中性点不接地系统电压互感器.doc

中性点不接地系统四PT方式综合机理研究摘要：中性点不接地系统的铁磁谐振是影响其供电可靠性的主要因素之一。由于铁磁谐振形成的复杂性，对于铁磁谐振的防治难度也非常大，目前常见的方法基本上可以归纳为主动防御和被动防御两类。主动防御主要是增加电压互感器对地阻抗或采用容性电压互感器等；被动防御主要是在互感器二次加阻尼电阻或微机消谐装置增强对谐振发生的阻尼等。在这些措施中，电压互感器四PT接线方式是一项非常有效的措施，但是在以往的研究中只侧重零序PT本身增加对地阻抗的作用，将零序PT与电压互感器二次绕组的作用分开讨论，忽略了绕组对铁磁谐振的阻尼和消谐作用,实际上它们发挥的作用是综合性的。通过本文的研究认为该接线方式对于保证中性点不接地系统的长时间接地故障下安全运行和消除系统铁磁谐振具有很好的效果，具有其他消谐措施无法比拟的作用。关键词：中性点不接地系统 ；铁磁谐振；电压互感器；接线方式；零序PT；消谐 引言： 胜利油田电网共有35kV220kV变电站179座，电力线路5300km。其中635kV线路510条，3800km。年平均接地障碍500多次,平均每条线路一次以上,对系统的安全运行造成了严重的影响,每年因接地引起的铁磁谐振造成的损失以百万元计.因此,研究铁磁谐振的防治对于提高油田电网的可靠性,保证油田原油生产的正常运行有重大的意义。 中性点不接地系统在提高供电可靠性方面较中性点接地系统具有很大优势；但由于系统中接有电压互感器等对地电感元件，在系统扰动时，易发生铁磁谐振过电压1-2，基波和高次谐波谐振过电压可达34；分频谐振过电压可达23。为防治铁磁谐振过电压，各种措施层出不穷，大致可以分为两类：一类是改变系统电感电容参数，使其远离谐振的匹配条件，从而不容易激发谐振；另一类是消耗谐振的能量，阻尼抑制或消除谐振的发生4。常见的有：微机消谐装置、电压互感器开口三角加阻尼电阻、高压侧中性点加非线性阻尼电阻、电压互感器加装零序互感器等等,它们的实践运行效果也不尽相同。电压互感器加装零序互感器的接线方式克服了其它抑制铁磁谐振方法的缺点5-16。大量运行经验表明,该接线方式对防止铁磁谐振的发生是有效的17-18。 对于电压互感器四PT的研究，过去大都放在零序PT的高压阻抗对于谐振的阻尼作用方面，而忽视了四PT接线方式零序PT与电压互感器二次绕组配合发挥消谐综合作用的原理。本文着重对因电压互感器产生的铁磁谐振机理和电压互感器加装PT消谐原理进行理论研究。为了叙述方便，在本文中将三相电压互感器称为电压互感器；将中性点的电压互感器称为零序PT；将有零序PT的电压互感器接线方式称为四PT接线方式；将没有零序PT的电压互感器接线方式称为三PT接线方式。关于四PT接线方式当前有一些普遍的错误认识，在此一并纠正。主要的错误认识有以下两点：a)当系统发生单相接地时，简单的认为三角形接线处有约25V零序电压。b)、当系统发生单相接地时，闭合三角形绕组内有很大的环流，容易烧毁PT。这两种认识造成了对四PT接线方式应用的担心和不确定性，不合理的改变接线方式和在三角形处增加元件造成接线复杂化，使零序PT降低抵御零序电压的效果。一、电磁式电压互感器饱和过电压的机理在中性点不接地系统中，为了监视三相对地电压和计量、电压保护的需要，变电站母线上接有Y接线的电磁式电压互感器，电压互感器的接线方式普通为三PT接线方式，图1a虚框内所示。于是，网络对地参数除了电力设备和导线的对地电容C0之外，还有PT的励磁电感L，如图1b所示。正常运行时，电压互感器的励磁阻抗是很大的，所以网络对地阻抗呈容性。三相基本平衡，电网中性点O的位移电压很小接近零。