小電流接地系統(tǒng)電壓互感器鐵磁諧振過電壓與抑制措施仿真分析

魏菊芳，唐慶華，王飛，陳沛然，顓孫旭，卞星明

（1．國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津　120000；2．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京　102206；3.國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，陜西西安　710048）

小電流接地系統(tǒng)電壓互感器鐵磁諧振過電壓與抑制措施仿真分析

魏菊芳1，唐慶華1，王飛2，陳沛然1，顓孫旭3，卞星明2

（1．國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津120000；2．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；3.國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，陜西西安710048）

小電流接地系統(tǒng)；電壓互感器；鐵磁諧振；抑制措施

通常在小電流接地系統(tǒng)中，為了對發(fā)電廠、變電所母線對地電壓的大小進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，在發(fā)電廠、變電所的母線上接有電磁式電壓互感器。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)（如單相接地故障、單相弧光接地、電壓互感器突然合閘等），可能使得互感器電感與三相對地電容發(fā)生匹配而產(chǎn)生鐵磁諧振，導(dǎo)致系統(tǒng)過電壓和互感器過電流，甚至損壞設(shè)備，嚴(yán)重威脅人員設(shè)備的安全和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

研究表明，電壓互感器鐵磁諧振導(dǎo)致的過電壓是小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生頻率最高、引起事故最多的一種系統(tǒng)內(nèi)部過電壓［1-4］。多年來許多研究者對消除和抑制鐵磁諧振過電壓的措施進(jìn)行了大量研究［5-11］。從理論可分為2類方案：

1）改變諧振元件的參數(shù)，即改變諧振回路中電感、電容元件的參數(shù)，通過破壞諧振條件，增加諧振激發(fā)難度，從而抑制諧振。

2）增加諧振零序回路的阻尼，通過在可能發(fā)生諧振的零序回路中接入阻尼，消耗諧振回路的能量，從而達(dá)到抑制諧振發(fā)展的目的。

但是這些抑制措施對小電流接地系統(tǒng)的影響尚未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，有必要進(jìn)行深入分析。本文在研究了小電流接地系統(tǒng)電壓互感器鐵磁諧振產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過仿真分析了不同抑制措施對某220 kV變電站電磁式電壓互感器鐵磁諧振過電壓的作用和效果，得到了一系列有益的結(jié)論。

1　鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生機(jī)理

為了深入分析小電流接地系統(tǒng)電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振的內(nèi)在機(jī)理，考慮一個(gè)簡單的小電流接地系統(tǒng)示意圖，如圖1所示。左側(cè)為系統(tǒng)母線三相電源，右側(cè)為三相電壓互感器，其中C0為系統(tǒng)各相對地等值零序電容，LA、LB、LC為電壓互感器每相對地的勵(lì)磁電感。系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行方式時(shí)，電壓互感器線圈上的電壓不高于其額定電壓，流經(jīng)電感線圈的電流i比較小，不足以使互感器鐵芯進(jìn)入飽和區(qū)，其勵(lì)磁電感數(shù)值很大，且有：

圖1　小電流接地系統(tǒng)示意圖Fig.1　Schematic diagram of small current grounding system

而線路對地電容C0相對較小，故并聯(lián)后的導(dǎo)納為：

可見YA、YB、YC成容性且基本相等，又電網(wǎng)三相對地負(fù)載是基本平衡的，故EA、EB、EC的相量和幾乎為零。由基爾霍夫電流定律可知電網(wǎng)中性點(diǎn)的位移電壓很小，基本接近于0。

但當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)對地電壓產(chǎn)生不同程度的升高，使得相應(yīng)相的電壓互感器勵(lì)磁電流突然增大，導(dǎo)致該相鐵芯進(jìn)入飽和區(qū)，使得線圈的勵(lì)磁電感L值迅速減小。如果三相鐵芯發(fā)生飽和的程度不同，那么各相線圈勵(lì)磁電感的變化程度也就不同，LA、LB、LC就有可能從原來的平衡狀態(tài)變?yōu)椴黄胶?，致使三相?dǎo)納的數(shù)值、性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)一步導(dǎo)致中性點(diǎn)產(chǎn)生位移電壓。此時(shí)根據(jù)各相導(dǎo)納性質(zhì)不同，對可能出現(xiàn)的過電壓現(xiàn)象進(jìn)行相量分析：

