電磁式電壓互感器中性點涌流治理技術研究與應用

廣西電網有限責任公司河池環江供電局 王海霖 黃廣海 葉 高 農燦勛

1 引言

在中性點不接地系統中，電磁式電壓互感器一般安裝于母線端，具有較強的非線性特性，當系統發生單相接地故障或弧光接地等故障時很容易造成PT 鐵芯飽和，勵磁電感的減小會使互感器感抗參數與系統電容參數相匹配從而引發鐵磁諧振。鐵磁諧振過電壓會對系統絕緣造成威脅，同時也會導致避雷器爆炸事故以及絕緣閃絡事故等，對系統的安全穩定運行造成嚴重的威脅，本文通過理論分析和仿真驗證相結合的方法對電壓互感器的鐵磁諧振故障原理展開分析，探究其對電壓互感器的影響；提出了有效的抑制鐵磁諧振方法，通過算例分析，驗證了其抑制方法的有效性，在實際工程中具有重要價值。

2 鐵磁諧振故障機理

2.1 鐵磁諧振的產生及危害

中低壓配電網中，當電力系統發生故障時，會產生不同程度的過電壓擾動。例如，系統發生單相接地故障瞬間以及故障消除后；系統發生間歇性弧光接地故障時，會出現高頻次的過電壓；當系統空載或輕載運行時，以及投切帶有電壓互感器的空載線路時[1]等。不同程度的過電壓會使電磁式電壓互感器的鐵心趨于飽和，長時間的過電壓沖擊會最終使系統感性參數與容性參數相匹配，激發鐵磁諧振，引發鐵磁諧振過電壓，對系統造成更大的危害。

一般中性點不接地系統中，最容易引起電壓互感器發生鐵磁諧振的故障是單相接地故障，因為在系統發生單相接地故障時，系統正常相電壓升高為線電壓，而非故障電壓會降低趨于零，當單相接地故障消除后，非故障相中會將多余的容性能量釋放出去，而電壓互感器一次側中性點此時為系統中唯一的對地通道，同時故障相也會從零升高為相電壓，該過程會從電源端吸收能量進而形成暫態回路[2]。在單相接地故障發生瞬間以及故障消除后，暫態及穩態過程都會對電壓互感器造成沖擊，其中電壓互感器為系統中的主要感性元件，而系統中線路對地參數為容性參數，當過電壓流經電壓互感器后就會使其鐵心趨于飽和進而降低其感性參數，很容易使系統中的感性參數與容性參數構成諧振匹配激發鐵磁諧振[3-4]。除了單相接地故障，弧光接地產生的高頻次過電壓對電壓互感器的飽和也有較大影響，在電弧持續燃燒的情況下極易導致電壓互感器燒毀以及絕緣薄弱地方燒毀。

鐵磁諧振對電力系統以及用電設備都會產生較大的危害。一是鐵磁諧振故障剛發生時故障特征不明顯，很難通過觀察直接判斷其故障類型，但是諧振過電壓會產生較大害，其隱秘性不容小覷。二是鐵磁諧振具有較強的持續性，如果沒有外界干擾破壞諧振條件，鐵磁諧振會一直發生下去，其中長時間的過電壓沖擊會使系統中絕緣薄弱部分擊穿進而引發更大的故障，同時也有可能導致電壓互感器因持續的過電流而溫度過高進而燒毀，對電力系統的安全運行造成重要的威脅。三是鐵磁諧振還有可能對變壓器造成不可逆損壞，長時間的過電壓和過電流會導致電氣設備絕緣老化加快，絕緣油質量下降并且還會導致變壓器產生持續的噪聲，工作溫度升高等一系列故障。四是鐵磁諧振會使系統中的零序分量變大，導致電力系五是鐵磁諧振由于故障的不對稱性，會使系統中性點產生較大的過電壓偏移現象，稱該現象為虛幻接地現象，中性點電壓的升高很有可能導致故障檢測裝置誤動作，降低電力系統的可靠性。

2.2 鐵磁諧振仿真分析

6～35kV 通常采用中性點非有效接地系統中，通常采用干式電磁式電壓互感器，其中電壓互感器與線路為并聯形式。本節通過ATP-EMTP 電磁暫態仿真軟件對電壓互感器以及10kV 電力系統進行建模。模型中采用110/10kV 主變壓器、一臺10kV電磁式電壓互感器，型號為JDJZ-10，非線性電感參數根據實際勵磁曲線設定、線路用LCC 架空線路代替。

在系統發生單相短路故障時，母線故障相電壓接近于0，非故障相升高至線電壓。系統單相接地故障消除引發鐵磁諧振，電壓互感器一次側中性點電壓幅值會達到3.75A，互感器一次側相間電流幅值高達2.49A。

由單相接地仿真模型分析可知，單相接地故障很容易激發鐵磁諧振，但不局限于單相接地故障，任何過電壓干擾都有可能破壞系統參數結構，導致其容性參數與感性參數滿足諧振條件激發鐵磁諧振，例如：單相重合閘、弧光接地故障、合空變等。

