鐵磁諧振在繼電保護中的影響研究

吉林電子信息職業技術學院 宋 宇

鐵磁諧振在繼電保護中的影響研究

吉林電子信息職業技術學院 宋 宇

本文針對鐵磁諧振對中性點有效接地系統和中性點非有效接地系統的影響，分析了鐵磁諧振引起保護裝置誤動的原因，并且提出了抑制鐵磁諧振的的方法，使用EMTP仿真軟件，通過軟件仿真的方法驗證消諧措施的正確性和可行性。

鐵磁諧振；繼電保護；中性點有效接地系統；中心點非有效接地系統

1.引言

當對系統進行操作或系統發生故障時，電力系統回路中的非線性元件（電感，電容）如果滿足諧振條件，就可能產生共振現象，即鐵磁諧振現象[1]。鐵磁諧振會在線路上產生過電壓，同時可能在非線性電感中產生巨大的過電流，使電感線圈溫度升高，從而引起電力系統中繼電保護裝置誤動作，設備損壞，嚴重威脅電網安全運行。變壓器的接地短路的后備保護通常是由接地故障時變壓器中性點出現的接地電流，母線出現的零序電壓等電氣量構成的。由于鐵磁諧振在母線上產生的過電壓即可能會使變壓器的接地短路的后備保護誤動，對保護的正確動作有很大的影響，從而影響電網的安全運行[2]。本文針對鐵磁諧振對中性點有效接地系統和中性點非有效接地系統的影響，分析了保護裝置誤動原因以及解決措施。

2.鐵磁諧振對繼電保護的影響

當發生PT鐵磁諧振現象時，會在母線和PT上產生很大過電壓和過電流，通常情況下，母線上的電壓互感器都是帶有開口三角的PT，其最主要的作用是監視對地絕緣和測量零序電壓。鐵磁諧振過電壓現象是一種不正常運行狀態但不是故障。在中性點有效接地系統中，變壓器的接地后備保護中的零序過電壓后備保護是以PT開口三角的電壓為參考電氣量，通過繼電保護整定來保護變壓器，能夠在變壓器主保護失靈的情況下，迅速地將故障切除，而當發生鐵磁諧振過電壓的情況時，PT的開口三角電壓會很高，變壓器接地后備保護就可能誤動作，從而影響系統的安全運行。對于中性點非有效接地系統而言，在正常運行狀態下，PT的開口三角處的電壓為零，而當發生接地故障或者鐵磁諧振現象時，PT的開口三角會有零序電壓，這樣就與接地故障的現象很相似，很容易使保護裝置錯誤指示和動作[3]。

2.1 鐵磁諧振過電壓對中性點有效接地系統繼電保護的影響

對于中性點有效接地系統，本文研究的是鐵磁諧振過電壓對變壓器中性點部分有效接地系統中零序過電壓后備保護的研究。所謂中性點部分接地系統就是在并列運行的變壓器組中有一部分變壓器中性點是直接接地的，另外一部分變壓器中性點不接地，這樣既可以限制發生接地故障時的過電流，還可以使整個系統的零序電流不受系統的運行方式改變而變化。接地系統的接線圖如圖1所示。

圖1 中性點部分接地系統

圖2 中性點部分接地變壓器零序保護

圖1中變壓器T2，T3直接接地運行，變壓器T1中性點不接地運行。對于如圖所示的中性點部分接地系統，首先變壓器配有零序電流保護，若其保護范圍發生接地故障時，保護裝置可迅速地動作。而對于上圖中的中性點不接地變壓器，由于在母線上發生接地故障時，不能構成零序回路，所以沒有零序電流，這樣的話中性點不接地變壓器會帶著故障運行，會產生接近額定相電壓的零序電壓，威脅系統的絕緣。針對此種情況，必須為中性點不接地的全絕緣變壓器配置零序過電壓保護，從而保證系統的安全運行[4]。圖2為中性點不接地的全絕緣變壓配置的零序過電壓保護原理圖。

上述零序電壓保護的動作電壓是按照中性點部分接地系統中發生單相接地故障時保護安裝處可能出現的最大零序電壓進行整定的，同時又必須保證發生單相接地且失去接地中性點時有足夠的靈敏度。這就說明零序電壓保護只有在中性點接地變壓器切除后才能動作，不與其他元件的接地保護配合。

通過分析零序電壓保護，當中性點部分接地系統發生單相接地故障后，零序電流保護首先切除中性點直接接地變壓器，此時系統就是中性點不直接接地系統，當此時接地故障消失，系統的參數已發生變化，就有可能達到諧振條件，發生鐵磁諧振現象，在PT的開口三角處產生過電壓，基于此情況下，零序電壓保護作為中性點不接地運行時的保護，零序電壓取自電壓互感器二次側的開口三角處，此時零序過電壓保護就會動作，從而會切掉變壓器，這樣就造成了嚴重的事故。