1）電壓互感器的三相線圈雖然都有不同程度的飽和，但是其性質(zhì)仍未發(fā)生變化，各相導(dǎo)納仍為容性。假設(shè)CA、CB、CC表示各相并聯(lián)支路的等值導(dǎo)納，則中性點(diǎn)位移電壓和電流平衡條件：

由此可以得出，盡管互感器三相線圈均有不同程度的飽和，但是只要三相導(dǎo)納的性質(zhì)相同，中性點(diǎn)O′就不會(huì)偏移到電壓三角形之外，如圖2所示，在這種情況下會(huì)出現(xiàn)一相電壓降低，兩相電壓升高或者一相電壓升高而另外兩相電壓降低的現(xiàn)象，但是電壓升高后的數(shù)值仍然小于線電壓。

圖2　三相互感器飽和后仍為容性Fig.2　Three-phase instrument transformer is still capacitive when saturation

2）電壓互感器中某一相因鐵芯嚴(yán)重飽和而使導(dǎo)納性質(zhì)發(fā)生變化，由容性變?yōu)楦行?，而其余兩相?dǎo)納性質(zhì)不變，仍為容性。設(shè)A相鐵芯飽和后的等值電感為L，B、C兩相的等值電容均為C，則中性點(diǎn)位移電壓為：

由公式推導(dǎo)可以看出，中性點(diǎn)位移電壓E0與EA同相，且E0＞EA/2，所以中性點(diǎn)O′偏移至電壓三角形之外，如圖3所示。于是造成一相（飽和相）電壓升高，另外兩相的電壓可能升高也可能降低的現(xiàn)象，電壓升高或者降低要視具體情況而定，且電壓升高后的數(shù)值可能超過線電壓值。

圖3　互感器A相飽和Fig.3　Phase A of the instrument transformer is saturated

3）電壓互感器的兩相因嚴(yán)重飽和而使導(dǎo)納性質(zhì)發(fā)生變化，由容性變?yōu)槌矢行?，但另外一相仍為容性。假設(shè)A相互感器鐵芯不飽和，其等值電容為C，B、C兩相互感器鐵芯嚴(yán)重飽和，其等值電感均為L，則中性點(diǎn)位移電壓為：

由公式推導(dǎo)可以看出，中性點(diǎn)位移電壓E0與EA反相，且E0＞EA，作電源側(cè)電壓三角形，原來中性點(diǎn)O與地（O′）是重合的，現(xiàn)因出現(xiàn)中性點(diǎn)位移電壓E0，使中性點(diǎn)O′移至電壓三角形之外，如圖4所示。B、C兩飽和相對地電壓升高，升高后的電壓數(shù)值可高于線電壓，不飽和相A相的對地電壓雖然降低，但不為零，此時(shí)的現(xiàn)象與系統(tǒng)發(fā)生單相短路接地故障的情況相似，即“虛幻接地”，將引起接地指示裝置誤動(dòng)作，發(fā)出接地信號，造成工作人員誤判?？梢钥闯觯?dāng)中性點(diǎn)位移電壓數(shù)值越大時(shí)，相對地的過電壓數(shù)值也就越大，對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也就越嚴(yán)重。

圖4　互感器B、C兩相飽和Fig.4　Phase B and C of the instrument transformer are saturated

4）電壓互感器三相均因發(fā)生嚴(yán)重飽和，使導(dǎo)納性質(zhì)發(fā)生變化，均從容性變?yōu)槌矢行浴Ｈ鄬?dǎo)納均呈感性與三相導(dǎo)納均呈電容性的情況是一樣的，在三相導(dǎo)納性質(zhì)相同時(shí)，中性點(diǎn)O′是不會(huì)偏移至電壓三角形之外的。所以，互感器的三相電壓不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)增大的情況，至少有一相的電壓是不升高或者是減小的，那么，該相對應(yīng)的勵(lì)磁電感就不會(huì)因?yàn)槌惺苓^電壓、過電流而進(jìn)入飽和區(qū)。因此，在實(shí)際運(yùn)行過程中是不可能出現(xiàn)三相電壓互感器同時(shí)飽和的情況。

