10kV电压互感器运行及出现谐振

1 10 kV配电所电压互感器运行及出现谐振情况

我段管内10KV配电所均为中性点不接地系统（小电流接地），各配电所的每一段母线上均接有一台三相五柱式电压互感器（PT），其一次线圈中性点直接接地。由于电网对地电容与PT的线路电感构成谐振条件，在运行中经常出现铁磁谐振现象，引起过电压，出现“虚幻接地”或烧断PT高压保险，甚至在运行中出现过PT一次侧零相瓷瓶内部引线烧断的现象。下面仅列举岱岳配电所2000年出现谐振过电压及PT保险熔断的部分事例：

① 2000年3月5日13：15，岱岳配电进线一开关跳闸，Ⅰ段母线PT高压保险熔断3相。跳闸原因是线路瞬间故障。

② 2000年3月18日20：50，岱岳配电Ⅰ段母线PT高压保险B相在运行中熔断。

③ 2000年3月23日8：51，岱岳配电自闭一、自闭二开关跳闸，发“电压回路断线”、“10KV 系统接地”光字牌，自闭母线PT高压保险熔断。原因是自闭线路故障。

④ 2000年6月11日，岱岳配电所全所停电春防试验，在作业结束后送电合电源进线开关时，发“10KV系统接地”光字牌，出现“虚幻接地”现象，馈线送电后复归。

2 铁磁谐振过电压产生原理

在中性点不接地系统中，为了监视系统的三相对地电压，配电所内10 kV母线上常接有Y/Y/接线的三相五柱电磁式PT，其电气结线见图1。

图1 10KV PT未装消谐装置时电气示意图

正常时PT的励磁阻抗很大，系统对地阻抗呈容性，三相电压基本平衡，中性点的位移电压很小。但在系统出现暂态过程时，如单相接地的发生和消失等，都会使PT中暂态励磁电流急剧增大，感值下降，于是三相电感值有所不同，在PT的开口三角处出现零序电压。

设L0为PT三相并联的零值电抗，当L0与3C0回路达到固定振荡频率ω0时，将会在系统中产生谐振现象。随着线路的延长，依次发生1/2次分频谐振、高次谐振。当发生谐振时，由于PT感抗显著下降，励磁电流急剧增大，可达到额定值的数十倍，造成PT烧毁或保险熔断。

2.1 分频谐振

当系统发生1/2次谐波时，会使PT开口三角处呈现电压，这可以从PT二次侧开口三角的接线原理分析，其原理接线如图1所示。正常运行时电压相量如图2所示，图中： mn= a+ b+ c=0

考虑PT误差以及三相系统对地不完全平衡，在开口三角处也可能有数值不大的不平衡电压输出，但不足以使接在其上的电压继电器动作。

当系统出现低频谐振时，电压的正弦波形中含有1/2次谐波分量，如以B相为参考相量，则开口三角处的电压为：

mn= a+ b+ c

= mSin ω(t+120o)+ mSin ωt+ mSin ω(t-120o)

= m [Sin( ωt+60o)+ Sin ωt+Sin( ωt-60 o)]

=2 m Sin ωt

=2 b

其相量如图3所示。可见当发生1/2次谐波谐振时，在PT二次侧开口三角处所显现的电压是相电压中1/2次谐波分量的2倍，当这个分量足够大时，就会使接在开口三角处的电压继电器动作，造成单相接地假象。

2.2 三次谐波谐振

当系统出现高次谐波谐振时，以三次谐波谐振为例，此时电压的正弦波形中含有三次谐波分量，仍以B相为参考相量，则PT开口三角处的电压为：

可见当发生三次谐波谐振时，在PT二次侧开口三角处所显现的电压是相电压中三次谐波分量的3倍，当这个分量足够大时，就会使接在开口三角处的电压继电器动作，造成单相接地假象。

3 常用消谐措施的探讨

通过有关研究及在实践中应用证明：在PT的一次侧中性点串接复合电阻消谐器，随着R的增大，谐振的范围缩小，当满足R≥6%Xm时可消除一切铁磁谐振；在PT开口三角绕组接入电阻，相当于在PT的励磁电感之中并入电阻，能够限制和消除谐振。

3.1 PT中性点经消谐器接地

从各配电所安装消谐器运行情况来看，消谐器抑制谐波的效果较为明显。原理图见图4。

图4 10KVPT一次侧中性点经消谐器接地时电气示意图

PT一次侧中性点串入的消谐装置是一种特别配置的非线性复合电阻，它的接入相当于在PT一次侧每相对地都接入电阻，能够起到抑制PT过电压、过电流、阻尼和抑制谐波的作用。

3.1.1 消谐器的消除谐振作用

安装消谐器后，系统感容等效电路可用图5表示。

图5 安装消谐器后系统感容等效电路及分析示意图

回路的电势平衡方程式为：

其中：E——系统等效电势

就其绝对值而言，存在下列关系：

此式可转化为：

令 =E ` ，则式（3）可转化为：

E `

而E `与I的关系也可转化为：

此系一个焦点为（± ，0）的椭园。

式（5）可用图5所示求解。UL与UC+E / 的交点有a1、a2、a3三个点。a1点在UL的线性范围，为稳定工作点；a2点在互感器的饱和区域，为不稳定工作点；a3点为谐振点（由于UC-E / 偏向于第四象限，与UL仅在线性范围有一交点，不在此讨论。）

当不存在消谐器即R=0时，式（4）可化简为：

UL=UC±E

UL与UC+E的交点a4、a5分别为稳定工作点和不稳定点。而UL与UC-E的交点a6即为谐振点。由图5可见，无消谐器R时，谐振点a6处过电流和过电压均增大。

当消谐电阻R足够大，UC+E/ 的曲线如图5中虚线所示。这时，UC+E/ 与UL只在线性范围内有交点，可以消除铁磁谐振。

根据以上分析，可以看出，安装消谐器有利于防止过电流，阻尼铁磁谐振的发生。

3.1.2 消谐器的限制过电压、过电流作用

PT中性点接入消谐器后，可以限制系统在一相接地或弧光接地时流过PT另两相的高压绕组的过电流。如图4PT接线示意图中，当系统C相（或A、B相）发生单相接地时，C相对地电压：UCX=0，在此情况下，若没装消谐器，则：

UAX=UBX=UAC=UBC= Uφ

此时流过A、B两相高压绕组的电流为：

式中：XLE——PT的单相感抗

即I为正常值的3倍。因此，即使系统不发生过电压，单相接地时也可能烧坏另两相的高压绕组。若系统因单相接地而引起过电压，则此电流会更大。

当PT高压侧中性点上安装消谐器后，在C相单相接地时，流过A、B两高压绕组的电流为：

只要当6R2- RXLE>0，即:

时，式中电流值就小于式(1)中的电流值，即通过A、B两相高压绕组的电压受到消谐器R的限制。而实际上消谐电阻的阻值与感抗之比（R/XLE）远大于0.28。因此消谐器的接入，削弱了单相接地时流过非故障相互感器高压绕组的电流，可有效地防止PT过电压和过电流。

3.2 其它消谐措施

3.2.1 PT开口三角绕组接电阻