电磁式电压互感器中性点接地方式对谐波测量影响的试验研究

熊大凯 李 勰 张选萍 乐 健

（1.国网江西省电力有限公司宜丰县供电分公司 2.武汉大学电气与自动化学院）

0 引言

在10kV和35kV等中性点不接地的配电网中，通常使用安装于母线上的电磁式电压互感器（PT）来提供计量和保护用电压信号。三个单相PT构成PT组一次侧的中线点除直接接地以提供相电压测量外，通常需要经电阻或消谐器接地［1］，以消除PT与线路对地电容在某些条件下可能引起的铁磁谐振［2-3］。随着电力系统谐波污染的日益严重，除了PT自身的变比-频率响应特性可能引入的谐波电压测量误差外［4］，这些不同的中性点接地方式也将给PT的电压测量引入误差，从而影响到电能计量的准确性和继电保护装置动作的正确性。

目前对于三相PT因中性点接地方式不同造成谐波测量误差的研究，主要是对实际运行中产生的二次侧谐波电压不平衡现象进行理论分析。文献［5］根据对实际谐波测量结果的分析，从理论上溯源了4PT接线方式下谐波测量结果异常原因，结论是在该接线方式下零序阻抗增大，使磁通中产生3次谐波成分，造成谐波测量结果中3次谐波成分显著增大；文献［6］针对电压互感器一次侧加装消谐器后导致二次侧三相电压不平衡现象，以变电站实测数据为依据，结合消谐器原理进行分析，指出其主要影响因素是PT励磁特性以及消谐器电阻值大小，同时提出发生该现象时的查找方法和解决对策；文献［7］根据中性点有无带消谐器的两组PT谐波电压实际测量结果进行比较，指出影响测量结果的主要是零序分量，并理论分析一次侧加装消谐器后PT测量零序分量的误差；文献［8］对10kV电压互感器中性点连接消谐电阻造成三次谐波电压超标现象进行分析，并通过带有消谐电阻的母线PT和中性点直接接地的计量PT同时测量三次谐波电压含有率进行验证，针对这种现象提出改进的测试方法；文献［9，10］针对安装消谐器后引起PT二次侧三相电压不平衡现象，分别从PT的励磁特性和零序电流通路进行简单分析，并初步提出改进措施；文献［11］通过PT一次侧中性点加装非线性电阻后的谐振实验，发现非线性电阻的接入会导致中性点电压升高，PT开口三角测量的零序电压变大。这些研究虽然都对10kV和35kV不接地系统中改变PT中性点接地方式后二次侧的电压不平衡现象做了初步的分析，但没有建立起相关试验平台对理论分析进行验证与完善。

本文进行不同中线点接地方式下三相PT组对谐波电压测量影响的理论分析和试验研究。首先理论分析三单相PT励磁特性的差别以及单个PT励磁特性的非线性所造成的谐波电压测量误差，比较不同中性点接地方式下PT谐波电压测量误差的大小。设计不同中性点接地方式下三相PT组谐波电压测量误差分析的物理试验平台，给出了各组成单元的设计方法。进行PT组一次侧中性点直接接地和通过消谐电阻接地时各次谐波电压测量误差的试验。通过对试验数据的分析，验证了理论分析结果的正确性。

1 三单相PT励磁特性差别的影响

当三单相PT一次侧中性点直接接地时，各相PT的测量互相独立，励磁特性的不一致不会对各相测量结果造成影响。图1所示为一次侧中性点经电阻或消谐器接地的等效电路。

图1 中性点带电阻的三单相PT组的等效电路

若三个单相PT的励磁特性存在差异，则每相电流的幅值也不同，在正序、负序、零序谐波电压作用下，流过一次侧中性点的电流分别为：

根据图1有：

则A相一次绕组上的电压为：

根据以上分析，若三个单相PT励磁特性一致时，如果母线谐波电压为正序性或负序性，流过一次侧中性点电流为0，如果母线谐波电压为零序性，中心点电流不为0，则中性点非直接接地时三单相PT组仅对零序谐波电压测量有影响，对正序、负序谐波电压的测量没有影响；若三个单相PT的励磁特性存在差异，在各序性质谐波电压作用下，流过一次侧中性点电流均不为0，此时二次侧测量的谐波电压不能准确反映母线的谐波电压。

2 PT励磁特性非线性的影响

对于某一相PT，设其原边电压为：

根据端电压与铁心磁通关系可得：

式中，N1为一次绕组匝数；ϕ为磁通，则有：

式中，ϕm为磁通的幅值。从上两式可以看出，在正弦电压下铁心磁通也是正弦的，仅相位滞后π／2。根据铁心的磁化曲线可求得与此磁通相对应的励磁电流波形。将磁化曲线近似表示为：