但系统中出现某些扰动，电网中性点就有较高的位移电压，即OO，之间产生较高的电压，使电压互感器三相电感饱和程度不同19，饱和程度低的相对地呈容性；饱和程度过高的相对地呈感性，这时就可能激发铁磁谐振，从而引起过电压。如图1b所示。常见的使电压互感器产生饱和的情况,即所谓的系统扰动有：电压的突然送电，使其某一相或两相绕组内出现巨大涌流；由于雷击、导线碰树、导线挂异物、导线断线电源侧接地或其他原因线路瞬间单相弧光接地，使健全相电压突然升至线电压，而故障相在接地消失时又有可能有电压的突然上升，在这些暂态中也会有很大涌流；传递过电压，例如高压绕组发生单相接地或不同期合闸，低压侧有传递过电压使电压互感器饱和等等。由于电压互感器的三相电感饱和程度不同，会出现电压互感器的一相或两相电压升高，也可能三相电压同时升高。与此同时，电源变压器绕组电势、和则维持不变，它们是由发电机的正序电势所决定的。由于通常情况下电压互感器中性点是直接接地的，因而，整个电网对地电压的变动表现为电源中性点“O”的位移,这与系统内出现单相接地时的现象相仿,但实际上并不是单相接地,所以称为虚幻接地,又称为电网中性点位移现象。中性点位移电压越高,相对地电压越高,电压互感器饱和程度越高。 从以上分析可知，引起电压互感器饱和的主要根源是系统内出现零序电压，而电压互感器的饱和会使系统对地的感抗降低，引起铁磁谐振。又由于铁芯的饱和会引起电流、电压波形畸变，产生谐波，故也可能产生谐波谐振过电压。通常电压互感器的三PT接线方式的零序网络见图2。为方便分析，由于电压互感器负荷阻抗很大接近空载阻抗，图中忽略了电压互感器负荷阻抗对零序电压的影响；由于电压互感器的电阻远小于电抗，忽略电阻对零序电压的影响。X1为电压互感器高压侧电抗；Xlc0为零序激磁电抗。由于电压互感器为三相五柱式或单相互感器组，零序磁通能在铁芯中顺畅流通，因此零序激磁电抗与电压互感器的空载电抗相等。当系统发生前述的扰动发生中性点位移，即产生零序电压时，零序电压几乎全部作用在电压互感器上产生零序磁势与电网电源电压产生的磁势的相量和共同对互感器激磁，造成电压互感器饱和，各相电压互感器的饱和程度与相量和的大小有关。单相稳定接地是一个特例，图3是稳定单相接地时的电势相量图，如A相接地。图3 、分别为电源施加在电压互感器的三相电压； 为中性点位移电压，亦即零序电压。由于中性点不接地系统接地短路电流很小，因此，根据对称分量法，正序电压约等于电源电势，负序电压约等于零，零序电压约等于。 可见B相和C相电压互感器的电压为电源电压和零序电压的相量和，即线电压和。根据GB1207-2006电磁式电压互感器中规定，中性点不接地系统电磁式电压互感器的额定电压因数值为1.9倍,8小时20。表1为目前市场上JDZJ-10电压互感器励磁特性试验数据。从表中可以看出，在1.9倍额定电压时励磁电流是额定电压时的14.6倍，说明在1.9倍额定电压时电压互感器铁芯已进入饱和区。图4为根据表1数据JDZJ-10型电压互感器的伏安特性曲线。表1施加电压（V）577110电流（A）01319图4在稳定的单相接地，并且电压互感器铁芯质量合格时，电压互感器是能够耐受线电压的。但是若系统电压较高(正常运行时系统电压可能达1.1倍的线电压或更高些),或电压互感器铁芯质量较差，或发生间歇性接地，或产生电弧接地过电压，或发生系统电压扰动就会导致电压互感器铁芯过饱和，导致保险熔断，甚至激发铁磁谐振烧毁电压互感器。二、电压互感器四PT接线方式防止铁磁谐振原理分析电压互感器四PT接线方式如图5所示。图5当系统产生零序电压时，电压互感器每相的零序电压在高压侧产生零序磁势，在铁芯中便有零序磁通流通21。由于互感器铁芯中有零序磁通，因此在侧产生零序感应电势，侧便有零序电流，该零序电流的作用是抵消高压侧的零序磁通，因此从高压侧看电压互感器的零序电抗很小，约等于短路阻抗22。