电磁式电压互感器中性点涌流治理技术研究与应用

广西电网有限责任公司河池环江供电局 王海霖 黄广海 叶 高 农灿勋

1 引言

在中性点不接地系统中，电磁式电压互感器一般安装于母线端，具有较强的非线性特性，当系统发生单相接地故障或弧光接地等故障时很容易造成PT 铁芯饱和，励磁电感的减小会使互感器感抗参数与系统电容参数相匹配从而引发铁磁谐振。铁磁谐振过电压会对系统绝缘造成威胁，同时也会导致避雷器爆炸事故以及绝缘闪络事故等，对系统的安全稳定运行造成严重的威胁，本文通过理论分析和仿真验证相结合的方法对电压互感器的铁磁谐振故障原理展开分析，探究其对电压互感器的影响；提出了有效的抑制铁磁谐振方法，通过算例分析，验证了其抑制方法的有效性，在实际工程中具有重要价值。

2 铁磁谐振故障机理

2.1 铁磁谐振的产生及危害

中低压配电网中，当电力系统发生故障时，会产生不同程度的过电压扰动。例如，系统发生单相接地故障瞬间以及故障消除后；系统发生间歇性弧光接地故障时，会出现高频次的过电压；当系统空载或轻载运行时，以及投切带有电压互感器的空载线路时[1]等。不同程度的过电压会使电磁式电压互感器的铁心趋于饱和，长时间的过电压冲击会最终使系统感性参数与容性参数相匹配，激发铁磁谐振，引发铁磁谐振过电压，对系统造成更大的危害。

一般中性点不接地系统中，最容易引起电压互感器发生铁磁谐振的故障是单相接地故障，因为在系统发生单相接地故障时，系统正常相电压升高为线电压，而非故障电压会降低趋于零，当单相接地故障消除后，非故障相中会将多余的容性能量释放出去，而电压互感器一次侧中性点此时为系统中唯一的对地通道，同时故障相也会从零升高为相电压，该过程会从电源端吸收能量进而形成暂态回路[2]。在单相接地故障发生瞬间以及故障消除后，暂态及稳态过程都会对电压互感器造成冲击，其中电压互感器为系统中的主要感性元件，而系统中线路对地参数为容性参数，当过电压流经电压互感器后就会使其铁心趋于饱和进而降低其感性参数，很容易使系统中的感性参数与容性参数构成谐振匹配激发铁磁谐振[3-4]。除了单相接地故障，弧光接地产生的高频次过电压对电压互感器的饱和也有较大影响，在电弧持续燃烧的情况下极易导致电压互感器烧毁以及绝缘薄弱地方烧毁。

铁磁谐振对电力系统以及用电设备都会产生较大的危害。一是铁磁谐振故障刚发生时故障特征不明显，很难通过观察直接判断其故障类型，但是谐振过电压会产生较大害，其隐秘性不容小觑。二是铁磁谐振具有较强的持续性，如果没有外界干扰破坏谐振条件，铁磁谐振会一直发生下去，其中长时间的过电压冲击会使系统中绝缘薄弱部分击穿进而引发更大的故障，同时也有可能导致电压互感器因持续的过电流而温度过高进而烧毁，对电力系统的安全运行造成重要的威胁。三是铁磁谐振还有可能对变压器造成不可逆损坏，长时间的过电压和过电流会导致电气设备绝缘老化加快，绝缘油质量下降并且还会导致变压器产生持续的噪声，工作温度升高等一系列故障。四是铁磁谐振会使系统中的零序分量变大，导致电力系五是铁磁谐振由于故障的不对称性，会使系统中性点产生较大的过电压偏移现象，称该现象为虚幻接地现象，中性点电压的升高很有可能导致故障检测装置误动作，降低电力系统的可靠性。

2.2 铁磁谐振仿真分析

6～35kV 通常采用中性点非有效接地系统中，通常采用干式电磁式电压互感器，其中电压互感器与线路为并联形式。本节通过ATP-EMTP 电磁暂态仿真软件对电压互感器以及10kV 电力系统进行建模。模型中采用110/10kV 主变压器、一台10kV电磁式电压互感器，型号为JDJZ-10，非线性电感参数根据实际励磁曲线设定、线路用LCC 架空线路代替。

在系统发生单相短路故障时，母线故障相电压接近于0，非故障相升高至线电压。系统单相接地故障消除引发铁磁谐振，电压互感器一次侧中性点电压幅值会达到3.75A，互感器一次侧相间电流幅值高达2.49A。

由单相接地仿真模型分析可知，单相接地故障很容易激发铁磁谐振，但不局限于单相接地故障，任何过电压干扰都有可能破坏系统参数结构，导致其容性参数与感性参数满足谐振条件激发铁磁谐振，例如：单相重合闸、弧光接地故障、合空变等。

