10kV配網電壓互感器PT鐵磁諧振異常仿真模型研究

摘 要：為了研究PT鐵磁諧振所帶來的影響，分析其影響因素，以10 kV低壓配電網形成PT鐵磁諧振過電壓的基本原理為基礎，利用EMTP-ATP計算機軟件，構建中性點不接地系統仿真模型。以電壓互感器的勵磁特性、三相參數不平衡2大因素對鐵磁諧振影響為例，進行仿真計算分析。仿真結果表明：PT鐵磁特性較佳，可以減少諧振發生的概率，不過不能完全消除；此外，PT鐵磁諧振產生較多的幾率，受三相參數不平衡，或者對地電容大小不平衡等因素影響較大。基于仿真結果開展對各影響因素范圍進行比較，進而為10 kV配網電壓互感器PT鐵磁諧振防治措施提供相關參考數據。

關鍵詞：10 kV配電網電壓；互感器；PT鐵磁諧振；電壓仿真

中圖分類號：

TM451;TP391.9

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0185-04

Simulation model study of abnormal PT ferromagnetic resonance of 10 kV distribution network voltage transformer

LU Xiaoyu，GAO Yueda，ZHAO Zhe

（Electric Energy Metering Branch of Inner Mongolia Power （Group） Co.，Ltd.，Hohhot 010000，Inner Mongolia China）

Abstract：In order to study the effect of PT ferromagnetic resonance and analyze the influencing factors，based on the basic principle of PT ferromagnetic resonance overvoltage formation in 10 kV low voltage distribution network，the simulation model of neutral point ungrounded system was established by using EMTP-ATP computer software.Taking the excitation characteristics of voltage transformer and the three-phase parameter imbalance as two major factors affecting the ferromagnetic resonance，the simulation calculation and analysis were carried out.The simulation results showed that the characteristics of ferromagnetic resonance of PT was better，which reduced the probability of resonance generation，but it could not be completely eliminated.In addition，the PT ferromagnetic resonance had a higher chance of occurrence，which was greatly affected by the three-phase parameter imbalance or the ground capacitance imbalance.Based on the simulation results，the comparison of the influence factors range was carried out，and then the relevant reference data for the prevention and control measures of 10 kV distribution network voltage transformer PT ferromagnetic resonance were provided..

Key words：10 kV distribution network voltage;transformer;PT ferromagnetic resonance;voltage simulation

近年來，我國電力系統快速發展，各種電壓等級電力線路快速增加，PT數量日益增多，特別在10 kV配電網中，因PT鐵磁諧振而導致系統過電壓引發電力設備被燒毀的現象經常發生，這嚴重影響電力系統正常運行，因此加強對10 kV配電網電壓互感器PT鐵磁諧振過電壓研究，對于低壓配電網，特別10 kV配電網系統安全運行具有重要現實意義。基于此，提出從單相接地、電壓互感器的勵磁特性（別名“伏安特性”）、三相參數不平衡等方面探討10 kV配網電壓互感器PT鐵磁諧振過電壓仿真分析，為10 kV配網PT鐵磁諧振防治措施提供相關參考數據［1-2］。

1 形成PT鐵磁諧振基本原理

電磁PT鐵芯勵磁特性的飽和是導致PT鐵磁諧振產生最重要原因。在PT鐵芯線圈通過小數值電流，線性電感特殊性能等同于線圈的勵磁電感性能，一般采用較為常見的數據完成描述，仍保持原樣，沒有產生變化。流經PT鐵芯線圈上的電流I日益提高，與某數值較接近，而且還超過該數值時，鐵芯將處于飽和狀態，則所產生的激勵磁電感叫做非線性電感，與電流的變化表現出相反的運行形式［3-5］。

2 建立電壓互感器仿真模型

PT鐵芯元件具備勵磁特性的非線性導致電磁式PT形成鐵磁諧振。構建仿真模型，通過仿真計算獲得精準、穩定的電壓互感器勵磁參數。

圖1（a）為10 kV配電網中主接線圖，該圖中的主接線為中性不接地。由于10 kV側中性點未與大地進行連接（俗稱“接地”），所以當電路發生故障時，無零序電流產生，從中能夠觀察到，零序電流僅能形成環流，不過該環流隨主變壓器再次側行，此外，與其阻值相同的零序阻抗表現出非常龐大。同理，系統出線有時為電纜線，有時卻為架空線路，該出線數量多少，一般依據所需要現實狀況來進行確定。

在系統中產生鐵磁諧振過程中，鐵磁諧振受零序分量影響較嚴重。而鐵磁諧振遭受相間電容、線路互感等方面影響卻非常有限，在對其進行仿真時，不在考慮范圍之內。諧振過程中所形成的過電壓與過電流大小，以及諧振頻率的快慢通常是由下列幾方面確定的：首先是由電路中正常工作的電壓；其次是配電網中線路距離遠、近；再次是PT總電阻；最后是非線性電感參數的作用［6-8］。互感器的總電阻，在很大程度上超過變壓器里線圈繞組阻抗，以及在線路上流過電路所受到阻礙的量（阻抗值）。在仿真實際計算過程中，利用Z（較小阻抗值）對其實現替換，等效仿真模型如圖1（b）所示。