2.2 鐵磁諧振過電壓對非有效接地系統的影響

根據多年的現場數據統計，在中性點非有效接地系統中過電壓事故大部分都是由于諧振現象引起的，而諧振產生的過電壓會使電氣元件產生大量的諧波損耗，影響電氣設備的絕緣和正常工作，并產生虛幻接地現象，往往會引起繼電保護自動裝置誤發接地信號，嚴重時會使保護裝置誤以為是接地故障從而使保護誤動作[5]。

如某110kV變電站投入運行，110kV側投入正常，35kV側投入時，繼電保護裝置發出“35kV母線接地”信號，經過判斷為系統發生了鐵磁諧振現象。這是由于在中性點非有效接地系統中，變壓器母線上一般都接有監視對地絕緣和對地電壓的帶開口三角的電磁式電壓互感器，當系統處于正常運行狀態時，開口三角處的電壓為零，當系統受到某種沖擊或者擾動時，有可能使PT的的非線性電感飽和，由于在一般情況下，PT的三相繞組的勵磁特性是不一樣的，其中的某一相繞組就會飽和，從而可能產生鐵磁諧振現象，使電源中性點零點漂移，如圖3：

由上面的三相電壓向量圖可知，中性點位移電壓為E0，并且有：

PT的兩相由于勵磁飽和呈感性阻抗，另一相由于勵磁未飽和呈容性。在此種諧振情況下，兩個飽和相對地電壓升高，另一相對地電壓降低，此種現象和中性點非有效接地系統發生單相接地故障的現象相似，就容易造成虛幻接地現象，從而使繼電保護自動裝置發出不正確的接地指示。

3.抑制鐵磁諧振的仿真研究

本文采用EMTP電磁暫態仿真軟件來模擬鐵磁諧振的產生及抑制過程，所取系統模型如圖4，其中SOURCE是161kV的電壓源，161KV電壓經Y/Y/△變壓器降到13kV和46kV，13kV側母線上帶有絕緣監視用的PT，負載（LOAD）掛在46kV側母線上。DL為斷路器，當斷路器閉合，為13kV空母線供電時，可誘發鐵磁諧振現象。圖5為該系統的仿真模型。

通過上述的仿真可以看出，PT發生鐵磁諧振時，在PT的一次側，二次側和開口三角側均產生過電壓。正常情況下一次側的相電壓應為7.5Kv峰值應為10.6Kv，而在諧振過程中過電壓的峰值最大達到54.577kV。幅值是正常電壓幅值的5倍多；PT的開口三角電壓幅值可達到1400V。上述的PT一次側，開口三角側的電壓都非常高，足以威脅到PT的絕緣，甚至使PT燒毀，并且由于PT開口三角電壓非常高，可能會使變壓器的接地后備保護中的零序電壓保護誤動。

由仿真波形和表一的數據統計結果可以看出，在開口三角加電阻時，所加電阻的阻值越小，PT一次側電壓幅值和開口三角電壓幅值也越小，抑制鐵磁諧振的效果就越好。

通過對兩種消諧措施的仿真，可以看出它們都能夠抑制鐵磁諧振，但是，在PT開口三角處加電阻的消諧措施，一次側電壓雖然滿足系統要求，但是PT的開口三角處電壓下降速度較慢。而在PT一次側中性點處加電阻的消諧方法，從電阻開始投入時就可以起到良好的消諧效果，因此，從消諧效果來講，在PT中性點一次側加電阻的方法更勝一籌。

4.結論

本文分析了鐵磁諧振過電壓對繼電保護的影響及抑制鐵磁諧振的方法。首先研究中性點有效接地系統，介紹了變壓器接地短路后備保護中的零序過電壓保護，分析了鐵磁諧振過電壓對零序電壓保護的影響。還分析了中性點非有效接地系統，鐵磁諧振過電壓使繼電保護自動裝置誤發接地指示的原因。通過分析鐵磁諧振過電壓對繼電保護的影響，并提出了相應的解決措施，主要介紹了PT一次側中性點加電阻和PT開口三角處加電阻兩種消諧措施，并用EMTP進行軟件仿真，通過仿真圖形比較得出在PT一次側中性點加電阻的消諧效果比較好。

[1]葛耀中.新型繼電保護與故障測距原理和技術[M].西安:西安交通大學出版社,1996.

[2]徐正亞.輸電線路新型距離保護[M].北京:中國水利水電出版社,2002.

[3]許建安.電力系統微機繼電保護[M].北京:中國水利水電出版社,2001.

宋宇（1966—），女，吉林人，大學本科，高級工程師，現供職于吉林電子信息職業技術學院，研究方向：電力自動化。