小接地系統(tǒng)4PT方式的二次電壓分析與建模

趙淑敏, 凌光

(紹興供電公司，浙江 紹興 312000)

小接地系統(tǒng)4PT方式的二次電壓分析與建模

趙淑敏, 凌光

(紹興供電公司，浙江 紹興 312000)

中性點不接地系統(tǒng)中4PT接線方式是消除鐵磁諧振的一項有效措施。系統(tǒng)分析了4PT方式下正常和故障態(tài)時的二次電壓特征。之后針對現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)的中性點PT極性反接的問題，總結(jié)出隨著相PT和中性點PT阻抗比值的變化，二次測量電壓的分布規(guī)律。最后，建立了基于PSCAD/EMTDC的4PT仿真模型，進行多種工況下的仿真；并結(jié)合現(xiàn)場運行實例，驗證了理論計算的正確性。的工作給變電所運行和檢修人員提供了4PT方式的運行維護提供了參考經(jīng)驗。

電壓互感器；4PT；中性點不接地系統(tǒng)；二次電壓；建模

0 引 言

中性點不接地系統(tǒng)中，由于鐵磁諧振而產(chǎn)生的過電流和過電壓，嚴重威脅電網(wǎng)和設備的安全。諧振的產(chǎn)生，通常是由于在系統(tǒng)發(fā)生故障、或者設備投切過程中系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變等，母線電壓互感器(簡稱PT)的勵磁電感和系統(tǒng)對地電容滿足諧振條件，從而引發(fā)鐵磁諧振[1-2]。

目前有不少研究提出了消除鐵磁諧振的方法，有加裝消弧線圈，采用臨時倒閘措施，采用勵磁阻抗好的PT，在開口三角繞組并接一定的阻抗，在PT高壓中性點串接一定的阻抗或者單相零序PT(即4PT方式)，在PT開口三角加裝消諧器等[3]。近年來，4PT方式得到了廣泛的推廣。文獻[4]理論分析了4PT方式增加了系統(tǒng)零序阻抗，有效起到消諧作用。文獻[5]基于仿真模型分析，探討各種防止鐵磁諧振方法的優(yōu)缺點和適用范圍，驗證了4PT方式可以明顯的降低鐵磁諧振引起的過電壓和過電流。

與變電所目前普遍采用的3PT星型接線方式相比，采用4PT方式對于二次電壓測量和故障檢測必然產(chǎn)生一定影響。變電站現(xiàn)場安裝工程中，經(jīng)常發(fā)生測量、計量和零序電壓回路中把零序PT極性接反的問題[6-7]。在調(diào)試和驗收中，現(xiàn)有的規(guī)程沒有零序PT極性校驗內(nèi)容，各方人員也沒有重視此問題。正常運行時，由于零序PT的感應電壓為零，運行人員無法發(fā)現(xiàn)異常。導致發(fā)生故障時，后臺的電壓監(jiān)測信號無法正確反映故障情況，影響運行人員判斷故障狀況，嚴重時造成熔絲熔斷PT燒毀。

所以，4PT接線方式需要系統(tǒng)的二次電壓分析和檢查方法。在接線錯誤的情況下，相PT和中性點PT的阻抗對二次相電壓和開口三角電壓值有非常大的影響。目前已有的文獻都是基于相PT和中性點PT的阻抗相同假設下給出的計算結(jié)果[8]526，但是變電所現(xiàn)場所安裝的PT設備往往二者并不相同。因此，本文詳細分析了4PT正確和錯誤接線時的相PT和中性點PT的阻抗比值對二次電壓特征的影響，并基于PSCAD建模仿真和現(xiàn)場實例驗證，驗證了分析結(jié)果的準確性。

