来宾供电局10 kV配网铁磁谐振抑制措施应用研究

邓 军，马晋佩

（1.广西电网公司来宾供电局，广西 来宾 546100；2.国网太原供电公司，山西 太原 030000）

来宾供电局10 kV配网铁磁谐振抑制措施应用研究

邓 军1，马晋佩2

（1.广西电网公司来宾供电局，广西 来宾 546100；2.国网太原供电公司，山西 太原 030000）

基于电磁暂态仿真软件（EMTP-ATP），研究10 kV配网铁磁谐振过电压、过电流水平，分析其影响因素，如三相不同期合闸、单相接地故障消失时刻、系统对地电容值大小等，进而比较分析不同谐振抑制措施的抑制效果，为提高配电网的供电安全提供参考依据。

铁磁谐振；消谐措施；仿真软件ATP

0 引言

电力系统存在许多电感元件，尤其是安装在母线上的电磁式电压互感器，当操作不当或单相接地故障消失时极易导致铁芯饱和，与回路中的电容元件相匹配达到谐振条件，产生铁磁谐振。由于来宾供电局 (以下简称“来宾局”)10 kV配网采用中性点不直接接地运行方式，发生铁磁谐振时，造成系统内部过电压和电压互感器（PT）绕组的过电流，可导致高压侧熔断器熔断、避雷器损坏，甚至PT爆炸，严重威胁来宾配电系统的安全运行。

本文以来宾局110 kV工业园变电站为原型搭建ATP仿真模型，分析计算来宾局10 kV配电网发生铁磁谐振时系统过电压、过电流水平，进而对比研究常见几种消谐措施的优劣势，为实际工程应用提供参考。

1 铁磁谐振过电压仿真分析

对于中性点不接地系统，激发铁磁谐振的因素较多，实际运行中以单相接地故障消失时系统对地电容大小、单相接地故障消失时刻、三相不同期合闸三种因素较为常见。下面仿真分析该三种影响因素激发铁磁谐振的强弱情况。

1.1 单相接地故障消失时系统对地电容大小对铁

磁谐振的影响

单相接地故障是配网系统最为常见、最容易激发铁磁谐振的一种故障类型。当发生故障时，对地电容不同，激发的谐振类型及强度不同，因此改变系统单相对地电容，分析PT上电压、电流值及系统谐振情况。仿真中设置单相接地故障时间0.1～0.135 s，结果如表1所示。

表1 系统不同对地电容值时所激发的铁磁谐振状况

由表1数据可以看出，当对地电容较小时容易激发基频谐振，过电压倍数达到2.6 p.u.；随着对地电容的增大，谐振频率降低，产生分频谐振，PT上电流增大，远远超过了正常允许值。

1.2 单相接地故障消失时刻对铁磁谐振的影响

单相接地故障消失时刻不同，系统中是否能激发出铁磁谐振及激发的铁磁谐振的强度均不同。经仿真研究，系统在故障相电源电压处于峰值处消失，更易激发出强度更大的铁磁谐振。表2为不同故障消失时刻激发的铁磁谐振情况。

表2 单相接地故障消失时刻不同时所激发的铁磁谐振状况

1.3 三相不同期合闸对铁磁谐振的影响

三相不同期合闸时，系统有比较剧烈的电磁能量振荡，尤其在系统对地电容较小时，这一现象更为明显，甚至能够激发短时的高频谐振。改变系统单相对地电容，设置断路器三相合闸时间为0.1 s、0.1 s、0.11 s，不同期合闸激发的铁磁谐振情况如表3所示。