3 中性點涌流抑制

電力系統發生單相接地故障時非故障相容性元件會儲存能量，故障消失后會通過唯一對地通道即電壓互感器中性點進行能量釋放，因此流過互感器一次中性點故障電流大小和時間長短是造成電壓互感器高壓保險熔斷及本體燒毀的根本原因，為此提出了以飽和諧振理論為基礎的抑制涌流的治理策略，通過在能量釋放通道加裝電阻進而起到諧振能量消耗的作用。對于10kV 電力系統中，在電壓互感器一次側中性點加裝消諧裝置等效于對互感器三相繞組均加裝了消諧電阻，能起到統一均衡的耗能、阻尼和抑制諧波的作用。

理想情況下，中性點電阻在正常運行時阻值為零，對PT 的測量精度沒有影響；當諧振發生時，電阻值趨于無窮大，相當于PT 一次側中性點不接地，即破壞了諧振回路。PTC（Positive Temperature Coefficient）是一種用于制作非線性電阻的正溫度系數熱敏材料，很多類型的導電聚合物會呈現出這種熱敏特性，在溫度較低時電阻較小，隨著溫度的升高達到某一定值時其電阻會急劇增加至極限電阻值，發生半導體和絕緣體的相互轉變；反之，當PTC 材料從高溫的環境降至常溫時，其阻值也會隨之下降到低阻狀態，是當下較為理想的限流電阻[5]。

在電壓互感器一次側中性點加裝正溫度特性的中性點涌流抑制裝置，一次側中性模型使用MOV Type92型非線性電阻，單相接地故障中性點抑制涌流抑制仿真波形。中性點涌流抑制前后仿真比對見表1。

表1 中性點涌流抑制前后仿真比對

由表1可知，通過對比加裝涌流抑制裝置前后互感器電壓、電流以及中性點電流數據發現，正溫度特性的中性點涌流抑制裝置可有效抑制電壓互感器中性點涌流，其繞組電壓、電流都有所降低，有效抑制鐵磁諧振。

4 算例分析

為了驗證互感器一次涌流抑制的有效性，文中引入某地區變電站一處鐵磁諧振抑制措施案例，對其安裝正溫度特性的中性點涌流抑制裝置之后的錄波進行分析。

某地220kV 變電站10kV 系統有三段母線，10kV Ⅰ母多次發生電壓互感器一次保險熔斷或電壓互感器燒毀事故，并于2023年2月安裝正溫度特性的中性點涌流抑制裝置，并加裝無線通信模塊，將消諧裝置的監測數據、動作及報警信息上傳到云平臺，實時了解抑制裝置的運行狀態。自天10kV Ⅰ母PT 安裝抑制裝置以來，多次發生報警。

正溫度特性的中性點涌流抑制裝置動作多次。在系統發生單相接地故障后，抑制裝置都會動作，由此也證明了系統發生接地故障極易引起鐵磁諧振。

2023年02月15日21時波形如圖1所示。

圖1 2023年02月15日21時波形

由圖1可知，10kV 系統Ⅰ母2023年02月15日21時40分22秒B 相發生持續性接地故障，在接地故障恢復過程中，電壓互感器一次中性點產生涌流，此時抑制裝置動作，抑制涌流。

2023年02月15日22時波形如圖2所示。

圖2 2023年02月15日22時波形

由圖2可知，10kV 系統Ⅰ母2023年02月15日22時46分48秒A 相發生短時接地故障，在接地故障恢復過程中，電壓互感器一次中性點產生涌流，此時抑制裝置動作，抑制涌流。

2023年02月15日23時波形如圖3所示。

圖3 2023年02月15日23時波形

由圖3可知，10kV 系統Ⅰ母2023年02月15日23時54分43秒C 相發生持續性接地故障，在接地故障恢復過程中，電壓互感器一次中性點產生涌流，此時抑制裝置動作，抑制涌流。

由圖1～3可知,系統發生了接地故障（故障相電壓降低，非故障相電壓升高，黃色A 相電壓、綠色B 相電壓、紅色C 相電壓、藍色開口三角電壓，黑色電壓互感器一次中性點電流），在接地故障恢復過程中時，PT 中性點流過電流（此電流就是系統故障產生的涌流），由于抑制裝置的作用（工作原理:正常運行時，處于低阻態，不影響電壓互感器的特性；當系統故障時，PT 中性點流過涌流，流敏消諧器突變為高阻態，抑制PT 中性點流過的激勵電流小于200mA），快速抑制涌流，避免電壓互感器飽和，確保PT 不發生諧振，PT 保險不會熔斷。

由監測數據、故障記錄、故障錄波及鐵磁諧振產生的機理可知：

一是10kV 系統前期PT 保險頻繁損壞，主要是由于系統發生故障誘發鐵磁諧振導致；二是10kV系統常發生接地故障，占比63%，頻繁的接地故障易引起系統諧振過電壓，因此需要加強10kV 系統的鐵磁諧振治理；三是從監測數據和故障記錄可知，10kV 系統Ⅰ母PT 安裝抑制裝置以來，裝置有效的識別并記錄系統故障類型（包括故障時的電壓值），抑制裝置有效地抑制了鐵磁諧振的發生，保護了PT及PT 保險。

5 結語

本文通過理論分析，仿真模擬以及算例分析，針對由鐵磁諧振引起的電壓互感器中性點涌流問題，提出了有效的抑制措施，即在電壓互感器一次側中性點安裝消諧性能更好地正溫度特性的中性點涌流抑制裝置。通過前后對比發現，該方案可有效降低互感器的過電壓和過電流，對于電壓互感器中性點涌流也起到了抑制作用，對工程實際問題具有重要意義。