1 4PT接線形式二次電壓分析

按照中性點PT是否接入開口三角，4PT接線可分為兩種方式[9],下面分析正確接線時的二次電壓特征。

1.1 中性點PT接入開口三角

4PT接線方式如圖1a所示，其等效阻抗如圖1b所示。零序PT順極性接入三相二次電壓和開口三角電壓回路中，圖中的三相相電壓代表測量、計量或保護電壓回路，開口三角UL用于判斷接地故障。EA、EB、EC為一次系統(tǒng)電源相電動勢，UA、UB、UC為一次系統(tǒng)相電壓，Ua、Ub、Uc為二次相電壓，UL為開口三角電壓。

圖1a 中性點PT接入開口三角的4PT系統(tǒng)接線圖

圖1b 4PT方式系統(tǒng)等效阻抗圖

(1)

計算得到：

(2)

其中k為相PT和中性點PT的等效阻抗之比由此可見，發(fā)生單相接地故障時，中性點電壓UN’會發(fā)生偏移，并且偏移值與k呈反比關(guān)系。作用在4個PT上的一次電壓為：

(3)

記Ea為二次額定相電壓，二次電壓測量值為：

(4)

經(jīng)由以上的計算過程可以看到，在二次側(cè)正確接線方式的前提下，中性點零序PT的感應電壓可以抵消相PT感應電壓的偏移，各個電壓測量值與常規(guī)的3PT接線形式相同。k值的大小不會影響故障電壓的正確測量。根據(jù)以上計算結(jié)果，可以看出故障相得電壓為零，非故障相電壓以及開口三角電壓為故障前的線電壓值。常規(guī)的變電站接地報警系統(tǒng)和值班員以此為依據(jù)，可以較為準確的接地故障的發(fā)生相別。

1.2 中性點PT不接入開口三角

圖2 開口三角直接短接4PT方式的系統(tǒng)接線圖

上節(jié)中中性點PT接入開口三角的接線方式，因原PT無法提供三次諧波勵磁電流通路，在4PT的二次側(cè)會出現(xiàn)較大的以三次諧波電壓為主的不平衡電壓，嚴重時會虛報出假的接地故障信號。為了克服這個缺點，可將PT的三次電壓組成的開口三角短接，3UO取自零序PT的三次繞組，如圖2所示。對于此種接線方式，由于開口三角被短接，相PT的一次等效阻抗的零序阻抗遠遠小于正、負序阻抗，也遠小于中性點PT的相阻抗。因此可以近似的看作正序電勢全部作用于三個相PT的一次線圈上，零序電勢全部施加于中性點零序PT的一次線圈上[8]530。

系統(tǒng)的正序電壓為EA，零序電壓為-EA。由于相電壓的接線方式一致，因此二次測量的相電壓不變，零序電壓則變?yōu)椋?/p>

(5)

在這種接線方式下，各個電壓測量值與常規(guī)的3PT接線形式相同。阻抗比值的大小不會影響故障電壓的正確測量。

2 錯誤接線時的二次電壓分析

因為種種原因，現(xiàn)場經(jīng)常發(fā)生中性點PT反極性接入回路的情況。由于正常運行狀態(tài)時，中性點PT沒有感應電壓，極性反接并不影響二次電壓的正確測量，因此很難發(fā)現(xiàn)。下面分析反極性錯誤接線時二次和三次電壓。

當零序PT因故極性反接，假設發(fā)生單相接地故障(以A相為例)，錯誤接線方式下中性點電壓反向，參照正確接線時的二次電壓計算式，各個二次電壓計算值為：

(6)

根據(jù)以上計算結(jié)果，錯誤接線的情況下，中性點偏移電壓會反映到二次三相電壓和開口三角電壓，所以三相二次電壓和開口三角電壓并不是一個固定的值，會隨著變電所母線相PT和中性點PT的等效阻抗的比值即k的變化而變動，這就給現(xiàn)場故障的判斷帶了很大的干擾，二次測量電壓隨k的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 二次三相電壓隨k值變化曲線圖