通過上面的分析可以看到，互感器鐵磁諧振產(chǎn)生的根本原因是由于互感器鐵芯非線性造成的，但是各個(gè)相導(dǎo)納的性質(zhì)會(huì)引起不同的后果，需要具體分析。外國學(xué)者Peterson H A通過實(shí)驗(yàn)，研究了各種諧波振蕩發(fā)生時(shí)電感電容的參數(shù)條件范圍。設(shè)XC0= 1/（ωC0）為系統(tǒng)每相對地容抗；XL0=ωL為電壓互感器的額定勵(lì)磁感抗，即作用于互感器兩端電壓為其額定電壓時(shí)的值。

1）當(dāng)XC0/XL0=0.01～0.07時(shí)，發(fā)生分頻（主要是1/2次諧波）諧振。由于系統(tǒng)運(yùn)行頻率降低導(dǎo)致系統(tǒng)感抗值大大減小，將在電路中流過數(shù)值非常大的過電流，有時(shí)甚至可以達(dá)到勵(lì)磁電流值額定值的幾十倍或者數(shù)百倍以上，使互感器鐵芯嚴(yán)重飽和，不過飽和的鐵芯使諧振過電壓的幅值在一定程度上受到了限制。分次諧振時(shí)，系統(tǒng)三相對地電壓輪流升高，并作低頻擺動(dòng)。分頻諧振最容易在系統(tǒng)線路很長，其對地等值電容數(shù)值很大，自振頻率很低時(shí)發(fā)生。

3）當(dāng)XC0/XL0=0.55～2.8時(shí)，發(fā)生高頻（主要是3次、5次諧波）諧振。此時(shí)系統(tǒng)諧振頻率高于工頻，諧振過電壓受鐵芯飽和的影響，很少超過三倍相電壓。高次諧振時(shí)，系統(tǒng)三相對地電壓同時(shí)升高或一相升高另兩相降低，且系統(tǒng)中性點(diǎn)有較高幅值的零序電壓。

4）當(dāng)XC0/XL0≤0.01或XC0/XL0＞2.8時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生鐵磁諧振。

2　鐵磁諧振抑制措施研究

在小電流接地系統(tǒng)中，鐵磁諧振過電壓時(shí)常發(fā)生，并且對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行存在嚴(yán)重威脅。許多消除和抑制鐵磁諧振過電壓的措施被提出［12-17］，例如為改變諧振元件的參數(shù)，采用的PT一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)單相零序電壓互感器接地、PT一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方法，以及為增加諧振零序回路的阻尼采用的PT開口三角繞組接電阻、系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方法。下面對這些抑制措施進(jìn)行分析。

1）PT一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)單相零序電壓互感器接地。

如圖5所示，電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)串入零序電壓互感器（其變比應(yīng)和主變壓器的變比一致）后，在系統(tǒng)發(fā)生單相短路接地故障時(shí)，線路故障電壓由主電壓互感器和零序互感器共同承擔(dān)，主互感器承受的電壓減小，相當(dāng)于改善了電壓互感器的勵(lì)磁特性，使其鐵芯不易進(jìn)入飽和區(qū)，增大了各種頻率的鐵磁諧振所需的外界激發(fā)電壓，降低了諧振發(fā)生的可能性。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相短路接地故障時(shí)，主電壓互感器的中性點(diǎn)電壓增大，可高達(dá)相電壓值。與此同時(shí)，零序電壓互感器二次側(cè)的電壓也將顯著增大，不會(huì)影響接地指示裝置的靈敏度。

圖5　PT一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)零序電壓互感器接地原理圖Fig.5　Neutral point of the primary winding of the PT is grounded through a zero-sequence voltage transformer

然而，主電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)接零序電壓互感器后，其二次開口三角形繞組是直接短接的。在短接的三角形繞組中，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)值很大的環(huán)流，使電壓互感器繞組燒壞。而且此時(shí)需要加強(qiáng)主變壓器一次繞組中性點(diǎn)的絕緣，這又會(huì)使一次設(shè)備的安裝成本增加。

