1 概述

目前國內(nèi)10~35kV電網(wǎng)系統(tǒng)一般采用中性點不接地和諧振接地兩種運行方式。為了測量三相對地電壓和監(jiān)視對地絕緣，在變電站的中壓母線段上接有電磁式電壓互感器(以下簡稱 PT)，且 PT的中性點直接接地。PT高壓側(cè)接有高壓熔斷器作為保護，兩者共同安裝在專設(shè)的PT開關(guān)柜內(nèi)。

運行經(jīng)驗表明，電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)常發(fā)生PT高壓熔斷器異常熔斷、PT 設(shè)備燒毀等故障，嚴重威脅作業(yè)人員的人身安全，同時產(chǎn)生巨大的設(shè)備損失，甚至可能引起母線短路、主變掉閘等電網(wǎng)停電事故。

研究表明，PT故障的本質(zhì)原因是PT過勵磁。一方面，10~35 kV中性點不接地系統(tǒng)中，在一定電網(wǎng)擾動(操作沖擊或單相接地)條件下，如果 PT被激發(fā)鐵磁諧振，鐵磁諧振將會持續(xù)相當(dāng)長時間，導(dǎo)致PT長時間處于過勵磁狀態(tài)，最終將會造成嚴重的PT故障，我們稱其為Ⅰ類故障。另一方面，單相接地電弧熄滅或重燃時，線路對地電容電荷進行重新分配，此過程中將形成電磁振蕩并產(chǎn)生過電壓，最高過電壓倍數(shù)可達 3.5倍，從而導(dǎo)致PT過勵磁，頻繁間歇性孤光接地使PT過勵磁發(fā)熱，最終可能引起PT固體絕緣失效，我們稱其為Ⅱ類故障。

2 PT故障理論分析

2.1 Ⅰ類故障(鐵磁諧振)的原理

中性點不接地系統(tǒng)的等值電路見圖1，PT 勵磁電感與系統(tǒng)對地電容形成并聯(lián)諧振回路，在某些條件下將會激發(fā)鐵磁諧振現(xiàn)象。

 

圖1  中性點非有效接地系統(tǒng)的等值電路

線路對地等效容抗為X_C0，PT對地等效電抗為X_m，正常運行時，X_C0<<X_m，系統(tǒng)不發(fā)生諧振；但在某種電網(wǎng)擾動的激勵作用下，PT鐵心發(fā)生飽和導(dǎo)致X_m減小，當(dāng) X_C0/X_m＞0.01 時，系統(tǒng)就可能發(fā)生鐵磁諧振。

鐵磁諧振主要分為基波諧振、高頻諧振和分頻諧振 3種形式。發(fā)生諧振時，通常兩相電壓升高，一相電壓降低，并形成“虛幻接地”現(xiàn)象，鐵磁諧振導(dǎo)致PT鐵心飽和，勵磁電流倍增。鐵磁諧振一旦被激發(fā)，持續(xù)時間較長，只有諧振條件被破壞才可能中止。

需要指出，1/2分頻諧振區(qū)域的參數(shù)區(qū)間最大，且危害最為嚴重，一旦發(fā)生分頻諧振，PT 鐵心將進入深度飽和，導(dǎo)致PT嚴重的過流、過熱故障。

2.2 Ⅱ類故障((弧光接地過電壓)的原理

Ⅱ類故障主要由間歇性弧光接地過電壓導(dǎo)致，其原理見圖 2。假如系統(tǒng) C 相接地，非故障 A、B 相充以與線電壓對應(yīng)的電容電荷；當(dāng)電弧熄滅時，A、B兩相電壓恢復(fù)至相電壓，其電荷將重新分配至三相；經(jīng)過半個周期后電弧重燃，電荷將再次重新分配。電弧熄滅或重燃后的電荷分配實際是一種電磁振蕩過程，能夠形成最高可達 3.5 倍的過電壓。頻繁的弧光接地過電壓引起 PT 過勵磁，最終引發(fā)PT過熱故障。

 

圖2  Ⅱ類故障(弧光接地過電壓)電荷分配過程示意圖

需要指出，目前高壓電纜使用量不斷提高，造成系統(tǒng)電容電流急劇增加，如果消弧線圈容量不足，電弧可能發(fā)生多次重燃，弧光接地引起的電磁振蕩過程更加劇烈，這是PT故障多次發(fā)生的重要原因。