表3 不同对地电容下不同期合闸激发的铁磁谐振

由表3可以得知：三相不同期合闸会引起铁磁谐振现象，产生的铁磁谐振过电压最大至3.13倍，在PT一次侧产生电流较大，PT长时间流过该电流将对其正常运行造成威胁。

2 系统铁磁谐振抑制措施

鉴于单相接地故障的常见性及严重性，研究消谐措施时以单相接地故障消失作为激发铁磁谐振的因素，并在仿真中设置故障相电源电压处于峰值时消失，此时最易激发铁磁谐振。

2.1 系统中性点经电阻接地对铁磁谐振的抑制作用

系统中性点经电阻接地，阻值分别取1 000Ω、1 MΩ，当系统发生单相接地时接入电阻，单相接地故障时间为0.1～0.135 s，C0为0.25μF，仿真得到其电压电流波形如图1、图2、图3所示。

图1 对地电容为0.25μF、中性点绝缘时电压、电流波形

图2 对地电容为0.25μF、中性点接地电阻为1 000Ω时电压、电流波形

图3 对地电容为0.25μF、中性点接地电阻为1 MΩ时电压、电流波形

系统中性点对地绝缘，C0为0.25μF时，如图1所示系统发生1/3分频谐振；当系统单相接地故障消失时，在其中性点投入1 000Ω电阻，如图2所示接地故障消失后不再发生谐振，有良好的抑制效果；当中性点经1 MΩ电阻接地时，如图3所示，对谐振抑制效果不明显。

2.2 PT一次侧中性点经电阻接地方式对铁磁谐振的抑制作用

系统发生谐振后，在PT一次侧中性点接入R=20 kΩ的线性电阻、非线性电阻，其伏安特性为U=k Iα，其中k=10.669 kV/A，α=0.56，单相接地故障时间为0.1～0.135 s，C0为0.25μF，仿真得到其电压电流波形如图4、图5所示。

图4 对地电容为0.25μF、PT一次侧中性点经20 kΩ电阻接地时电压、电流波形

图5 对地电容为0.25μF、PT一次侧中性点经非线性电阻接地时电压、电流波形

当对地电容C0=0.25μF，单相接地故障消失时系统发生在1/3分频谐振。PT一次侧中性点经线性电阻、非线性电阻接地，电源中性点电压偏移减小，PT上电流幅值减小，有效抑制了谐振。但是这种消谐方式主要是靠电阻阻尼消耗谐振的能量，线性电阻热容量较小，容易导致PT熔丝熔断等故障。非线性电阻相比于线性电阻热容量较大，流过其电流越大阻值越大，阻尼效果较好。

2.3 采用4PT接法对铁磁谐振的抑制作用

仿真设置系统单相对地电容C0=0.25μF，单相接地故障时间0.1～0.135 s，三相PT中性点经零序PT接地。母线电压、原PT三相电流、零序PT电流波形如图6所示。

图6 对地电容为0.25μF、PT一次侧中性点经零序PT接地时电压、电流波形

改变系统单相对地电容，采用4PT方式后铁磁谐振激发情况如表4所示。

对比表1、表4可知，4PT法可以有效抑制系统中可能发生的铁磁谐振：发生铁磁谐振的对地电容范围减小，原三相PT上的过电流幅值大大降低，过电压幅值也降低，零序PT比原三相PT上过电流要大。由于零序PT同样存在非线性电感，系统没有从根本上抑制谐振。

表4 采用4PT时单相接地故障消失所激发的谐振情况

2.4 PT开口三角绕组接阻尼电阻对铁磁谐振的抑制作用

仿真时设置系统单相对地电容为0.25μF，开口三角接5Ω线性阻尼电阻，单相接地故障时间为0.1～0.135 s。

PT开口三角接入阻尼电阻，谐振基本没有被激发，该方法可以很好地抑制谐振。但是要求在单相接地故障消失瞬间投入阻尼电阻，电阻提前投入和延迟投入都不能对PT起到有效的保护作用。