2）PT一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地。

如圖6所示，如果PT一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生諧振、線路出現(xiàn)諧振過電壓時(shí)，電路中的電流會(huì)隨之增大，此時(shí)電阻R上承受的電壓也會(huì)增大，相應(yīng)的加在互感器兩端的電壓就會(huì)減小，那么互感器的鐵芯就不易進(jìn)入飽和區(qū)。而且，當(dāng)接入中性點(diǎn)的電阻值越高時(shí)，消諧零序回路的能量就越多，對諧振的抑制效果也就越好。如果中性點(diǎn)接入的電阻趨于無窮大，即近似中性點(diǎn)開路，那么系統(tǒng)就不會(huì)發(fā)生諧振。不過，考慮到互感器的絕緣結(jié)構(gòu)通常是分級的，以及接地指示裝置的靈敏度、絕緣監(jiān)視的正確性，接地電阻值不能選得過大。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)資料［13］，對于接在35 kV母線上的電壓互感器，接入中性點(diǎn)的電阻值可取30 kΩ；接在6～10 kV母線上的電壓互感器，接入中性點(diǎn)的電阻值可取10～20 kΩ，熱容量約為200 W左右。

圖6　PT一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地Fig.6　Neutral point of the primary winding of the PT is grounded through a resistor

然而，在中性點(diǎn)接入電阻抑制諧振時(shí)，電阻必須滿足一定的熱容量和絕緣要求。如果電阻熱容量、絕緣水平選擇配合不當(dāng)，會(huì)使電阻因?yàn)檫^熱而發(fā)生損壞。同時(shí)，互感器的中性點(diǎn)接入電阻后，中性點(diǎn)會(huì)存在數(shù)值較高的電壓，因此對互感器中性點(diǎn)的絕緣要求很高。此外，電壓互感器中性點(diǎn)接入電阻后，雖然電阻能夠承受部分電壓，使非故障相繞組上的電壓降低，但其降低的幅度有限，互感器鐵芯仍有可能進(jìn)入飽和區(qū)域，所以還是有可能滿足諧振的參數(shù)條件并發(fā)生諧振。

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3）PT開口三角繞組接電阻。

如圖7所示，電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，三相電壓基本對稱，所以電壓互感器開口三角繞組端口基本無電壓，在開口三角繞組接入阻尼電阻R，也并不消耗能量。只有當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生諧振使中性點(diǎn)有位移電壓時(shí)，開口三角繞組端口才出現(xiàn)數(shù)值較大的零序電壓?；ジ衅鏖_口三角繞組接入電阻后，電阻R可消耗諧振零序回路的能量。從抑制諧波方面考慮，接入的電阻值越小，消耗的能量越多，抑制諧振的效果也就越顯著。

圖7　PT開口三角繞組接電阻Fig.7　Open-delta winding of the PT is connected to a resistor

然而，由于電阻接在開口三角繞組兩端，當(dāng)接入的阻尼電阻值太小時(shí)，三角繞組中將產(chǎn)生很大的環(huán)流，將導(dǎo)致互感器一次側(cè)電流增大，使得互感器的過載現(xiàn)象越嚴(yán)重。如果諧振持續(xù)較長時(shí)間或單相接地過程過長，數(shù)值較大的電流會(huì)使互感器繞組燒毀，因此所接入的電阻值也不能過大。

4）系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，運(yùn)行于過補(bǔ)償方式。

在系統(tǒng)的中性點(diǎn)上接入消弧線圈，相當(dāng)于給電壓互感器的一次繞組各相均并聯(lián)了一個(gè)電感。而這個(gè)消弧線圈的電抗值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于互感器的電抗值，使并聯(lián)后的電抗值更小，從而零序回路的諧振角頻率決定于消弧線圈的電抗值和線路對地電容值，而與互感器電感無關(guān)，此時(shí)諧振的參數(shù)條件被破壞。且接入中性點(diǎn)的消弧線圈的電抗值越小，諧振的抑制效果也就越好。另一方面，當(dāng)系統(tǒng)中性點(diǎn)開路，在單相接地引發(fā)間歇性電弧時(shí)，系統(tǒng)對地電容只能通過互感器中性點(diǎn)對地通路進(jìn)行多次充、放電，使得流過互感器繞組的電流過大或持續(xù)時(shí)間較長，造成電壓互感器繞組燒毀；接入消弧線圈后，系統(tǒng)對地電容可以通過消弧線圈形成放電回路，使流經(jīng)電壓互感器繞組中的電流減小，不會(huì)因過電流而損壞。

