一种解决中性点不接地系统铁磁谐振问题的新技术

王春萌

（中国水电建设集团路桥工程有限公司四川分公司，成都 610061）

在电力系统中，电磁式电压互感器（以下简称为VT）发生铁磁谐振是一种常发性故障，且可能严重影响系统的安全稳定，为此广大电力工作者早已开展了大量的理论研究并提出了多种消谐措施，并研制了多种原理或型式的专用消谐器。根据有关文献的分析和实践得知，现行的、广泛应用的许多消谐措施和消谐器，其原理都是围绕改善VT自身参数进行的，都不能从根本上消除VT谐振故障，只能说“某种措施在某种情况下有效、而在另一种情况下就可能无效”[1]。

在中性点不接地系统中为实现电网的绝缘监视和接地检测功能，VT必须应用YN，yn0，d11结线、且一次绕组中性点直接接地[2]，于是形成了L-C谐振电路，如图1所示。

图1 中性点不接地系统VT电感与系统电容构成的谐振电路

虽然在教科书[3-4]中提出应用电容式电压互感器（CVT）替代电磁式VT，可以消除L-C谐振电路，从而避免VT谐振的发生，但由于当前国内尚无110kV电压等级以下的CVT产品，同时110kV及以上电压等级CVT因自身具有中间变压器和移相电抗器等电感性元件也同样具有发生谐振故障的可能[5]，因此经过深入的研究和探讨，提出了一种根除VT谐振的技术措施（仅限于中性点不接地系统），同时还研究应用了采用该VT消谐措施以后电网绝缘监视的新技术。

1 VT消谐技术的研究

1.1 VT中性点不接地，消除铁磁谐振

理论和实践证明，诸多消谐改进措施和现有的消谐装置都不能根治铁磁谐振现象的发生。为能从根本上消除谐振，将6～35kV不接地系统中的电压互感器中性点不接地（解除VT一次侧中性点接地线），使系统中不存在L-C谐振回路，仅保留VT的计量、保护功能，从而使电网零序系统不存在发生铁磁谐振的可能，达到根除VT谐振的目的，如图2所示。

图2 VT中性点接地线解除后系统接线原理图

1.2 电容型绝缘监测技术

VT中性点不接地解决了VT谐振问题，但VT二次侧星接绕组只能提供系统线电压，不能检测相电压，开口三角绕组也不能检测3U0电压，也就无法实现电网绝缘监测和接地故障报警功能。

为实现这些功能，可采用阻性（R）或容性（C）元件进行电网绝缘监测的新方法，利用这些元件的线性特性实现上述要求。

1）电阻型绝缘监测方案

电阻型绝缘监测方案如图3所示，在变电站母线上接入一组电阻型分压元件，利用电阻R1、R2串联分压原理，实现电网绝缘监测。

图3 电阻型绝缘监测方案原理图

2）电容型绝缘监测方案

如图4所示，电容型绝缘监测方案是根据电容器的线性伏安特性，通过检测流过电容器的电流信号，将该电流信号转换为电压信号，可以方便地让变电运行人员随时了解系统三相电压的变化情况，同时实现了原电压互感器担负的绝缘监测和向继电保护提供系统接地信息的任务。该方案主要由电容器组1、测量器件2和4、电压显示器3和报警器5组成；电容器组1采用星形接线接于母线上，其中性点接地，测量器件2测量电容器组1的相电流后，由电压显示器4显示系统三相对地电压；测量器件4接于电容器组1的中性线，测量电容器组1的零序电流，通过报警器件5发出接地报警信号。

图4 电容型绝缘监测方案原理图

电容器组1的绝缘与系统电压相适应，可为全绝缘或半绝缘方式。其结构可由三台单相电容器组合而成或选用三相一体式电容器。

在图4中电容器组1每相的电容量均为C，其基频电抗为XC=1/314C。

当系统绝缘正常时，A相、B相、C相对地电压即电容器运行电压为系统相电压，其值为系统线电压UL的由此可知，通过电容器的电流IA=IB=IC=UΦ/XC，此电流按比例变换，可使电压显示器3显示UA=UB=UC=UΦ，为正常电压。

若当A相在某点金属性接地时，根据电工原理，此时A相对地电压为零，所以IA将降低为0，电压显示器3也显示A相电压为AU′=0。而UBO、UCO升高为线电压UL，所以BI′=CI′=UL/XC，为正常运行时相电流的倍，此时仍按比例转换，电压显示器3则显示BU′=CU′=UL，这就达到了与现有绝缘监测装置技术同样的显示效果：接地相电压下降为0，正常相电压较正常值升高倍，由此即可判定接地故障在A相。

报警功能：当系统运行正常时，因三相对地电压（即作用于电容器上的电压）数值相等、相位互差120°，所以零序电流为0，装置无报警信号。当系统发生单相接地，例如仍为A相在某点接地，根据电工原理，零序电流值将升高到正常相电流的3倍即3×UΦ/XC，这与现有技术中反应零序电压变化报警规律一致。由此说明利用电容器组1的零序电流完全可以达到接地报警功能的要求。

3）方案比较

表1 电阻型绝缘监测方案与电容型绝缘监测方案的比较

综合比较上述两种绝缘监测方案，由于电阻型绝缘监测方案存在安全隐患等问题，故选择电容型绝缘监测方案进行研究和实施。

2 电容型绝缘监测技术的现场应用

我公司有一座35kV降压变电站，该站35kV、6kV系统均装有消谐器，但自投运以来，其6kV系统经常发生铁磁谐振现象，每年更换的VT保险约150余只。如2010年4月17日至5月8日仅21天时间，该站就先后出现一个晚上更换30余只VT保险的情况，共造成52只熔断器熔断、6只6kV系统VT过热烧坏故障，消谐器多次报1/2、1/3分频谐振信号。

通过对该变电站6kV系统的参数测试、分析，计算了电网绝缘状态监测的电容器的容量，对电容器、高精度电流/电压传感器等元器件进行选择、加工、测试，并确定接线方式等，在该变电站母线电容器柜上组装一套电容型绝缘监测系统，以检验该方案的实施效果。

2010年10月28日，电容型绝缘监测技术在VT谐振频繁发生的变电站6kV系统投入使用，至今该站未发生铁磁谐振现象。

3 结论

电容型绝缘监测技术，采用一组独立的三相星形接地电容器组，接于变电站母线与地之间，并分别接入电流互感器，利用电容器的线性伏安特性，通过电流、电压转换，测量电网的相对地电压，实现电网绝缘状态监测和接地报警功能。该技术改变了电力系统VT传统接线方式，去掉谐振回路中的电感，取消L-C谐振回路，从根本上杜绝了VT谐振事故的发生。经过4年的研究和现场应用，系统工作良好、运行稳定，解决了中性点不接地系统的铁磁谐振问题，提高了电网运行可靠性，其经济效益、社会效益显著。

[1]王亮.10kV系统中铁磁谐振过电压的计算机仿真研究[J].高压电器,2004,40(4):269-271.

[2]贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理[M].2版.北京:水利电力出版社,1985.

[3]解广润.电力系统过电压[M].北京:水利电力出版社,1985.6.

[4]周泽存.高电压技术[M].北京:水利电力出版社，1991.6.

[5]李红斌，刘延冰，叶国雄，等.电容式电压互感器铁磁谐振的数值仿真[J].高压电器,2004,40(2),124.