侧产生的零序感应电势等于侧绕组漏抗上的零序电压降与高压侧的感应电势相等。侧闭合使得互感器的铁芯一旦产生零序磁通随即被消磁不会产生饱和现象，从而不会发生因电压互感器饱和引起的铁磁谐振。四PT接线方式等效零序网络如图6所示:为方便分析，由于电压互感器负荷阻抗很大接近空载阻抗，忽略电压互感器负荷阻抗对零序电压的影响；由于电压互感器的电阻远小于电抗，忽略电阻对零序电压的影响。图6X为电压互感器高压侧漏抗；X为侧归算到高压侧的漏抗；Xlc0为电压互感器的零序激磁电抗；Xlcn为零序PT的零序激磁电抗。由于电压互感器为三相五柱式或单相互感器组，零序磁通能在铁芯中顺畅流通，因此零序激磁电抗与电压互感器的空载电抗相等；下面几种主要的系统运行状态讨论中性点加装零序PT后对于系统安全运行和防止铁磁谐振过电压的作用。1、系统单相接地 a)接地瞬间电压互感器的情况 正常运行时零序PT的电压为零。系统发生单相接地瞬间,假设A相接地，如图5所示，产生零序电压。该零序电压几乎全部加在零序PT上23，零序PT会产生涌流，导致零序PT铁芯出现一定程度的饱和。绝大多数接地故障,都发生在相电压经过最大值的瞬间21,一般情况下电压互感器不会在接地瞬间产生励磁涌流。为了说明问题，对最严重的情况进行分析。最严重的情况是接地瞬间故障相电压过零，会导致零序PT严重饱和，使零序PT的对地阻抗大大降低，零序PT的Xlcn降为漏抗，用Xn表示。PT的过饱和使得零序电压重新分配，零序网络如图6所示。由于电压互感器绕组对零序磁通的去磁作用，使电压互感器零序阻抗很小，等于电压互感器的漏抗，零序电压在电压互感器上的分压依然不大，互感器铁芯不会饱和。接地瞬间电压互感器的零序电流和零序电压分别为：；经过几个周波后，零序PT的阻抗迅速恢复为激磁阻抗，零序电流也随之迅速降为三分之一的零序PT的相电压下的励磁电流。达到稳定接地状态。实际上，在此瞬态过程中，受电压互感器正序和负序阻抗的影响，零序电压要小于，励磁涌流也比电压互感器在相电压下的励磁涌流小很多。由于是几个周波的瞬变过程，电压互感器不会损坏。如果此时侧开路，相当于图6的断开,由于失去了对电压互感器零序磁通的去磁能力，电压互感器的零序电抗为激磁电抗，在系统接地的瞬变过程中，非故障电压互感器与零序PT会先后饱和，如果饱和程度过高，会引起铁磁谐振过电压，因此绕组开路或增加负载都会降低或丧失四PT接线方式的消谐作用。b）系统稳定接地后电压互感器的情况系统经过过渡过程后产生零序电压约等于，由于侧短接对电压互感器铁芯零序磁通的去磁作用，电压互感器的零序阻抗很小，等于电压互感器的漏抗，因此零序电压几乎全部加在零序PT上。由于电压互感器没有零序电压，电压互感器的中性点几乎不发生偏移，与正常运行状态几乎一样。与正常运行状态不同的是，零序PT也有相电压。此时，电压互感器侧的零序电流约为零序PT励磁电流的三分之一（注意此零序电流为绕组对铁芯零序磁通消磁的电流）；电压互感器的零序电压为：所以，电压互感器在稳定接地时能够长时间运行，不受规程规定的接地时间不允许超过两小时的时间限制，并且维护人员有更长的时间处理事故。如果此时电压互感器的侧开路，回路中不再有电流，电压互感器上出现一定的零序电压，在此零序电压作用下，铁芯中产生零序磁通，铁芯受相电压和该零序电压的相量和共同激磁，非故障相铁芯中磁通增加，工作点升高。电压互感器上的零序电压为：约等于，此时的电压相量图见图7图7电压互感器非故障相的电压数值上约为1.15U。开口三角形两端有25V电压。故障相电压互感器和零序PT的电压为。与绕组短接相比非故障想略有升高，电压互感器铁芯磁密工作点略有提高。c)接地消失接地后，零序PT电压为零，各相电压互感器电压为正常运行的相电压，状态不发生变化。再次接地时重复以上的过程。 