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中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)四PT方式綜合機(jī)理研究 摘要： 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的鐵磁諧振是影響其供電可靠性的主要因素之一。由于鐵磁諧振形成的復(fù)雜性，對(duì)于鐵磁諧振的防治難度也非常大，目前常見的方法基本上可以歸納為主動(dòng)防御和被動(dòng)防御兩類。主動(dòng)防御主要是增加電壓互感器對(duì)地阻抗或采用容性電壓互感器等；被動(dòng)防御主要是在互感器二次加阻尼電阻或微機(jī)消諧裝置增強(qiáng)對(duì)諧振發(fā)生的阻尼等。在這些措施中，電壓互感器四PT接線方式是一項(xiàng)非常有效的措施，但是在以往的研究中只側(cè)重零序PT本身增加對(duì)地阻抗的作用，將零序PT與電壓互感器二次△繞組的作用分開討論，忽略了△繞組對(duì)鐵磁諧振的阻尼和消諧作用,實(shí)際上它們發(fā)揮的作用是綜合性的。通過本文的研究認(rèn)為該接線方式對(duì)于保證中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間接地故障下安全運(yùn)行和消除系統(tǒng)鐵磁諧振具有很好的效果，具有其他消諧措施無法比擬的作用。 關(guān)鍵詞：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng) ；鐵磁諧振；電壓互感器；接線方式；零序PT；消諧 引言： 勝利油田電網(wǎng)共有35kV~220kV變電站179座，電力線路5300km。其中6~35kV線路510條，3800km。年平均接地障礙500多次,平均每條線路一次以上,對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重的影響,每年因接地引起的鐵磁諧振造成的損失以百萬元計(jì).因此,研究鐵磁諧振的防治對(duì)于提高油田電網(wǎng)的可靠性,保證油田原油生產(chǎn)的正常運(yùn)行有重大的意義。 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在提高供電可靠性方面較中性點(diǎn)接地系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢(shì)；但由于系統(tǒng)中接有電壓互感器等對(duì)地電感元件，在系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)，易發(fā)生鐵磁諧振過電壓[1-2]，基波和高次諧波諧振過電壓可達(dá)3~4；分頻諧振過電壓可達(dá)2[3]。為防治鐵磁諧振過電壓，各種措施層出不窮，大致可以分為兩類：一類是改變系統(tǒng)電感電容參數(shù)，使其遠(yuǎn)離諧振的匹配條件，從而不容易激發(fā)諧振；另一類是消耗諧振的能量，阻尼抑制或消除諧振的發(fā)生[4]。常見的有：微機(jī)消諧裝置、電壓互感器開口三角加阻尼電阻、高壓側(cè)中性點(diǎn)加非線性阻尼電阻、電壓互感器加裝零序互感器等等,它們的實(shí)踐運(yùn)行效果也不盡相同。電壓互感器加裝零序互感器的接線方式克服了其它抑制鐵磁諧振方法的缺點(diǎn)[5-16]。大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,該接線方式對(duì)防止鐵磁諧振的發(fā)生是有效的[17-18]。 對(duì)于電壓互感器四PT的研究，過去大都放在零序PT的高壓阻抗對(duì)于諧振的阻尼作用方面，而忽視了四PT接線方式零序PT與電壓互感器二次△繞組配合發(fā)揮消諧綜合作用的原理。本文著重對(duì)因電壓互感器產(chǎn)生的鐵磁諧振機(jī)理和電壓互感器加裝PT消諧原理進(jìn)行理論研究。 為了敘述方便，在本文中將三相電壓互感器稱為電壓互感器；將中性點(diǎn)的電壓互感器稱為零序PT；將有零序PT的電壓互感器接線方式稱為四PT接線方式；將沒有零序PT的電壓互感器接線方式稱為三PT接線方式。 關(guān)于四PT接線方式當(dāng)前有一些普遍的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，在此一并糾正。