由圖3可知，k值越大，故障相二次電壓越小，非故障相二次電壓有效值在k=1時最小后逐漸增大。開口三角電壓有效值隨著k增大逐漸減小到k=3時為零，然后逐漸增大。尤其值得注意的是，k等于3時，故障相電壓和非故障相電壓的二次值相等，都為額定電壓；開口三角電壓為0，與非故障情況下完全相同，對故障判斷造成了嚴重的干擾。當k小于3時，故障相電壓二次值大于非故障相電壓二次值；而當k大于3時，故障相電壓二次值小于非故障相電壓二次值。

對于中性點PT不接入開口三角的拓撲，當因為某種原因中性點PT極性接反時， 假設此時發(fā)生A相接地故障， 因此其二次測量電壓為：

(7)

3 仿真及實例驗證

為了驗證理論計算的正確性，本節(jié)基于PSCAD /EMTDC軟件建立4PT仿真模型，考察仿真結(jié)果和理論計算是否相符。根據(jù)前文分析，中性點PT接入開口三角的接線方式，錯誤接線時二次電壓的測量值誤差很大，會對故障判斷造成很大干擾，因此針對此情況進行仿真分析，仿真電路圖如圖4所示。圖中各元件的參數(shù)模擬現(xiàn)場設備參數(shù)：變壓器額定容量為40 MVA，變比為115 kV/10.5 kV；變壓器高壓來電側(cè)用三相對稱電源模擬，RLC為電源模擬阻抗；10 kV線路模型采用π模型。

圖4 中性點不接地系統(tǒng)接地故障仿真電路

正常運行時等效負荷阻抗為500 Ω；電壓互感器采用4PT接線(圖中未畫出)，取零序PT阻抗為相阻抗的1/3，即k=3。本研究案例中，故障點位置對研究結(jié)果影響不大，不妨選在線路出口處。仿真電路共運行0.25 s，其中故障發(fā)生時刻為0.15 s，故障類型選A相接地。4PT接線正確時的一次和二次電壓的仿真結(jié)果，如圖5所示。

圖5 4PT接線正確時一次和二次的電壓波形

正常狀態(tài)一次相電壓有效值為6.06 kV(線電壓為10.5 kV)，因而峰值為8.57 kV。0.15 s時刻A相接地故障，故障相電壓降為0，非故障相電壓升高為原來的√3倍，與理論計算相符。

由于電壓互感器接線正確，因此二次側(cè)如實反映了一次側(cè)的電壓。二次電壓與一次電壓幅值比值為PT變比(10/0.1)，相位上完全一致。當電壓互感器的零序繞組極性接反時，一次電壓仍與正確接線時一致，二次電壓的波形卻發(fā)生了很大的變化，如圖6所示。

圖6 4PT接線錯誤時一次和二次的電壓波形

上述仿真結(jié)果可以看到，雖然一次側(cè)的電壓仍然滿足小接地系統(tǒng)單相接地的故障特征，但二次側(cè)的電壓已經(jīng)不能如實反映故障電壓了，而是變成了與故障前一樣的三相對稱電壓，與110 kV松塢變單相接地故障時的現(xiàn)象一致。這一現(xiàn)象導致依靠二次側(cè)電壓的接地選線裝置、故障報警裝置失效，給故障判斷帶來了嚴重的干擾，對現(xiàn)場安全運行是極為不利的。2015年7月30 日，110 kV松塢變，10 kVIII段母線后臺報母線接地故障，某間隔帶電顯示器B相顯示無電，但是后臺各相電壓值均正常，3U0值為100 V。造成運行值班人員無法判斷故障情況，不能立即斷開故障間隔開關(guān)排除故障。若干日后該段母線停電檢修PT接線，驗證確實測量和計量電壓二次回路的中性點PT的二次繞組極性反接。在PT一次測各相與地中間做加壓試驗，測量相PT與中性點PT的二次電壓分壓比約等于3。以上實例與仿真中k等于3時，故障相電壓和非故障相電壓的二次值相等，都為額定電壓的結(jié)論完全符合。