d)三PT接线方式发生频繁单相接地时，非故障相在接地瞬间、故障相在接地消失瞬间都会产生励磁涌流使电压互感器出现过饱和，容易造成保险熔断，甚至引发铁磁谐振。2、电压互感器合闸送电电压互感器合闸送电瞬间，产生励磁涌流，三相互感器的饱和程度不同，使电源中性点与电压互感器中性点OO之间产生电压。由于电源中性点是绝缘的，该电压几乎全部加在三相电压互感器上，绕组产生较大的对零序磁通的去磁环流，但由于只有几个周波的时间，互感器不会损坏；随着励磁涌流的消失，互感器恢复正常工作状态。在此过程中，零序PT的零序电流很小，不会饱和，保持对地很大的感抗，系统不会发生铁磁谐振。3、系统因断线或其他原因发生铁磁谐振过电压当系统发生铁磁谐振过电压时，产生很高的零序电压，基波和高次谐波谐振过电压可达34；分频谐振可达2。该电压几乎全部加在零序PT上，使零序PT饱和。电压越高，零序PT的饱和程度越高，零序PT的阻抗降低，绕组对谐振的阻尼作用越强。当电压高到使零序PT过饱和时，接近中性点经小阻抗接地状态，绕组的阻尼作用最大，从而消除铁磁谐振。铁磁谐振消失后，零序PT阻抗恢复到正常状态，电压互感器恢复到正常运行。以上的消谐过程与微机消谐装置的消谐过程类似，不同的是微机消谐装置的原理是检测谐振电压和频率，当某一频率的电压到达一定数值时使接在开口三角形或零序PT二次线圈上的双向可控硅导通，短接开口三角形或零序PT二次绕组，使侧产生强大的阻尼消除铁磁谐振。为区分单相接地，一般基频启动电压值定为150V，而低于150V的基频过电压不会启动，造成了150V以下的谐振基频谐振过电压无法消除。而电压互感器四PT接线方式是随着零序PT的饱和程度的变化自动调整消谐状态，起到了对铁磁谐振的主动防御作用。三、结论通过以上的分析说明四PT接线方式对于防止铁磁谐振有非常有效的作用，主要体现在以下几个方面：1、对于电压互感器的四PT接线方式来说，由于绕组短接可对除基频正序、负序以外的所有频率的零序磁通消磁，使电压互感器的铁芯在任何情况下都处于非饱和状态，从而使电压互感器的对地感抗很大，基本上消除了因电压互感器饱和引起的铁磁谐振。2、由于零序PT的非线性，可以在系统因其它原因产生铁磁谐振时，使绕组产生阻尼电流，消除铁磁谐振，阻尼电流的大小根据谐振的情况随零序PT的饱和程度自动调节。3、在有的情况下，由于绕组的消磁电流太大的依然会发生高压保险熔断，但这正发挥了保险对电压互感器的保护作用，并不影响四PT接线方式的消谐作用。 4、电压互感器四PT接线方式与其它消谐措施相比提高了电网的主动防御铁磁谐振的能力，起到阻止铁磁谐振的作用，而其他措施大都是被动的防御。参考文献1谢广润，电力系统过电压M.北京：水利电力出版社，1985. 2张纬钹，高玉明.电力系统过电压与绝缘配合M，北京：清华大学出版社，1988. 3周泽存.高电压技术M.北京：中国电力出版社，2003，5. 4杨庆，郑哲人，司马文霞，陈莉君，袁涛.避雷器对具有混沌效应铁磁谐振过电压的影响J.高电压技术，2011，37（1）：40-49. 5石启新,谈顺涛.基于MATLAB 的TV铁磁谐振数字仿真分析J .长沙电力学院学报（自然科学版）.2004,19(2):40-43. 6冯平,王尔智.中性点接地电力系统三相铁磁谐振的理论分析J.电工技术学报.2004,19(9):57-61. 7葛栋,鲁铁成,王平.配电网铁磁谐振消谐机理仿真计算研究J.高电压技术.2003，29（11）：15-17. 8杜志叶,阮江军,王伟刚。应用MATLAB/ SIMUL IN K仿真研究铁磁谐振J.高电压技术.2004，30（9）：30-32. 9胡汉梅,龚祖春,俞文球.三峡工地TV 烧毁原因分析及预防措施J.高电压技术.2003,29(9):55-56. 10焦瑾,南京供电公司铁磁谐振事故