主要的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)有以下兩點(diǎn)： a)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，簡(jiǎn)單的認(rèn)為三角形接線處有約25V零序電壓。 b)、當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，閉合三角形繞組內(nèi)有很大的環(huán)流，容易燒毀PT。 這兩種認(rèn)識(shí)造成了對(duì)四PT接線方式應(yīng)用的擔(dān)心和不確定性，不合理的改變接線方式和在三角形處增加元件造成接線復(fù)雜化，使零序PT降低抵御零序電壓的效果。 一、電磁式電壓互感器飽和過電壓的機(jī)理 在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，為了監(jiān)視三相對(duì)地電壓和計(jì)量、電壓保護(hù)的需要，變電站母線上接有Y接線的電磁式電壓互感器，電壓互感器的接線方式普通為三PT接線方式，圖1a虛框內(nèi)所示。于是，網(wǎng)絡(luò)對(duì)地參數(shù)除了電力設(shè)備和導(dǎo)線的對(duì)地電容C0之外，還有PT的勵(lì)磁電感L，如圖1b所示。正常運(yùn)行時(shí)，電壓互感器的勵(lì)磁阻抗是很大的，所以網(wǎng)絡(luò)對(duì)地阻抗呈容性。三相基本平衡，電網(wǎng)中性點(diǎn)O的位移電壓很小接近零。但系統(tǒng)中出現(xiàn)某些擾動(dòng)，電網(wǎng)中性點(diǎn)就有較高的位移電壓，即OO，之間產(chǎn)生較高的電壓，使電壓互感器三相電感飽和程度不同[19]，飽和程度低的相對(duì)地呈容性；飽和程度過高的相對(duì)地呈感性，這時(shí)就可能激發(fā)鐵磁諧振，從而引起過電壓。如圖1b所示。 常見的使電壓互感器產(chǎn)生飽和的情況,即所謂的系統(tǒng)擾動(dòng)有：電壓的突然送電，使其某一相或兩相繞組內(nèi)出現(xiàn)巨大涌流；由于雷擊、導(dǎo)線碰樹、導(dǎo)線掛異物、導(dǎo)線斷線電源側(cè)接地或其他原因線路瞬間單相弧光接地，使健全相電壓突然升至線電壓，而故障相在接地消失時(shí)又有可能有電壓的突然上升，在這些暫態(tài)中也會(huì)有很大涌流；傳遞過電壓，例如高壓繞組發(fā)生單相接地或不同期合閘，低壓側(cè)有傳遞過電壓使電壓互感器飽和等等。 由于電壓互感器的三相電感飽和程度不同，會(huì)出現(xiàn)電壓互感器的一相或兩相電壓升高，也可能三相電壓同時(shí)升高。與此同時(shí)，電源變壓器繞組電勢(shì)、和則維持不變，它們是由發(fā)電機(jī)的正序電勢(shì)所決定的。由于通常情況下電壓互感器中性點(diǎn)是直接接地的，因而，整個(gè)電網(wǎng)對(duì)地電壓的變動(dòng)表現(xiàn)為電源中性點(diǎn)“O”的位移,這與系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)單相接地時(shí)的現(xiàn)象相仿,但實(shí)際上并不是單相接地,所以稱為虛幻接地,又稱為電網(wǎng)中性點(diǎn)位移現(xiàn)象。中性點(diǎn)位移電壓越高,相對(duì)地電壓越高,電壓互感器飽和程度越高。 從以上分析可知，引起電壓互感器飽和的主要根源是系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)零序電壓，而電壓互感器的飽和會(huì)使系統(tǒng)對(duì)地的感抗降低，引起鐵磁諧振。又由于鐵芯的飽和會(huì)引起電流、電壓波形畸變，產(chǎn)生諧波，故也可能產(chǎn)生諧波諧振過電壓。 通常電壓互感器的三PT接線方式的零序網(wǎng)絡(luò)見圖2。為方便分析，由于電壓互感器負(fù)荷阻抗很大接近空載阻抗，圖中忽略了電壓互感器負(fù)荷阻抗對(duì)零序電壓的影響；由于電壓互感器的電阻遠(yuǎn)小于電抗，忽略電阻對(duì)零序電壓的影響。 X1為電壓互感器高壓側(cè)電抗；Xlc0為零序激磁電抗。