基于ATP_EMTP的PT铁磁谐振与消谐措施研究

基于ＡＴＰ－ＥＭＴＰ的ＰＴ铁磁谐振与消谐措施研究

王海棠，窦春霞，王宁，薛辉，贾清泉

（燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛０６６００４）

摘要：基于ＡＴＰ－ＥＭＴＰ对单相接地故障消失及重合闸引起的铁磁谐振现象进行了分析。

关键词：变压器；铁磁谐振；ＥＭＴＰ

中图分类号：ＴＭ４０６文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－８４２５（２００８）０３－００２４－０５

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＰＴＦｅｒｒｏｒｅｓｏｎａｎｃｅａｎｄＲｅｓｏｎａｎｃｅＥｌｉｍｉｎａｔｉｏｎＭｅａｓｕｒｅｓＢａｓｅｄｏｎＡＴＰ－ＥＭＴＰ

ＷＡＮＧＨａｉ－ｔａｎｇ，ＤＯＵＣｈｕｎ－ｘｉａ，ＷＡＮＧＮｉｎｇ，ＸＵＥＨｕｉ，ＪＩＡＱｉｎｇ－ｑｕａｎ

（ＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ０６６００４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎＡＴＰ－ＥＭＴＰ，ｔｈｅｆｅｒｒｏｒｅｓｏｎａｎｃｅｐｈｏｎｏｍｅｎｏｎｃａｕｓｅｄｂｙｄｉｓａｐｐｅａｒ－ａｎｃｅｏｆｅａｒｔｈｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅａｎｄｒｅｃｌｏｓｉｎｇｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；Ｆｅｒｒｏｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ＥＭＴＰ

１引言

我国城乡电网主要有６ｋＶ、１０ｋＶ、３５ｋＶ和６６ｋＶ等几个电压等级，这些系统普遍采用中性点不接地、经消弧线圈接地或经电阻接地等不直接接地方式。系统中有许多带铁心的非线性电感元件（如变压器和电压互感器），这些元件在一定条件下与系统中容性元件会发生铁磁谐振现象。回路参数及外界激发条件的不同，可造成分频、工频或高频铁磁谐振。当铁磁谐振发生时，由于参与谐振的电感元件的铁心严重饱和，会产生谐振过电压和过电流，严重威胁电网的安全运行。

多年来，国内外许多专家学者对铁磁谐振现象做了大量理论研究和试验分析，揭示了铁磁谐振的内在规律，并研发了多种消谐措施，在电网运行中发挥了一定作用。然而，研究还存在诸多不足之处，在实际应用中仍然存在大量的问题。一方面谐振的激发条件与谐振类型之间的关系不明确；另一方面对于各种消谐措施的性能缺乏系统的总结。为此，笔者以ＡＴＰ－ＥＭＴＰ电磁暂态计算程序为试验平台，以单相接地消失和非同期合闸为激发条件，对铁磁谐振进行了全面、细致的研究。在确定激发条件与谐振类型之间关系的同时，着重分析了各种消谐措施的特点。其仿真结果以及相应的结论，对准确判断铁磁谐振的类型有着重要的意义。对各种消谐措施特点的研究总结，为实际工程中线路采取何种消谐措施提供了理论依据。

２ＡＴＰ－ＥＭＴＰ软件介绍

ＥＭＴＰ程序主要用于电力系统中电磁暂态过程的计算，是在原美国邦纳维尔电力局（ＢＰＡ）编制的电磁暂态程序的基础上，由Ｗ．ＳｘｏｔｔＭｅｙｅｒ等开发完善形成的。现已有许多国家使用该程序进行电力系统各种暂态过程的研究，其中ＡＴＰ程序（ＡｌｔｅｒｎａｔｉｖｅＴｒａｎｓｉｅｎｔｓＰｒｏｇｒａｍ）是使用较为广泛的一个版本，ＡＴＰ－ＥＭＴＰ可在大多数类型的计算机上运行。我国于１９８０年初，从美国ＢＰＡ公司引进了ＥＭＴＰ程序，１９８８年引进了微机版电磁暂态计算程序ＡＴＰ，并在此基础上做了一定的修改和完善。

该软件的典型应用，为电力系统在某个扰动（如开关投切或故障）之后，对其感兴趣的变量随时间变化的规律的计算，比如电力系统谐振过电压的计算。此外，ＡＴＰ－ＥＭＴＰ程序还广泛应用于暂态保护装置的综合选择、高压并联电抗器的选择、氧化锌避雷器的选择以及机电暂态的计算。