但是對于對地電容較小的系統(tǒng)，其電容電流也較小，要補(bǔ)償電容電流所需采用的消弧線圈，必須具有較大數(shù)值的電感。雖然在系統(tǒng)中性點(diǎn)接入消弧線圈后能抑制諧振的產(chǎn)生，但當(dāng)接入電感值太大時(shí)，會(huì)加劇系統(tǒng)的暫態(tài)振蕩過程。

3　PT鐵磁諧振抑制措施的仿真研究

通過第2節(jié)的分析可以看到，盡管抑制鐵磁諧振的方式有多種，但都存在著一定缺陷。為了進(jìn)一步研究不同抑制措施對小電流接地系統(tǒng)的有效性，本章根據(jù)某電網(wǎng)220 kV變電站實(shí)際運(yùn)行情況，基于MATLAB/Simulink仿真軟件進(jìn)行電壓互感器鐵磁諧振的仿真研究。

3.1仿真模型的建立

如圖8所示，該220 kV變電站有2臺(tái)主變壓器，均為三繞組變壓器，電壓等級為220/35/10 kV。35 kV側(cè)系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地，即主變壓器的中壓繞組采用Yn型接線方式，主接線采用單母線分段方式。35 kV側(cè)系統(tǒng)的2條母線上，各自接有2臺(tái)電壓互感器。一臺(tái)為雙繞組電壓互感器，采用星形接地—開口三角形接線方式；另外一臺(tái)為三繞組電壓互感器，采用星形-星形-開口三角形接線方式。每條母線均帶有5條電纜出線，且均采用雙纜敷設(shè)方式。母線上還接有在系統(tǒng)運(yùn)行電壓較低時(shí)，投入進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)電容器，以及對電壓起穩(wěn)定作用的并聯(lián)電抗器，對系統(tǒng)發(fā)生雷電過電壓起保護(hù)作用的避雷器等等。其中35 kVⅡ母線側(cè)還接有一臺(tái)用于廠用電的低壓雙繞組的變壓器。將220 kV高壓側(cè)用一個(gè)理想電壓源代替?？紤]到仿真時(shí)，各條線路兩端的斷路器和隔離開關(guān)均處于閉合狀態(tài)，所以在主接線圖中未體現(xiàn)出來。

圖8　電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8　Schematic diagram of the power network structure

圖9　仿真結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9　Schematic diagram of the simulation structure

建立仿真結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示?？紤]到鐵磁諧振發(fā)生在系統(tǒng)的零序回路，包含在零序回路中的仿真模型主要包括220 kV理想電源、三繞組主變壓器、2條電纜進(jìn)線、35 kV側(cè)系統(tǒng)的Ⅰ、Ⅱ母線35 kV側(cè)Ⅰ母線上的雙繞組鐵磁式電壓互感器。由于三繞組電壓互感器PT3主要用于測量保護(hù)電路，所以建模時(shí)可以不考慮。模型中變壓器、互感器、線路等具體參數(shù)由廠家提供。圖中VT為主變壓器，由于仿真時(shí)不需要10 kV側(cè)系統(tǒng)，所以將三繞組變壓器用雙繞組代替。DL1、DL2為35 kV母線的進(jìn)線，PT1、PT2為雙繞組的電壓互感器，VT1為雙繞組的低壓廠用變壓器。由于各條母線側(cè)均有5條電纜出線，且每條出線均為雙纜敷設(shè)，即相當(dāng)于有10條電纜出線。為了使模型圖看起來更加簡潔，只單獨(dú)畫出其中一條出線，其余9條出線作為一個(gè)子系統(tǒng)。L1-1為故障線路長度，L1-2為剩余線路長度，I-Line為9條電纜出線子系統(tǒng)。

3.2選取故障檢測點(diǎn)

在電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)各種擾動(dòng)，這些擾動(dòng)經(jīng)常會(huì)成為系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振過電壓的激發(fā)條件。由于系統(tǒng)中單相短路故障是發(fā)生最頻繁的，引起事故最嚴(yán)重的。所以主要討論由于單相接地故障的產(chǎn)生和消失激發(fā)的鐵磁諧振過電壓過程。