由于電壓互感器為三相五柱式或單相互感器組，零序磁通能在鐵芯中順暢流通，因此零序激磁電抗與電壓互感器的空載電抗相等。 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生前述的擾動(dòng)發(fā)生中性點(diǎn)位移，即產(chǎn)生零序電壓時(shí)，零序電壓幾乎全部作用在電壓互感器上產(chǎn)生零序磁勢(shì)與電網(wǎng)電源電壓產(chǎn)生的磁勢(shì)的相量和共同對(duì)互感器激磁，造成電壓互感器飽和，各相電壓互感器的飽和程度與相量和的大小有關(guān)。 單相穩(wěn)定接地是一個(gè)特例，圖3是穩(wěn)定單相接地時(shí)的電勢(shì)相量圖，如A相接地。 圖3 、、分別為電源施加在電壓互感器的三相電壓； 為中性點(diǎn)位移電壓，亦即零序電壓。 由于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)接地短路電流很小，因此，根據(jù)對(duì)稱分量法，正序電壓約等于電源電勢(shì)，負(fù)序電壓約等于零，零序電壓約等于。 可見B相和C相電壓互感器的電壓為電源電壓和零序電壓的相量和，即線電壓和。 根據(jù)GB1207-2006《電磁式電壓互感器》中規(guī)定，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電磁式電壓互感器的額定電壓因數(shù)值為1.9倍,8小時(shí)[20]。 表1為目前市場(chǎng)上JDZJ-10電壓互感器勵(lì)磁特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從表中可以看出，在1.9倍額定電壓時(shí)勵(lì)磁電流是額定電壓時(shí)的14.6倍，說明在1.9倍額定電壓時(shí)電壓互感器鐵芯已進(jìn)入飽和區(qū)。圖4為根據(jù)表1數(shù)據(jù)JDZJ-10型電壓互感器的伏安特性曲線。 表1 施加電壓（V） 57．7 110 電流（A） 0．13 1．9 圖4 在穩(wěn)定的單相接地，并且電壓互感器鐵芯質(zhì)量合格時(shí)，電壓互感器是能夠耐受線電壓的。但是若系統(tǒng)電壓較高(正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)電壓可能達(dá)1.1倍的線電壓或更高些),或電壓互感器鐵芯質(zhì)量較差，或發(fā)生間歇性接地，或產(chǎn)生電弧接地過電壓，或發(fā)生系統(tǒng)電壓擾動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致電壓互感器鐵芯過飽和，導(dǎo)致保險(xiǎn)熔斷，甚至激發(fā)鐵磁諧振燒毀電壓互感器。 二、電壓互感器四PT接線方式防止鐵磁諧振原理分析 電壓互感器四PT接線方式如圖5所示。 圖5 當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生零序電壓時(shí)，電壓互感器每相的零序電壓在高壓側(cè)產(chǎn)生零序磁勢(shì)，在鐵芯中便有零序磁通流通[21]。由于互感器鐵芯中有零序磁通，因此在△側(cè)產(chǎn)生零序感應(yīng)電勢(shì)，△側(cè)便有零序電流，該零序電流的作用是抵消高壓側(cè)的零序磁通，因此從高壓側(cè)看電壓互感器的零序電抗很小，約等于短路阻抗[22]?！鱾?cè)產(chǎn)生的零序感應(yīng)電勢(shì)等于△側(cè)繞組漏抗上的零序電壓降與高壓側(cè)的感應(yīng)電勢(shì)相等?！鱾?cè)閉合使得互感器的鐵芯一旦產(chǎn)生零序磁通隨即被消磁不會(huì)產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，從而不會(huì)發(fā)生因電壓互感器飽和引起的鐵磁諧振。 四PT接線方式等效零序網(wǎng)絡(luò)如圖6所示: 為方便分析，由于電壓互感器負(fù)荷阻抗很大接近空載阻抗，忽略電壓互感器負(fù)荷阻抗對(duì)零序電壓的影響；由于電壓互感器的電阻遠(yuǎn)小于電抗，忽略電阻對(duì)零序電壓的影響。 圖6 XⅠ為電壓互感器高壓側(cè)漏抗；XⅡ?yàn)椤鱾?cè)歸算到高壓側(cè)的漏抗；Xlc0為電壓互感器的零序激磁電抗；Xlcn為零序PT的零序激磁電抗。 