３铁磁谐振模型的建立

第４５卷第３期

２００８年３月ＴＲＡＮＳＦＯＲＭＥＲＶｏｌ．４５

Ｍａｒｃｈ

Ｎｏ．３

２００８

王海棠、窦春霞、王宁等：基于ＡＴＰ－ＥＭＴＰ的ＰＴ铁磁谐振与消谐措施研究

第３期

ＥＡＥＢＥＣ

Ｃ０Ｃ０Ｃ０

ＺＺＺ

ＬＡ

ＬＢ

ＬＣ

ＡＢＣ

图２铁磁谐振仿真模型

Ｆｉｇ．２Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｆｅｒｒｏｒｅｓｏｎａｎｃｅ

３．１ＰＴ励磁曲线的拟合

各参数标幺值的基准值为：电压幅值ＵＢ＝

８．１６５ｋＶ，电流幅值ＩＢ＝１５ｍＡ，磁链ΦＢ＝ＵＢ.ω

＝２７Ｗｂ，阻抗ＺＢ＝ＵＢ.ＩＢ，ｆ为工频频率。

电流—磁通特性，即ｉ－Φ曲线，真实地反映了非线性电感的励磁特性。仿真时选用９３号元件，磁化曲线依据式（１）确定，拟合后的磁化曲线如图１所示。

ｉ＝４１．３×１０－６ψ＋０．２６４×１０－６ψ

３

（１）

３．２仿真模型的建立

本文中以中性点不接地系统为背景，建立母线

电压互感器与系统对地电容形成的铁磁谐振仿真模型，如图２所示。试验所用电压互感器为ＪＤＺＪ－１０型，其参数如表１所示。

为了计算方便，假设三相线路参数完全对称。线路电阻取０．１Ω，忽略电抗（远小于ＰＴ的激磁阻抗）。

４激发条件

激发铁磁谐振的因素很多，任何瞬时的电压升高都有可能使ＰＴ饱和，导致铁磁谐振现象的发生，本文中主要研究单相接地故障消失和重合闸两个常见因素。

４．１单相接地故障消失

当发生单相接地时，故障点会流过电容电流，非

故障相的相电压升高至线电压，其对地电容上会充以与线电压相对应的电荷。在接地故障期间，此电荷产生的电容电流以接地点为通路，在电源—导线—大地间流通。由于ＰＴ的励磁阻抗很大，其中流过的电流很小，一旦接地故障消失，电流通路就会被断开。而非故障相在接地期间已经充电至线电压电荷，此时就只有通过母线侧ＰＴ绕组，经中性点进入大

地。在这一瞬变过程中，母线侧ＰＴ一次绕组中将会流过一幅值很高的低频饱和电流，导致ＰＴ铁心严重饱和。从而使ＰＴ励磁阻抗急剧下降，与系统对地电容形成参数匹配，引发铁磁谐振，产生铁磁谐振过电压。

当对地电容分别为５μＦ和１０μＦ时，系统发生分频谐振，电压和电流波形如图３和图４所示。

通过仿真，总结出不同对地电容的分频谐振数据如表２所示。

系统发生分频谐振，电压幅值小于正常运行时电压幅值的３．５倍，虽然过电压不高，但是过电流很大，为正常运行的４０倍左右。ＰＴ在如此高的过电流

下运行极易烧毁，所以分频谐振对线路的危害非常大。

６００．０４５０．０３００．０１５０．００．０

１４．３

２８．５４２．８５７．０

磁通量Φ.Ｗｂ

电流ｉ.Ａ

图１ＰＴ磁化曲线Ｆｉｇ．１ＰＴ

ｍａｇｎｅｔｉｃｃｕｒｖｅ

表１ＪＤＺＪ－１０型电压互感器参数

额定电压.ｋＶ

二次负荷.ＶＡ

初级绕组

次级绕组

辅助绕组０．５级

１级３级ＪＤＺＪ－１０４０

８０

１５０

Ｔａｂｌｅ１ＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＪＤＺＪ－１０ＰＴ

２０

１５１０５－５－１０－２０－１５００．０

０．５１．０１．５２．０２．５３．０３．５４．０

时间.ｓ

电压.ｋＶ

５．００３．７５２．５０１．２５０．００－１．２５－２．５０－３．７５－５．００

０．０

０．５１．０１．５２．０２．５３．０３．５４．０

时间.ｓ

电流.Ａ

图３电容为５μＦ时电压、

电流波形Ｆｉｇ．３

Ｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｓｄｕｒｉｎｇ５μ

Ｆｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ２５