由圖1（b）可知，Ka、Kb、Kc均為3個理想時控開關，借助于調整K2開-斷時間，能夠進行在同一時間，或者不同時間的合閘；C相經K2實現連接地線，再運用時控開關的閉合與斷開，能夠模擬單相電路接地故障的出現與消失，需要在中性點連接上接地開關，并且在仿真時保持斷開狀態。按照描述的等效仿真模型，對在不同條件影響下產生的鐵磁諧振時的3個不同方面進行深入研究，首先為過電壓數值變化，其次為過電流數值變化，最后為振蕩波動變化的形狀。此外，還運用該模型進行去除諧振方法的仿真比較分析［9-10］。

2.1 仿真參數的確立

PT型號參數：額定電壓10 kV，

額定頻率50 Hz，

額定一次電壓10/3 kV。

借助于仿真分析，電壓互感器的阻值設定為2 280 Ω。電壓互感器變換之后，采用MATLAB軟件繪制非線性電感的韋安特性與伏安特性。

2.2 確定系統參數

三相電壓由Ea、Eb、Ec表示，鐵磁諧振隨著電壓增高，發生頻率增多，在對稱運行過程中依照相關標準， 設定系統電壓為11 kV；由此計算出電壓幅值Uφ=2×11/3=8.98 kV，它的有效值U計算出為6.35 kV。Ea、Eb、Ec均分別代表不考慮外在影響因素的理想開關，說明在很短的時間內就能夠實現切斷電源，此時，切斷電源的電流等于0，倘若將理想開關進行閉合，其內阻抗等于0。Z代表阻抗，它主要指存在于變壓器與線路上的阻抗，但是這類阻抗值遠遠小于PT阻抗值，所以它的阻抗值設定一種較小的阻抗值（1+j1）Ω；C0代表對地電容，它并不固定，其數值大小主要由導線長度與它的型號進行確定［11-12］。

3 PT鐵磁諧振仿真研究

3.1 PT鐵磁諧振受其勵磁特性影響

通過相關仿真實驗能夠對PT鐵磁諧振受其勵磁特性影響進行較為直觀地分析。所以，將勵磁特性質量較佳的電壓互感器取名為1#，其特性質量較差的取名為3#，并且三相都使用了1#與3#。激發形式是C相接地，tcl=0.02 s，top=0.08 s，對電力系統的對地電容C0值進行變化之后獲得電壓幅值、電流幅值和PT諧振狀況，具體結果如表1所示。

將實驗獲取的相關數據與表1的數據進行比較，可知電壓互感器勵磁性更強，對地電容進行參數配置的范疇更小，PT鐵磁諧振形成的機會將在一定程度上減少；倘若通過外因素的影響來激發PT鐵磁形成諧振，或者沒有形成諧振，但有一定強度振蕩時，那么流經電壓互感器上的過電流較小，降低了電壓互感器因產生故障而燒壞的機會，互感器勵磁特性線性愈佳 ，那么鐵磁諧振對電壓互感器等設備的傷害也就愈低［13-15］。

若選取3#電壓互感器，它的伏安特性線性度質量不佳，并且對地電容值過分弱小時，電路中將會出現非常強烈的諧波，而且其形狀將產生不太正常的變化，同時還會促進電壓增高。當C0=0.000 25 μF時，諧波波狀如圖2呈現的形態，從該圖中很容易觀察到過電流幅值偏低時，系統一樣會產生危險。

線性度頗佳的電壓互感器可以有效地減少鐵磁

諧振產生機會，同時還能降低其電流，但電壓互感器等效勵磁電感器還隸屬于非線性，較多的外部影響因素依然能夠使得電壓互感器產生鐵芯飽和，沒有辦法從根源上約束鐵磁諧振的形成。

3.2 PT鐵磁諧振受三相參數不平衡的影響仿真分析

對仿真計算依據均是在電壓互感器（三相）具有同樣的伏安特性基礎之上，除此之外，還有相同的對地電容C0，即三相對稱運行。但在電力系統配電網正常運行中，由于生產等因素，電壓互感器勵磁特性不能全部一樣，即使型號一樣的電壓互感器勵磁特性也是不同的，具有不同程度的差別；還會受到自然條件等因素作用，導致線路無法保證對地電容（三相）達到100%的均衡。所以，后續對三相電壓互感器伏安特性與其對地電容不一致而引起的鐵磁諧振的狀況進行深入分析［16-18］。

由于受生產材料與地理條件的影響，三相對地電容不能全部達到均衡，將給鐵磁諧振帶來嚴重的影響。對地電容不均衡（三相）通常存在2種情況，第1種情況屬于三相二者之間均表現出不均衡狀態；第2種情況為二相相同，另一相不同。

以第2種情況為例，即A相、B相對地電容一致，但C相對地電容不一致，運用相關模型，使用2#電壓互感器，激發形式應用B相、C相接地，tcl=0.02 s，top=0.08 s，三相對地電容選取不同數值仿真結果見表2。