由于電壓互感器為三相五柱式或單相互感器組，零序磁通能在鐵芯中順暢流通，因此零序激磁電抗與電壓互感器的空載電抗相等； 下面幾種主要的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)討論中性點(diǎn)加裝零序PT后對(duì)于系統(tǒng)安全運(yùn)行和防止鐵磁諧振過電壓的作用。 1、系統(tǒng)單相接地 a)接地瞬間電壓互感器的情況 正常運(yùn)行時(shí)零序PT的電壓為零。系統(tǒng)發(fā)生單相接地瞬間,假設(shè)A相接地，如圖5所示，產(chǎn)生零序電壓。該零序電壓幾乎全部加在零序PT上[23]，零序PT會(huì)產(chǎn)生涌流，導(dǎo)致零序PT鐵芯出現(xiàn)一定程度的飽和。 絕大多數(shù)接地故障,都發(fā)生在相電壓經(jīng)過最大值的瞬間[21],一般情況下電壓互感器不會(huì)在接地瞬間產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。為了說明問題，對(duì)最嚴(yán)重的情況進(jìn)行分析。最嚴(yán)重的情況是接地瞬間故障相電壓過零，會(huì)導(dǎo)致零序PT嚴(yán)重飽和，使零序PT的對(duì)地阻抗大大降低，零序PT的Xlcn降為漏抗，用Xn表示。PT的過飽和使得零序電壓重新分配，零序網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。 由于電壓互感器△繞組對(duì)零序磁通的去磁作用，使電壓互感器零序阻抗很小，等于電壓互感器的漏抗，零序電壓在電壓互感器上的分壓依然不大，互感器鐵芯不會(huì)飽和。接地瞬間電壓互感器的零序電流和零序電壓分別為： ； 經(jīng)過幾個(gè)周波后，零序PT的阻抗迅速恢復(fù)為激磁阻抗，零序電流也隨之迅速降為三分之一的零序PT的相電壓下的勵(lì)磁電流。達(dá)到穩(wěn)定接地狀態(tài)。實(shí)際上，在此瞬態(tài)過程中，受電壓互感器正序和負(fù)序阻抗的影響，零序電壓要小于，勵(lì)磁涌流也比電壓互感器在相電壓下的勵(lì)磁涌流小很多。由于是幾個(gè)周波的瞬變過程，電壓互感器不會(huì)損壞。 如果此時(shí)△側(cè)開路，相當(dāng)于圖6的斷開,由于失去了對(duì)電壓互感器零序磁通的去磁能力，電壓互感器的零序電抗為激磁電抗，在系統(tǒng)接地的瞬變過程中，非故障電壓互感器與零序PT會(huì)先后飽和，如果飽和程度過高，會(huì)引起鐵磁諧振過電壓，因此△繞組開路或增加負(fù)載都會(huì)降低或喪失四PT接線方式的消諧作用。 b）系統(tǒng)穩(wěn)定接地后電壓互感器的情況 系統(tǒng)經(jīng)過過渡過程后產(chǎn)生零序電壓約等于，由于△側(cè)短接對(duì)電壓互感器鐵芯零序磁通的去磁作用，電壓互感器的零序阻抗很小，等于電壓互感器的漏抗，因此零序電壓幾乎全部加在零序PT上。由于電壓互感器沒有零序電壓，電壓互感器的中性點(diǎn)幾乎不發(fā)生偏移，與正常運(yùn)行狀態(tài)幾乎一樣。與正常運(yùn)行狀態(tài)不同的是，零序PT也有相電壓。此時(shí)，電壓互感器△側(cè)的零序電流約為零序PT勵(lì)磁電流的三分之一（注意此零序電流為△繞組對(duì)鐵芯零序磁通消磁的電流）；電壓互感器的零序電壓為： 所以，電壓互感器在穩(wěn)定接地時(shí)能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，不受規(guī)程規(guī)定的接地時(shí)間不允許超過兩小時(shí)的時(shí)間限制，并且維護(hù)人員有更長(zhǎng)的時(shí)間處理事故。 如果此時(shí)電壓互感器的△側(cè)開路，△回路中不再有電流，電壓互感器上出現(xiàn)一定的零序電壓，在此零序電壓作用下，鐵芯中產(chǎn)生零序磁通，鐵芯受相電壓和該零序電壓的相量和共同激磁，非故障相鐵芯中磁通增加，工作點(diǎn)升高。 電壓互感器上的零序電壓為： 約等于，此時(shí)的電壓相量圖見圖7 圖7 電壓互感器非故障相的電壓數(shù)值上約為1.15Uφ。開口三角形兩端有25V電壓。故障相電壓互感器和零序PT的電壓為。與△繞組短接相比非故障想略有升高，電壓互感器鐵芯磁密工作點(diǎn)略有提高。 