中性点绝缘系统电压互感器三角形绕组短路问题分析

李云阁，王倩，蒲路，马军，高宇，王南

（1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安　710054；2.西安理工大学，陕西西安　710048；3.国网甘肃省电力公司，甘肃兰州　730050）

中性点绝缘系统电压互感器三角形绕组短路问题分析

李云阁1，王倩2，蒲路1，马军3，高宇1，王南1

（1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安710054；2.西安理工大学，陕西西安710048；3.国网甘肃省电力公司，甘肃兰州730050）

中性点绝缘系统中在电压互感器（PT）一次侧中性点接消谐电阻（消谐电阻）是较常采用的抑制铁磁谐振措施。当PT二次三角形绕组误接短路时，互感器和消谐电阻烧毁，此时往往误认为事故原因为采取消谐措施不当或发生了铁磁谐振。通过实验室和ATP两种方法模拟，明确互感器和消谐电阻烧毁系由PT二次三角形绕组短路所致。同时，通过实验室测量数据，计算得PT漏抗为激磁电抗的0.29%，在涉及同类PT时可用该数据估算其漏抗。除此之外，模拟得到当系统发生单相接地时消谐电阻的电压和功率，可为消谐电阻的制造、选用及标准制定提供参考。

ATP，铁磁谐振抑制；中性点绝缘系统；电压互感器；漏抗

电力系统大量使用电磁式电压互感器（potential transformer，简称PT），由于铁芯材料的非线性，容易导致铁磁谐振，损毁设备［1-3］。为了抑制这种谐振，在中性点绝缘系统中较多采用的方法是在PT一次侧中性点与地之间接一非线性电阻［4-6］，国家电网公司为此颁布了相应技术标准［7-10］。

PT二次侧三角形绕组应一端接地，两端开路，两端开路电压即为系统的零序电压［11-13］。一次系统正常运行时，零序电压为零伏或接近零伏。当中性点绝缘系统一次系统发生单相接地故障时，系统零序电压约为100 V［14-18］。倘若此刻三角形绕组两端被误接短路，在PT一次绕组及二次三角形绕组中的电流将远远超过绕组的短时允许电流。如在PT一次侧中性点与地之间安装有抑制铁磁谐振的消谐电阻，虽短路电流有所降低，但仍远超允许电流，且消谐电阻中消耗功率也远远大于规定值。类似情况时有发生，事故原因往往错误归咎于消谐电阻配置不当而导致了铁磁谐振，为此而拆除了消谐电阻，但之后事故仍然继续发生。

通过实验室物理模拟和ATP数字模拟中性点绝缘系统发生单相接地故障，在PT二次侧三角形绕组开路、短路情况下，得到PT一、二次侧及PT一次侧中性点消谐电阻上的有关电压、电流和功率。本文将详细介绍模拟过程，分析结果数据，以还事故真想，澄清工程中的误解。除此之外，目前消谐器大量用于中性点不接地系统，有关标准还有待完善，文中有关数据可用于进一步分析消谐器参数。

1　被模拟电路

首先在实验室对一10 kV系统进行物理模拟，利用物理模拟得到的参数再进行ATP数字模拟验证和进一步分析。

图1　被模拟系统Fig.1　System simulated

被模拟10 kV系统如图1所示，包括电源、PT、消谐电阻、以及测量PT一、二次绕组电压和电流的表计。C用来模拟一次系统电容，10 kV断路器K用来模拟一次侧单相接地。AO、BO、CO为PT一次侧绕组，ax、by、cz为PT二次侧三角形绕组，二次侧与地之间绕组保持开路，不需考虑。I1为PT一次绕组中性点与地之间的电流，I2为三角形绕组中的电流，U2为二次三角形绕组两端电压。

T：0.4/10.5 kV 250 kV·A配电变压器；K：10 kV断路器；C：模拟一次系统电容；R1：LXQ消谐器；R2：模拟三角形绕组开路、短路电阻。

1.1电源

电源为0.4/10.5 kV 250 kV·A配电变压器。ATP模拟计算时取系统电势10.5 kV，系统阻抗2.0+ j10.0。由于PT的激磁电抗、漏抗远大于系统阻抗，故系统阻抗影响甚微。