由表1、表2可知，三相對地電容在不同條件下，產生鐵磁諧振的情況也不一樣，三相對地電容在不平衡條件下，產生鐵磁諧振機會增多；三相對地電容相互之間存在的差距越大，則產生鐵磁諧振的機會越多。由表2觀察到，三相對地電容值與鐵磁諧振受電容不均衡的影響呈現反比關系，即前者偏小，則后者的影響就更嚴重，同時還會容易引起瞬間的高頻諧振。

對地電容CA=CB=0.002 μF，CC=0.001 μF，則A相單相接地引起的鐵磁諧振波形變化情況見圖3。

由圖3可觀察到，高頻和基頻2種諧振實現疊加，能形成很大的過電壓，再與表1進行比較可知，在同一條件下，三相對地電容數值沒有差別，系統產生振蕩較弱，造成危害不大。

4 結語

構建了10 kV配網電壓系統仿真模型，通過仿真指出PT鐵磁諧振的產生受到電壓互感器的勵磁特性和三相參數不平衡的影響。PT鐵勵磁特性較佳，可以減少諧振的產生機會，但不能完全消除。PT鐵磁諧振產生的幾率受到三相參數不平衡的顯著影響，這增加了諧振的發生概率。同時，對地電容大小不平衡也對PT鐵磁諧振產生較大的影響。這為10 kV配網電壓互感器PT鐵磁諧振的防治措施提供了數據參考。

【參考文獻】

［1］ 高一壹.35 kV電網PT鐵磁諧振過電壓防護措施研究［D］.濟南：山東理工大學，2020.

［2］ 鐘立國，閻秀恪，任旭東.電磁式電壓互感器本體參數對鐵磁諧振過電壓影響分析［J］.變壓器，2021，58（4）：51-56.

［3］ 姚創，魏菊芳，崔涵，等.基于流敏電阻非有效接地系統PT諧振過電壓抑制［J］.電瓷避雷器，2023（1）：191-198.

［4］ 鐘立國.計及PT磁滯效應的電力系統鐵磁諧振問題研究［D］.沈陽：沈陽工業大學，2021.

［5］ 劉永和.水電站10 kV電壓互感器諧振原因及消除方法［J］.廣東水利水電，2023，45（6）：94-97.

［6］ 朱保軍，咸日常，劉興華，等.35 kV PT爆炸事故及其諧振過電壓分析和預防［J］.高壓電器，2023，59（1）：185-191.

［7］ 陳財，吳義純，田彥.燃氣輪發電機SFC啟動時的鐵磁諧振仿真分析［J］.安徽電氣工程職業技術學院學報，2019，24（3）：14-18.

［8］ 王申華，王旭杰，夏圓，等.配網開關用PT在不停電作業工況下鐵磁諧振特性與識別研究［J］.電網技術，2022，46（11）：4534-4540.

［9］ 何龍，譚棟，李勇，等.用于鐵磁諧振過電壓故障辨識的VMD參數優化方法研究［J］.數學的實踐與認識，2022，52（9）：102-114.

［10］ 王申華，王旭杰，夏圓，等.配網開關用PT在不停電作業工況下鐵磁諧振特性與識別研究［J］.電網技術，2022，46（11）：4534-4540.

［11］ 楊志鈞.基于選相控制的高壓斷路器過電壓抑制方法研究［J］.粘接，2021，46（4）：158-161.

［12］ 王權，李煒.某電廠電壓互感器鐵磁諧振案例的分析及對策［J］.水電與抽水蓄能，2022，8（1）：35-39

［13］ 柯紅海，馮小蘭.10 kV配電網鐵磁諧振過電壓柔性抑制方法［J］.電工電氣，2022，35（4）：26-31.

［14］ 李素瑩.差異化密度聚類下的電力節能業務精準營銷算法［J］.粘接，2022，49（5）：112-116.

［15］ 鐘立國，閻秀恪，任旭東，等.電磁式電壓互感器本體參數對鐵磁諧振過電壓影響分析［J］.變壓器，2021，58（4）：51-56

［16］ 李建標，司馬文霞，孫廷璽，等.實測鐵磁諧振過電壓相空間重構及非線性特征量提取［J］.高壓電器，2019，55（3）：91-95.

［17］ 化振謙，黨三磊，彭龍，等.霍爾傳感器技術的電機電壓工業分布式采集系統［J］.粘接，2020，41（4）：153-157.

［16］ 羅立波，朱詠明，楊振，等.基于ATP-EMTP的鐵磁諧振過電壓影響因素靈敏度仿真與分析［J］.西安科技大學學報，2020，40（6）：1088-1095.

［17］ 趙錫彬.配電網鐵磁諧振過電壓分析與抑制方法研究［D］.濟南：濟南大學，2020.

［18］ 郝耀華，曹斌，徐星琛，等.35 kV中性點經消弧線圈接地對鐵磁諧振過電壓影響的研究［J］.電瓷避雷器，2020（2）：93-98.