将式（3）代入式（4），则有：

又有：

则：

由式（5）可知，此时励磁电流已经发生畸变，加入了3次谐波，且其峰值与基波峰值重合，构成尖顶波，如图2所示。副边绕组感应的电势为：

图2 正弦电压时PT励磁电流和磁通

把式（3）代入可得：

根据上述各式可知，当在原边施加正弦电压时，为保证副边感应电势为正弦波，励磁电流中必须含有3及3的倍数次谐波，且这些谐波电流同相，即为零序性。当PT一次侧中性点直接接地时，励磁电流中的3次零序电流具有流通通路，而当PT一次侧中性点通过消谐器或电阻接地时，零序电流流通路径上阻抗增大很多（为接地电阻3倍），从而阻碍3及3的倍数次零序电流的流动。

从以上理论计算及分析可知，要使PT二次侧电压能够正确反映出一次侧的各次谐波电压，必须要为励磁电流提供一个低阻零序通路。当PT一次侧中性点经消谐器或电阻接地后，增大了零序通路阻抗，磁通中产生3及3的倍数次谐波成分，造成副边感应电势中零序谐波增大，不能真实反映一次侧的谐波情况。

3 物理试验方案设计

图3为PT中性点接地方式对谐波电压测量影响试验研究的原理接线图。

图3 物理试验接线原理图

试验线路图中谐波源的三相输出电压分别与3个单相10kV的PT相连接，通过Fluke公司的电能质量分析仪Fluke1760对输出结果进行记录。

试验所用PT的型号为JDZ-10，额定电压比为10kV：0.1kV，准确等级0.2。消谐器选用的是齿轮形大容量消谐电阻器，型号为LXQ-IV-10，其主要电气参数见表1，对其进行伏安特性测试，测试结果如表2所示。

表1 消谐器主要电气参数

表2 消谐器伏安特性

测试过程中由谐波源分别产生如下的谐波电压：①线电压有效值10kV的基波叠加线电压有效值1kV的2～50次各次谐波；②输入不同幅值的多次谐波电压叠加；三个单相PT一次侧中性点的接地方式分别为直接接地、通过消谐器接地。通过电能质量分析仪记录得到的PT对各次谐波电压的测量结果，对这几种不同的中性点接地方式进行比较。

4 物理试验结果分析

首先对基波叠加单次谐波进行试验，得到两种不同PT一次侧中性点接地方式下的试验数据分别如图4和图5所示。

图4 中性点直接接地时谐波电压的测量结果

图5 中性点经消谐器接地时谐波电压的测量结果

由于输入的谐波电压为线电压1kV，则PT二次侧理论测量结果应为5.7735V。

从以上两图可以看出，各PT的谐波测量电压存在一定差异，说明试验的3个PT的励磁特性差别较大。且在中性点经消谐器接地时，各PT的测量结果波动较大。两种中性点接地方式下A相PT测量误差随谐波次数变化的曲线如图6所示。

图6 两种中性点接地方式下的各次谐波测量误差

从图6中可以看出，PT一次侧中性点直接接地时对各次谐波电压测量的影响较小，随着谐波次数的增加，测量误差有所增加，但总体来说测量误差保持在一个较小范围内。当PT一次侧中性点经消谐器接地时测量值波动较大，随着谐波次数的增加，误差逐渐增加，到50次谐波时测量误差已经达到11%左右，测量结果很不准确。

对第二种谐波情况进行试验，试验中同时在额定基波上叠加线电压800V的3次谐波、600V的5次谐波及400V的7次谐波，得到两种不同一次侧中性点接地方式下的试验数据如表3和表4所示。

表3 复杂谐波下中性点直接接地时的测量结果

表4 复杂谐波下中性点经消谐器接地时的测量结果

3次、5次、7次谐波的理论测量值应分别为4.619V、3.464V及2.309V，通过表中试验数据与理论计算值比较发现，中性点经消谐器接地在多次谐波叠加的情况下测量误差仍然比中性点直接接地时大，3次谐波测量误差达到20%左右，无法在多次谐波叠加时对各次谐波进行测量。

通过上面的试验结果对比能够看出，PT一次侧中性点经消谐器接地无法真实反映一次侧的谐波电压状况，验证前文的推论。

5 结束语

本文进行PT一次侧不同中性点接地方式对谐波电压测量影响的理论分析，并通过物理实验进行验证，所得主要结论如下：

1）当PT一次侧中性点直接接地时，由于PT测量相互独立，谐波测量误差较小。当PT一次侧中性点经消谐器接地时，由于3个单相PT励磁特性存在一定差别，各序谐波电压作用下均有电流流过消谐器使中性点电压升高，导致PT二次侧的测量电压不能正确反映母线电压。

2）由于PT励磁特性的非线性，在PT原边中性点经消谐器接地时，增大了PT励磁电流中的3及3的倍数次谐波电流通路阻抗，磁通中产生3及3的倍数次谐波成分，造成副边感应电势中零序谐波增大，不能真实反映一次侧的谐波情况。