1.2PT

型号：JZDJ-10。

变比：一次绕组与二次三角形绕组间变比为k=

PT的电压-电流特性通过实测获得，在PT一次侧施加电压，实测电压、电流见表1。利用ATP将PT的电压-电流特性转换为磁通-电流特性，见表2。

表1　实测PT电压-电流特性Tab.1　Measured PT V-I characteristics

表2　PT磁通-电流关系Tab.2　PT flux-current relationship

1.3消谐电阻R1

消谐电阻为目前常用的LXQ消谐器［16］，其电压-电流特性见表3。将表中数据拟合为指数形式

式中：i为流过消谐电阻的电流，A；u为消谐电阻上的电压，V。

表3　消谐电阻的电压-电流关系Tab.3　V-I characteristics of the ferroresonanceconstraining resistance

1.4线性电阻R2

在使用ATP进行模拟时，PT二次侧三角形绕组先后接入大、小线性电阻R2，以模拟开路和短路2种状态。

2　实验室模拟

在实验室模拟PT一次侧系统单相接地，考虑到消谐电阻中消耗的功率较大，试验持续时间短。

模拟情况如下：

1）PT一次侧中性点接地方式：直接接地、通过消谐电阻接地；

2）PT二次侧三角形绕组开路、短路。

上述共有4种组合工况。在实验室模拟工况中包括了PT中性点直接接地的情况，一是为了通过PT两侧电流的折算对试验系统本身进行校核，二是为了获取PT的漏电抗以用于ATP模拟。在各组合下实际测得有关电流、电压见表4。

表4　PT一次侧单相接地时有关电压、电流实测有效值Tab.4　Voltage and current RMS with a phase-ground fault on the primary side of PT

1）PT一次侧中性点直接接地；

2）PT一次侧中性点通过消谐电阻接地。

2.1PT电流分析

1）PT中性点与地之间的电流I1为一次侧零序电流的3倍。当PT一次侧中性点直接接地、二次三角形绕组短路时，实际测量得

则实测一次侧零序电流为

折算到二次三角形绕组中电流为

2）当PT一次侧中性点通过消谐电阻接地、二次三角形绕组短路时，实测

则有

在1）、2）2种情况下的二次电流折算值与表4中实测结果吻合很好。

2.2漏电抗计算

利用表4中的实测数据，可以计算PT的漏抗。当PT一次侧中性点直接接地、二次三角形绕组短路时，一次侧零序电流I0，1=416.7 mA，一次侧零序电压，则PT的漏抗为

因为PT绕组电阻远小于漏电抗，所以PT的漏电抗

由表1得PT的激磁电抗为

则有

即在工频相电压下，PT漏抗为激磁电抗的0.29%。在某些情况下，需要电压互感器漏抗来计算故障电流，而漏抗实测数据往往比较缺乏。这一数值可以用来估算同类型其他PT的漏抗。

3　ATP模拟

考虑PT一次侧中性点通过消谐电阻接地、系统发生单相接地，用ATP分别模拟PT二次侧三角形绕组开路、短路。

3.1PT二次侧三角形绕组开路

正常情况下，PT二次侧三角形绕组开路。如果此时系统一次侧发生单相接地，PT中性点电压及消谐电阻上电压将上升。中性点绝缘系统允许单相接地运行数小时［18］，因此系统单相接地工况是消谐电阻的长期运行工况，模拟该工况有着重要的实际意义。

通过ATP模拟计算，得消谐电阻上电压U随时间t变化情况如图2所示。消谐电阻电压最大值为1 190.1 V，电流最大值为14.4 mA，功率为9.1 W。

图2　消谐电阻上电压波形（PT三角形绕组开路，一次侧系统单相接地）Fig.2　Waveform of the voltage on the ferroresonanceconstraining resistance（with PT delta windings open，and phase-ground fault on the primary side）

消谐电阻电压、电流中含有谐波成分，但比例不高，近似计算中可忽略谐波。因此，用ATP模拟所得消谐电阻电压、电流计算消谐电阻消耗功率近似为1 190.1×0.014 4÷2=8.6 W，这一数值与ATP直接计算得到的结果9.1 W接近。

消谐电阻中电流模拟计算有效值为，前文实测结果为10.5 mA，也吻合较好。

3.2PT二次侧三角形绕组短路

用ATP模拟一次侧发生单相接地故障、PT二次侧三角形绕组短路。图3为消谐电阻上的电压U-时间t波形，电压最大值为6 861 V，接近正常运行相对地电压峰值。图4为二次三角形绕组中的短路电流波形，电流中各次谐波值见表5。电流总有效值为40.392=28.56 A，前文实测结果为30 A，两者吻合较好。模拟计算表明，此时消谐电阻的功率为2 585 W。

图3　消谐电阻上电压波形（PT三角形绕组短路，一次系统单相接地）Fig.3　Waveform of the voltage on the ferroresonanceconstraining resistance（with PT delta windings shortcircuited，and phase-ground fault on the primary side）