3 中性点涌流抑制

电力系统发生单相接地故障时非故障相容性元件会储存能量，故障消失后会通过唯一对地通道即电压互感器中性点进行能量释放，因此流过互感器一次中性点故障电流大小和时间长短是造成电压互感器高压保险熔断及本体烧毁的根本原因，为此提出了以饱和谐振理论为基础的抑制涌流的治理策略，通过在能量释放通道加装电阻进而起到谐振能量消耗的作用。对于10kV 电力系统中，在电压互感器一次侧中性点加装消谐装置等效于对互感器三相绕组均加装了消谐电阻，能起到统一均衡的耗能、阻尼和抑制谐波的作用。

理想情况下，中性点电阻在正常运行时阻值为零，对PT 的测量精度没有影响；当谐振发生时，电阻值趋于无穷大，相当于PT 一次侧中性点不接地，即破坏了谐振回路。PTC（Positive Temperature Coefficient）是一种用于制作非线性电阻的正温度系数热敏材料，很多类型的导电聚合物会呈现出这种热敏特性，在温度较低时电阻较小，随着温度的升高达到某一定值时其电阻会急剧增加至极限电阻值，发生半导体和绝缘体的相互转变；反之，当PTC 材料从高温的环境降至常温时，其阻值也会随之下降到低阻状态，是当下较为理想的限流电阻[5]。

在电压互感器一次侧中性点加装正温度特性的中性点涌流抑制装置，一次侧中性模型使用MOV Type92型非线性电阻，单相接地故障中性点抑制涌流抑制仿真波形。中性点涌流抑制前后仿真比对见表1。

表1 中性点涌流抑制前后仿真比对

由表1可知，通过对比加装涌流抑制装置前后互感器电压、电流以及中性点电流数据发现，正温度特性的中性点涌流抑制装置可有效抑制电压互感器中性点涌流，其绕组电压、电流都有所降低，有效抑制铁磁谐振。

4 算例分析

为了验证互感器一次涌流抑制的有效性，文中引入某地区变电站一处铁磁谐振抑制措施案例，对其安装正温度特性的中性点涌流抑制装置之后的录波进行分析。

某地220kV 变电站10kV 系统有三段母线，10kV Ⅰ母多次发生电压互感器一次保险熔断或电压互感器烧毁事故，并于2023年2月安装正温度特性的中性点涌流抑制装置，并加装无线通信模块，将消谐装置的监测数据、动作及报警信息上传到云平台，实时了解抑制装置的运行状态。自天10kV Ⅰ母PT 安装抑制装置以来，多次发生报警。

正温度特性的中性点涌流抑制装置动作多次。在系统发生单相接地故障后，抑制装置都会动作，由此也证明了系统发生接地故障极易引起铁磁谐振。

2023年02月15日21时波形如图1所示。

图1 2023年02月15日21时波形

由图1可知，10kV 系统Ⅰ母2023年02月15日21时40分22秒B 相发生持续性接地故障，在接地故障恢复过程中，电压互感器一次中性点产生涌流，此时抑制装置动作，抑制涌流。

2023年02月15日22时波形如图2所示。

图2 2023年02月15日22时波形

由图2可知，10kV 系统Ⅰ母2023年02月15日22时46分48秒A 相发生短时接地故障，在接地故障恢复过程中，电压互感器一次中性点产生涌流，此时抑制装置动作，抑制涌流。

2023年02月15日23时波形如图3所示。

图3 2023年02月15日23时波形

由图3可知，10kV 系统Ⅰ母2023年02月15日23时54分43秒C 相发生持续性接地故障，在接地故障恢复过程中，电压互感器一次中性点产生涌流，此时抑制装置动作，抑制涌流。

由图1～3可知,系统发生了接地故障（故障相电压降低，非故障相电压升高，黄色A 相电压、绿色B 相电压、红色C 相电压、蓝色开口三角电压，黑色电压互感器一次中性点电流），在接地故障恢复过程中时，PT 中性点流过电流（此电流就是系统故障产生的涌流），由于抑制装置的作用（工作原理:正常运行时，处于低阻态，不影响电压互感器的特性；当系统故障时，PT 中性点流过涌流，流敏消谐器突变为高阻态，抑制PT 中性点流过的激励电流小于200mA），快速抑制涌流，避免电压互感器饱和，确保PT 不发生谐振，PT 保险不会熔断。

由监测数据、故障记录、故障录波及铁磁谐振产生的机理可知：

一是10kV 系统前期PT 保险频繁损坏，主要是由于系统发生故障诱发铁磁谐振导致；二是10kV系统常发生接地故障，占比63%，频繁的接地故障易引起系统谐振过电压，因此需要加强10kV 系统的铁磁谐振治理；三是从监测数据和故障记录可知，10kV 系统Ⅰ母PT 安装抑制装置以来，装置有效的识别并记录系统故障类型（包括故障时的电压值），抑制装置有效地抑制了铁磁谐振的发生，保护了PT及PT 保险。

5 结语

本文通过理论分析，仿真模拟以及算例分析，针对由铁磁谐振引起的电压互感器中性点涌流问题，提出了有效的抑制措施，即在电压互感器一次侧中性点安装消谐性能更好地正温度特性的中性点涌流抑制装置。通过前后对比发现，该方案可有效降低互感器的过电压和过电流，对于电压互感器中性点涌流也起到了抑制作用，对工程实际问题具有重要意义。