假設零序PT阻抗和相PT阻抗一致，再次進行仿真，并計算故障相和非故障相的有效值，得到的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 故障相和非故障相的有效電壓值

由圖7可知，故障相電壓的二次值升高至原先的1.5倍，非故障相電壓的二次值降至原先的0.866倍，與推導結(jié)果一致，這也間接驗證了現(xiàn)場的4PT中零序和相PT阻抗并不一致。本節(jié)通過仿真試驗，重現(xiàn)了小接地系統(tǒng)中，因4PT接線錯誤而造成的接地故障判斷干擾，同時也驗證了前文中對4PT接線影響的分析。

4 結(jié)束語

電力系統(tǒng)采用4PT方式可以有效地防止小電流接地電網(wǎng)鐵磁諧振，具有推廣意義。但同時，此種接線方式運行和檢修人員對其接線方式還不是很熟悉，經(jīng)常出現(xiàn)中性點PT極性接反的情況。本文通過理論計算推導，提供了變電所故障實例驗證，并且基于PSCAD/EMTDC軟件進行仿真模擬，全面分析了相PT和中性點PT阻抗的關(guān)系對二次電壓的影響趨勢，數(shù)據(jù)詳盡。相對于現(xiàn)有的文獻僅設定二者阻抗相同的條件進行理論分析，本文更加具有參考意義，更加符合現(xiàn)場實際情況。

[1] 劉增良，李鐵玲，劉國亭,等. 對電壓互感器飽和引起電位偏移與鐵磁諧振的分析[J]. 電力自動化設備,2006， 26(11): 21-23.

[2] 冉啟鵬，陳欣. 一起鐵磁諧振事故的原因及預防措施[J]. 變壓器，2011，48(3): 71-73.

[3] 楊斌文，李文圣. 電壓互感器鐵磁諧振的產(chǎn)生與消除[J]. 電力自動化設備，2010， 30(3): 134-136.

[4] 王世旭，李法章，張國紅,等. 小電流接地系統(tǒng)4PT消諧接線方式的分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2011,39(12):151-154.

[5] 梁志瑞， 董維，劉文軒,等. 電磁式電壓互感器的鐵磁諧振仿真研究[J]. 高壓電器，2012， 48(11): 18-23.

[6] 周建軍, 樊高瑞. 10 kV防諧振PT二次回路分析[J]. 高壓電器，2006， 42(6): 475-476.

[7] 周建軍，樊高瑞，樊慶玲,等. 二次電壓回路檢查方法的探討[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(3): 133-135.

[8] 包蕊.PT 二次回路檢查方法的研究[J]. 電力學報，2014，29(6): 526-531.

[9] 索保鋒，王洪峰，閆治勇. 電壓互感器開口三角接線的探討[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(3): 130-132.

Analysis and Modeling of Secondary Voltage of 4PT Small Grounding System

Zhao Shumin, Ling Guang

(Shaoxing Power Supply Company, Shaoxing Zhejiang 312000, China)

The 4PT connection in the isolated neutral system is an effective measure for eliminating ferromagnetic resonance. This paper analyzes the features of secondary voltage in the normal and faulty 4PT cases. Focusing on frequent reverse polarity of neutral point PT, it summarizes the distribution rule of secondary voltage on the basis of the change of the ratio between the impedances of phase PT and neutral point PT. Finally, a 4PT simulation model is built up on the base of PACAD/EMTDC, and simulation experiments are made in different working conditions. Correctness of theoretical calculation is verified in site operational examples, thus providing valuable experiences for people working on the operation and maintenance of substations in the aspect of 4PT.

potential transformer；4PT；isolated neutral system；secondary voltage； modeling

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.023

TM76

A

1000-3886(2017)01-0078-04

趙淑敏(1981-)，女，河北保定人，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護。 凌光(1986-)，男，浙江紹興人，碩士，工程師，研究方向為智能變電站、電力系統(tǒng)繼電保護。

定稿日期: 2016-07-08