c)接地消失接地后，零序PT電壓為零，各相電壓互感器電壓為正常運(yùn)行的相電壓，狀態(tài)不發(fā)生變化。再次接地時(shí)重復(fù)以上的過程。 d)三PT接線方式發(fā)生頻繁單相接地時(shí)，非故障相在接地瞬間、故障相在接地消失瞬間都會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流使電壓互感器出現(xiàn)過飽和，容易造成保險(xiǎn)熔斷，甚至引發(fā)鐵磁諧振。 2、電壓互感器合閘送電 電壓互感器合閘送電瞬間，產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，三相互感器的飽和程度不同，使電源中性點(diǎn)與電壓互感器中性點(diǎn)OO’之間產(chǎn)生電壓。由于電源中性點(diǎn)是絕緣的，該電壓幾乎全部加在三相電壓互感器上，△繞組產(chǎn)生較大的對(duì)零序磁通的去磁環(huán)流，但由于只有幾個(gè)周波的時(shí)間，互感器不會(huì)損壞；隨著勵(lì)磁涌流的消失，互感器恢復(fù)正常工作狀態(tài)。在此過程中，零序PT的零序電流很小，不會(huì)飽和，保持對(duì)地很大的感抗，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生鐵磁諧振。 3、系統(tǒng)因斷線或其他原因發(fā)生鐵磁諧振過電壓 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振過電壓時(shí)，產(chǎn)生很高的零序電壓，基波和高次諧波諧振過電壓可達(dá)3~4；分頻諧振可達(dá)2。該電壓幾乎全部加在零序PT上，使零序PT飽和。電壓越高，零序PT的飽和程度越高，零序PT的阻抗降低，△繞組對(duì)諧振的阻尼作用越強(qiáng)。當(dāng)電壓高到使零序PT過飽和時(shí)，接近中性點(diǎn)經(jīng)小阻抗接地狀態(tài)，△繞組的阻尼作用最大，從而消除鐵磁諧振。鐵磁諧振消失后，零序PT阻抗恢復(fù)到正常狀態(tài)，電壓互感器恢復(fù)到正常運(yùn)行。 以上的消諧過程與微機(jī)消諧裝置的消諧過程類似，不同的是微機(jī)消諧裝置的原理是檢測(cè)諧振電壓和頻率，當(dāng)某一頻率的電壓到達(dá)一定數(shù)值時(shí)使接在開口三角形或零序PT二次線圈上的雙向可控硅導(dǎo)通，短接開口三角形或零序PT二次繞組，使△側(cè)產(chǎn)生強(qiáng)大的阻尼消除鐵磁諧振。為區(qū)分單相接地，一般基頻啟動(dòng)電壓值定為150V，而低于150V的基頻過電壓不會(huì)啟動(dòng)，造成了150V以下的諧振基頻諧振過電壓無法消除。 而電壓互感器四PT接線方式是隨著零序PT的飽和程度的變化自動(dòng)調(diào)整消諧狀態(tài)，起到了對(duì)鐵磁諧振的主動(dòng)防御作用。 三、結(jié)論 通過以上的分析說明四PT接線方式對(duì)于防止鐵磁諧振有非常有效的作用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1、對(duì)于電壓互感器的四PT接線方式來說，由于△繞組短接可對(duì)除基頻正序、負(fù)序以外的所有頻率的零序磁通消磁，使電壓互感器的鐵芯在任何情況下都處于非飽和狀態(tài)，從而使電壓互感器的對(duì)地感抗很大，基本上消除了因電壓互感器飽和引起的鐵磁諧振。 2、由于零序PT的非線性，可以在系統(tǒng)因其它原因產(chǎn)生鐵磁諧振時(shí)，使△繞組產(chǎn)生阻尼電流，消除鐵磁諧振，阻尼電流的大小根據(jù)諧振的情況隨零序PT的飽和程度自動(dòng)調(diào)節(jié)。 3、在有的情況下，由于△繞組的消磁電流太大的依然會(huì)發(fā)生高壓保險(xiǎn)熔斷，但這正發(fā)揮了保險(xiǎn)對(duì)電壓互感器的保護(hù)作用，并不影響 四PT接線方式的消諧作用。 4、電壓互感器四PT接線方式與其它消諧措施相比提高了電網(wǎng)的主動(dòng)防御鐵磁諧振的能力，起到阻止鐵磁諧振的作用，而其他措施大都是被動(dòng)的防御。 參考文獻(xiàn) [1]謝廣潤(rùn)，電力系統(tǒng)過電壓[M].北京：水利電力出版社，1985. 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