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
PT开口三角绕组接电阻的电气原理图见图6。

图6 10 kV PT开口三角接电阻的电气示意图
由于电阻接在开口三角绕组两端，必然会导致一次侧电流增大，也就是说PT的容量要相应增大。

从抑制谐波方面考虑，R值越小，效果越显著，但PT的过载现象越严重，在谐振或单相接地时间过长时甚至会导致保险丝熔断或PT烧毁。

一般来说接入10 kV PT开口三角绕组的电阻取16.5～33Ω。

3.2.2 PT开口三角绕组接分频消谐装置
配电所采用的开口三角绕组接可控硅分频消谐装置的原理图见图7。

图7 开口三角绕组接可控硅分频消谐装置的原理图
在电网出现雷电过电压或操作过电压时，该电路VSO端电压和触发脉冲反相，VSO不能导通。

当发生单相接地故障时，VSO虽有工频电压但无触发脉冲，仍不能导通。

仅当电网中发生分频铁磁谐振时，VSO才会导通，三角绕组被短接，铁磁谐振在强烈的阻尼作用下迅速消失，当谐振消失后，VSO恢复到阻断状态。

在实际运行中，上述两种装置仍不能有效避免谐振的发生及保险熔断。

在谐振发生或线路单相接地时PT一次侧电流显著增大及因本身元件故障而失去消谐作用是上述两种装置的主要缺陷。

3.2.3 采用抗谐振型PT或在PT中性点串单相PT
采用抗谐振型PT和在PT中性点串单相PT原理相同，电气原理见图8。

图8 抗谐振型PT的电气原理图
假设L0与L1、L2、L3具有相同的伏安特性，则此时PT的励磁电抗Xm=XL1+XL0' ，所以L0的接入主要有以下三个优点：
1) Xm显著增大，比较易实现XC0/Xm≤0.01这个条件，使系统扰动时不致于发生谐振。

2) L0接入后，加在非故障相PT绕组的电压下降至接近相电压，不会饱和，从而杜绝了谐振的发生。

3) 由L0二次绕组电压继电器作接地指示装置，在单相接地时其输出电压为75 V，可按此值进行整定计算，从而保证了接地指示装置的灵敏度。

若中性点串入PT的励磁电抗XL0远大于XL1值，则效果更佳。

此时加在非接地相L1和L2、故障相L3、中性点PT的L0绕组的电压全部等于相电压5.77 kV，肯定不会饱和，而且接地指示装置可获得的输出电压可达100 V。

4. 结论
通过前面的讨论，我们可知道在PT中性点加消谐器、采用抗谐振型PT或在中性点串单相PT的方法，在线路单相接地时能够使PT各相绕组电压均能保持在正常相电压附近而不会饱和，从而很好地抑制铁磁谐振，降低PT一次侧电流，同时亦保持了接地指示装置对零序电压幅值和相位的灵敏度，其优点较为突出。

我段于2000年8月份对10KV配电所母线PT进行了改造，在其一次侧中性点上加装了消谐器，改造后效果明显，运行至今未出现过PT保险熔断与“虚幻接地”现象。