仿真時(shí)，設(shè)置為在系統(tǒng)運(yùn)行0.02 s時(shí)發(fā)生單相短路接地故障，在0.06 s故障消失。以出線1發(fā)生故障地點(diǎn)為橫坐標(biāo)，母線過電壓峰值、系統(tǒng)中性點(diǎn)過電壓峰值為縱坐標(biāo)作圖，分析過電壓峰值與故障距離之間的關(guān)系。

通過圖10可以看到，當(dāng)故障點(diǎn)離母線越遠(yuǎn)時(shí)，母線諧振過電壓的峰值越大，系統(tǒng)中性點(diǎn)過電壓有極大值，即過電壓的情況越嚴(yán)重。因此選取35 kV II母線出線1末端作為故障檢測點(diǎn)。如圖11所示即為發(fā)生鐵磁諧振時(shí)35 kV II母線出線1末端電壓波形。

3.3不同鐵磁諧振抑制措施仿真分析

本節(jié)分別對PT一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)單相零序電壓互感器接地、PT一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方法、PT開口三角繞組接電阻、系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地4種鐵磁諧振抑制措施進(jìn)行了仿真分析。

1）電壓互感器高壓側(cè)經(jīng)零序電壓互感器接地。

通過波形分析可以看出，在電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)接入零序電壓互感器以后，母線電壓波形的振蕩減緩，但其峰值仍然較大，且恢復(fù)正常值所需時(shí)間較長。因此該消諧方法對抑制諧振過電壓的抑制效果有限，且作用時(shí)間較長。

圖10　過電壓峰值-故障距離關(guān)系圖Fig.10　Relationships between peak values of overvoltage and fault location

圖11　仿真結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11　Bus voltage when ferromagnetic resonance occurs

圖12　高壓側(cè)經(jīng)零序電壓互感器接地時(shí)母線電壓Fig.12　Bus voltage when HV winding is grounded through a zero-sequence voltage transformer

2）電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地

通過圖13、14比較可以看到，當(dāng)電壓互感器中性點(diǎn)接入的電阻值較小時(shí)，該方法起到的效果并不明顯，而且需要花較長的時(shí)間振蕩電壓才能恢復(fù)正常值。而互感器中性點(diǎn)接入阻值較大的電阻后，母線電壓振蕩幅度明顯減小，并且經(jīng)過較短時(shí)間就能恢復(fù)到正常運(yùn)行時(shí)的電壓值。電壓互感器中性點(diǎn)接入的電阻值增大，消耗的諧振能量增多，對鐵磁諧振的抑制效果更明顯。

圖13　高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)100 Ω電阻接地時(shí)母線電壓Fig.13　Bus voltage when neutral point of HV winding is grounded through a 100 Ω resistor

圖14　高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)1 000 Ω電阻接地時(shí)母線電壓Fig.14　Bus voltage when neutral point of HV winding is grounded through a 1 000 Ω resistor

圖15　開口三角繞組接0.1 Ω電阻時(shí)母線電壓Fig.15　Bus voltage when open-delta winding is connected to a 0.1 Ω resistor

圖16　開口三角繞組接0.01 Ω電阻時(shí)母線電壓Fig.16　Bus voltage when open-delta winding is connected to a 0.01 Ω resistor

3）電壓互感器開口三角繞組接阻尼電阻

通過圖15、16對比可以看到，在互感器開口三角繞組接入不同阻值的阻尼電阻時(shí)，接入的電阻值越小時(shí)，母線電壓恢復(fù)正常運(yùn)行值所經(jīng)歷的振蕩時(shí)間也越短，對鐵磁諧振的抑制效果就越明顯。但當(dāng)接入的阻值較小時(shí)，互感器三角繞組在諧振未消除期間會(huì)出現(xiàn)數(shù)值很大的環(huán)流，有可能燒壞繞組。

4）系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地（過補(bǔ)償運(yùn)行）

通過波形分析可以發(fā)現(xiàn)，在中性點(diǎn)接入消弧線圈后，母線電壓經(jīng)過較長時(shí)間振蕩逐漸恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)的值，對鐵磁諧振的抑制有一定效果，但是作用的時(shí)間比較長，且消諧過程中系統(tǒng)電壓會(huì)發(fā)生比較劇烈的振蕩。一般情況下，在大電容電流系統(tǒng)中優(yōu)先采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地抑制諧振，在電容電流不是很大的系統(tǒng)優(yōu)先采用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地來抑制諧振。

