b)为母线PT铁心饱和时励磁电流波形；图10为PT饱和、不饱和时三相励磁电流谐波含量对比； PT非故障相励磁电流直流分量如图11所示。

由图9(a)和图9(b)可知，无论铁心是否饱和故障相励磁电流按非正弦规律衰减，非故障相励磁电流均增大，图9(a)中，铁心不饱和时非故障相励磁电流虽有偏移但未发生畸变，对比图9(a) 和图9(b)可看出，铁心饱和是励磁电流发生畸变的重要条件，B、C两相励磁电流在半个周期产生尖顶波；对比图10(a)～图10(c) 可知，铁心不饱和时各相谐波含量几乎为零，铁心饱和后各相各次谐波均激增。通过图9、图10说明单相接地故障期间PT直流偏磁现象真实存在，与理论分析一致。图9(b)中，直流偏磁程度随着直流分量的衰减而降低，但不会完全消失，始终贯穿整个单相接地期间。

图9 PT励磁电流波形Fig.9 PT excitation current waveform

图10 励磁电流各相谐波含量Fig.10 Harmonic content of each phase of excitation current

图11 非故障相励磁电流直流分量Fig.11 Non-fault phase excitation current DC component

由图11可知，B、C两相中直流分量的大小不同，所以致使B、C相PT铁心饱和程度不同，故图9(b)中可看出直流偏磁程度也不同。

3.2.2 故障相角对PT直流偏磁的影响

单相接地发生的时刻不同，意味着故障相角的不同，由式(5)、式(8)可知，故障电流中直流的大小决定着流过PT各相直流分量的大小，进而影响PT的直流偏磁程度。故障相角90°时直流分量最小，故障相角0°时直流分量最大，设A相接地故障发生在0.083 4 s和0.078 4 s时，即故障相角90°和0°，图12为故障点的直流分量波形；图13为PT励磁电流波形。

从图12可看出，故障角90°时故障电流中的直流分量非常小几乎为零，电压互感器时造成的偏磁程度也较小，基本不发生直流偏磁。故障发生在相电压过零点时，故障电流有最大的直流分量，衰减过程明显，导致PT铁心深度饱和，直流偏磁现象严重，PT瞬时励磁电流是正常时的数十倍，威胁着PT和熔断器的正常运行。

图12 故障点不同故障相角直流分量Fig.12 DC components of different fault phase angles at the fault point

3.3 直流偏磁的抑制措施仿真

抑制系统如图6所示，为选择合适的电阻，暂不投入消弧线圈，在0.083 4 s发生时A相接地故障的基础上，选取了50、500、5 000和20 000 Ω电阻串联在PT中性点，仿真不同电阻对PT励磁电流和故障电流有效值的影响。

非故障相直流偏磁机理相同，区别仅在于偏磁程度不同，所以对于不同电阻对励磁电流的影响，文中只分析了B相励磁电流，对比图13(b)和图14可以看出，PT中性点串联电阻能够有效抑制直流偏磁，并且随着电阻的增大抑制效果增加，但当电阻大于500 Ω时，励磁电流波形基本一致不发生明显畸变，PT几乎不发生直流偏磁。

图13 不同故障相角各相励磁电流Fig.13 The excitation current of each phase at different fault phase angles

图14 中性点串联不同电阻B相励磁电流Fig.14 Neutral point in series with different resistance B-phase excitation current

如图15所示，串联不同电阻对故障电流有一定的抑制作用，但其有效值均大于26 A，足以引起电弧重燃[19]。

在PT中性点选择串联20 000 Ω电阻，仿真结果如图16所示，消弧线圈的接入有效地降低了故障电流，在1 s后故障电流降到10 A以下，电弧不会发生重燃[19]。如图17所示，PT励磁电流也未发生明显畸变，证明本文方法能有效抑制PT直流偏磁。

图15 中性点串联不同电阻故障电流有效值Fig.15 Neutral point in series with the effective value of the fault current of different resistances

图16 PT中性点串20 000 Ω电阻、系统经消弧线圈接地故障电流Fig.16 PT neutral point series 20 000 Ω resistance，system ground fault current through arc suppression coil

图17 PT中性点串20 000 Ω电阻、系统经消弧线圈接地励磁电流波形Fig.17 PT neutral point series 20 000 Ω resistance，the system through the arc suppression coil ground excitation current waveform