2.5 采用励磁特性较好的电压互感器

系统中导致铁磁谐振最主要的电感元件是电磁式电压互感器，其励磁特性至关重要。目前，各变电站普遍选用饱和点电压为1.9倍相电压的电压互感器，即当PT一次侧电压超过1.9倍相电压时，互感器由于铁芯饱和激磁电抗急剧下降，励磁电流剧增。由第一节的分析可知，系统单相接地故障消失、三相不同期合闸等引发的系统过电压倍数大多数超过1.9倍相电压，此时已进入PT饱和区。为抑制铁磁谐振，改善PT励磁特性，采用低磁密PT，提高饱和点电压到3倍相电压。

表5 改善后PT励磁曲线参数

仿真采用改善后的PT，系统单相对地电容为0.06μF单相接地故障时间为0.1～0.135 s。

当对地电容为0.06μF时，单相接地故障消失时系统发生1/2分频谐振。采用改善的PT后，在短时振荡后系统恢复正常，有效抑制了谐振。

改变系统单相对地电容，采用改善PT后抑制效果如表6所示。

表6 采用改善后PT的谐振抑制效果

对比表1可知，采用改善的PT后，系统经过短时振荡后恢复正常状态，PT上未出现过电流现象。因为单相接地故障消失激发的铁磁谐振过电压倍数均不超过新PT的饱和点电压值，系统内电容电感值未达到谐振条件，从根本上抑制了谐振的发生。

3 结束语

a）系统单相接地故障消失、三相不同期合闸等操作均可能导致铁磁谐振现象，且单相接地故障消失时刻会影响铁磁谐振激发的强弱情况，故障在故障相电压峰值时消失激发的铁磁谐振最为严重。

b）系统中性点经电阻接地，当电阻较小时可以有效抑制谐振，电阻较大时对谐振基本无抑制效果，但较小的电阻将改变系统中性点的运行方式。

c）PT开口三角接入阻尼可以有效抑制谐振，但对电阻的切入时间有严格要求，并且阻尼电阻较小时开口三角环流较大，实际运行中对系统存在安全隐患。

d）PT一次侧中性点经非线性电阻接地可以有效抑制谐振，且由于其非线性特性有较大的热容量及较强的通流能力，避免了线性电阻因热容量小导致熔断器熔断等故障。

e） 采用4PT法可以有效抑制谐振，减小PT上过电压、过电流大小。但由于4PT接法，要求采用全绝缘PT，PT数量增加，并要求较大的柜体尺寸。实际应用有一定限制。

f）PT励磁特性越好，铁芯越不容易饱和，也越不容易与系统中电容达到谐振匹配条件，改善PT励磁特性，提高饱和点电压，可以从根本上消除谐振。

g） PT一次侧经电阻接地、4PT法、改善PT励磁特性方式均可有效抑制谐振，来宾供电局根据变电站实际情况分别进行择优选用，抑制铁磁谐振过电压取得了良好效果。

Research on Ferromagnetic Resonance Suppression Measures in Laibin 10 kV Distribution Network

DENG Jun1,M A Jinpei2

(1.Guangxi Laibin Power Supply Company,Laibin,Guangxi 546100,China; 2.State Grid Taiyuan Power Supply Company,Taiyuan,Shanxi 030000,China)

Based on the electromagnetic transient simulation software (EMTP- ATP), this paper studies the ferromagnetic resonance overvoltage and over-current level of 10 kV distribution network, and the influencing factors are analyzed, including three- phase non- synchronous switch- on, the disappear moment of single phase earth fault and shunt capacitance value, etc. The effects of different resonance suppressing measures are analyzed, which provides reference for improving the safety of power distribution network.

ferromagnetic resonance;harmonic elimination measures;ATP

TM8

A

1671-0320（2016）02-0038-04

2015-11-23，

2016-01-25

邓 军（1970），男，广西全州人，1993年毕业于上海交通大学电力系统及其自动化专业，高级工程师，从事输变电设备运行维护管理工作；

马晋佩（1988），女，山西吕梁人，2015年毕业于重庆大学电力工程专业，硕士，助理工程师，从事过电压和接地技术研究。