圖17　系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)1 H消弧線圈接地時(shí)母線電壓Fig.17　Bus voltage when neutral point of the system is grounded through a 1 H arc suppression coil

4　結(jié)論

理論和仿真分析表明，不同抑制措施對小電流接地系統(tǒng)電磁式電壓互感器鐵磁諧振效果不同。對本文討論的某220 kV變電站，各種抑制措施效果進(jìn)行了分析。其中電壓互感器高壓側(cè)經(jīng)零序電壓互感器接地對于諧振過電壓的抑制效果有限，且作用時(shí)間較長；電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，隨著中性點(diǎn)接入的電阻值逐漸增大，對鐵磁諧振的抑制效果越明顯；電壓互感器開口三角繞組接阻尼電阻，當(dāng)接入的電阻值越小時(shí)，對鐵磁諧振的抑制效果越明顯；系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地（過補(bǔ)償運(yùn)行）對鐵磁諧振的抑制效果比較明顯，但是作用的時(shí)間比較長。

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Simulation Analysis for Ferromagnetic Resonance of Potential Transformer and Restraining Measures in Small Current Neutral Grounding System

WEI Jufang1，TANG Qinghua1，WANG Fei2，CHEN Peiran1，ZHUAN Sunxu3，BIAN Xingming2
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 120000，China；2.College of Electrical and Electronic engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；3.State Grid Shaanxi Electric Power Company Economic Research Institute，Xi'an 710048，Shaanxi，China）

In the small current neutral grounding system，ferromagnetic resonance of the potential transformer is a very common internal over-voltage，which is a great menace to life and equipment.There are a few basic studies about the generation mechanism and restraining measures of ferromagnetic resonance of the potential transformer，but there is still no united understanding of the impacts of different restraining measures on the specified small current neutral grounding system.This paper researches ferromagnetic resonance overvoltage occurring in potential transformer of a 220 kV transformer substation and analyzes impacts of different restraining measures on 35 kV bus voltage of transformer substation.The results show that compared with the method that the HV winding of the PT is grounded through a zero-sequence voltage transformer，the neutral point of the system grounded through an arc suppression coil is more effective on suppressing ferromagnetic resonances.In addition，the methods that HV winding of the PT is grounded through a resistor and that open-delta winding of the PT is connected to a resistor are both useful to suppress ferromagnetic resonances，but the restraint effects are closely related to values of the connected resistors.

small current neutral grounding system；potential transformer；ferromagnetic resonance；restraining measures摘要：在小電流接地系統(tǒng)中，電壓互感器鐵磁諧振是一種很常見的內(nèi)部過電壓，會(huì)嚴(yán)重威脅人身和設(shè)備安全。對于電壓互感器鐵磁諧振的產(chǎn)生機(jī)理和抑制措施已經(jīng)有了一些基礎(chǔ)研究，但不同抑制措施對于特定小電流接地系統(tǒng)母線電壓的影響尚未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。針對某220 kV變電站種電磁式電壓互感器出現(xiàn)的鐵磁諧振過電壓進(jìn)行了研究，分析了不同抑制措施對變電站35 kV母線電壓的影響。結(jié)果表明，與電壓互感器高壓側(cè)經(jīng)零序電壓互感器接地相比，系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地對鐵磁諧振的抑制效果更加明顯；電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地以及互感器開口三角繞組接阻尼電阻兩種方法對鐵磁諧振有一定抑制作用，但抑制效果與所接電阻值密切相關(guān)。

1674-3814（2015）12-0048-09

TM451

A

2015-06-30。

魏菊芳（1985—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊?，現(xiàn)從事變壓器、互感器等高電壓技術(shù)相關(guān)工作。

（編輯馮露）

國家自然科學(xué)基金（51377096）；國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（KJ14-1-66）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（2014QN39）。

Project Fund：National Natural Science Foundation of China（51377096）；Science and Technology Project of State Grid Company（KJ14-1-66）；Basic Scientific Research Expenditure of Central Universities（2014QN39）.