图4　PT三角形绕组中电流波形（PT三角形绕组短路，一次系统单相接地）Fig.4　Waveform of the current through the PT（with PT delta windings short-circuited，and phase-ground fault on the primary side）

表5　一次侧发生单相接地故障时PT三角形绕组短路电流Tab.5　Current through the delta windings with a phaseground fault on the primary side of PT

4　模拟结果分析及预防措施

试验中PT的额定容量为40 VA，最大容量为300 VA。则三角形绕组短时最大允许电流为，其中表示每相三角形绕组上的零序电压为33.3 V。而物理模拟、ATP模拟的结果是：如三角形绕组短路，当一次侧发生单相接地时，三角形绕组中的短路电流达到30 A，大于短时最大允许电流。因此，如果单相接地故障不及时清除，PT损毁无疑。

这种情况下不仅PT损毁，消谐电阻也会受到严峻考验。ATP模拟结果表明此时消谐电阻的功率为2 585 W，但一般消谐电阻的2 h耐受功率约为800 W。如单相接地故障持续时间较长，消谐电阻亦被烧毁，此时往往误认为事故因采用消谐电阻导致、或因消谐电阻参数配置不当导致。

为此，提出预防措施如下：

1）防止PT三角形绕组短路。由于正常情况下系统三相总会存在不平衡，因此三角形绕组两端总存在几伏电压。如果三角形绕组两端电压为零或接近零，表明三角形绕组可能短路。另外，正常时三角形绕组两端电压很小，由此认为即使三角形绕组两端短路也不会影响设备运行的想法是错误的，因为系统一次侧单相接地时三角形绕组中电流远超允许值。

2）如在PT三角形绕组两端也接有消谐电阻，注意其动作电压必须大于100 V，以免系统一次侧单相接地时消谐电阻动作而导致三角形绕组短路。

5　结论

分别在实验室中和通过ATP模拟10 kV中性点绝缘系统中一次系统单相接地故障，模拟情况为电压互感器（PT）三角形绕组开路或短路。如果PT一次侧中性点通过消谐电阻接地，模拟结果表明：

1）当系统一次侧发生单相接地、PT三角形绕组开路时，消谐电阻上的最大电压为1190.1V，功率为9.1W。

2）当系统一次侧发生单相接地、PT三角形绕组短路时，三角形绕组中电流为30 A、消谐电阻消耗功率为2 585 W，均远远超过规定值。

3）PT的漏电抗为其励磁电抗的0.29%，该值可用来估算同类PT的漏抗。

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（编辑黄晶）

Analysis of Short-Circuit Fault Occurring at PT Delta Windings in Neutral-Isolated Systems

LI Yunge1，WANG Qian2，PU Lu1，MA Jun3，GAO Yu1，WANG Nan1
（1.State Grid Shaanxi Electric Power Research Institute，Xi'an 710054，Shaanxi，China；2.Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，Shaanxi，China；3.State Grid Gansu Electric Power Company，Lanzhou 730050，Gansu，China）

In neutral-isolated systems，the common practice to constrain ferroresonance is to insert a nonlinear resistance between the neutral point of the primary side of a potential transformer（PT）and the ground.If the delta windings on the PT secondary are short-circuited by mistake，the PT and the nonlinear resistance may be destroyed.The incident is often wrongly considered as the consequence of inappropriate ferroresonance-constraining means or ferroresonance.This paper presents the results of both full-scale simulation in laboratory and digital simulation with ATP where the short-circuit is identified as the cause of the incident.By using data acquired from the laboratory measurement，the leakage inductance of the PT is calculated to be 0.29%of its exciting inductance.This value is recommended for estimation of the leakage inductance of the PTs of the same type.In addition，values of voltage and power consumption related to the ferroresonance-constraining resistance are acquired，which can be referenced to in the manufacture and selection and the standard drafting of the ferroresonance-constraining resistor.

ATP；ferroresonance-constraining；neutralisolated system；potential transformer；leakage inductance

1674-3814（2016）07-0006-05

TM451+.3

A

国家自然基金项目（51507135）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51507135）.

2015-10-09。

李云阁（1967—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为过电压保护及电力设备运行；

王倩（1982—），女，博士，讲师，主要研究方向为过电压仿真计算；

蒲路（1976—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为电力系统防雷；

马军（1977—），男，本科，高级工程师，主要研究方向为输电线路运维检修及带电作业；

高宇（1982—），男，本科，高级工程师，主要研究方向为电力系统信息；

王南（1985—），男，硕士，工程师，主要研究方向为电力设备在线监测。