故從Ⅱ類故障原理的角度考慮，我司特別推薦客戶選用“快速消弧及接地選線裝置”從根本上解決弧光接地過電壓的問題，大幅度減少PT鐵磁諧振的可能。

3 現(xiàn)有消諧措施的局限性

3.1改善 PT 勵磁特性，提高 PT 勵磁特性的飽和點電壓。

PT勵磁特性的飽和點電壓過低，在運行過程中容易進入 PT鐵心飽和狀態(tài)。提高 PT勵磁特性的飽和點電壓能有效提高 PT 抗過勵磁能力，降低PT 故障率。然而目前各互感器生產(chǎn)商的品質(zhì)差次不齊，且使用單位很少具備檢測手段，故單純靠改善勵磁特性，也很難保證其運行安全。

3.2 在PT高壓側(cè)中性點串接單相PT

該措施在早期敞開式10 kV/35 kV系統(tǒng)使用過，目前應(yīng)用非常少，其缺點主要有：一是破壞了PT中性點接地條件，影響 PT 測量精度和性能；二是單相接地或諧振時，閉口三角繞組內(nèi)形成很大環(huán)流，PT 負荷增加，極易引發(fā) PT 過熱故障；三 是PT開口三角繞組被短接后，無法發(fā)出系統(tǒng)單相接地信號。

3.3 PT 二次開口三角繞組接入阻尼電阻

二次電阻阻值應(yīng)滿足：R△＜0.4X_m/K₁₃²(K₁₃為 PT一次繞組與開口三角繞組的變比)，該電阻阻值很小(約數(shù)kΩ)。二次消諧存在兩個缺陷：一是不具備一次限流功能，因此對于Ⅱ類故障不起作用；二是電阻熱容量小，單相接地或鐵磁諧振均在開口三角繞組形成零序電壓，可能導(dǎo)致二次電阻長時間過熱燒毀。運行經(jīng)驗表明，二次電阻發(fā)熱燒毀的案例很多，且對Ⅱ類故障無限流效果，這是二次消諧的重要缺陷。

3.4 在 PT高壓側(cè)中性點側(cè)串接碳化硅電阻，增加諧振回路阻尼。

碳化硅電阻是一種類似于氧化鋅避雷器的壓敏電阻，具有非線性伏安特性：正常運

行條件下呈現(xiàn)為高阻(約百kΩ)特性；當(dāng)鐵磁諧振或電荷轉(zhuǎn)移引起零序電流增加時，其阻值快速下降(幾十kΩ)。上述電阻特性存在兩個缺點：一是正常運行時阻值過大可能導(dǎo)致PT三相電壓不平衡；二是PT過勵磁時，阻值太小，消諧和限流功能下降，不利于抑制PT故障發(fā)生。

4 電壓監(jiān)控及PT保護成套裝置

電壓監(jiān)控及PT保護成套裝置（VMHE）基于Ⅰ類故障(鐵磁諧振)和Ⅱ類故障((弧光接地過電壓)的理論分析，應(yīng)用MATLAB和PSCAD對中壓配電網(wǎng)的不接地和諧振接地運行方式進行各項仿真，并突破性的采用了新型自適應(yīng)消諧器，同時配置微機二次消諧裝置作為后備保護，實現(xiàn)全局性消諧。提供全面的母線電壓監(jiān)測和故障錄波功能，極大地方便了用戶對于供電系統(tǒng)的管理和控制。

本公司生產(chǎn)的防爆型大容量低殘壓過電壓保護器，保護殘壓比普通避雷器低30%以上，對弱絕緣如電機類設(shè)備及固體絕緣設(shè)備的過電壓保護有著極為重要的作用。

4.1 一次原理

 

圖3 一次原理圖

標(biāo)注釋義：GN隔離開關(guān)、FU高壓熔斷器、PT電壓互感器、AER新型自適應(yīng)消諧器、OVP防爆型大容量低殘壓過電壓保護器、VS帶電傳感器、VMHE-C錄波型電壓智能監(jiān)控器、THE微機二次消諧裝置。

4.2 基本原理

正常運行時，錄波型電壓智能監(jiān)控器實時不間斷的監(jiān)測PT提供的電壓信號，一旦發(fā)生PT斷線、過壓、欠壓、低電壓、諧振、弧光接地等現(xiàn)象，監(jiān)控器利用DSP高速、重復(fù)的數(shù)據(jù)處理能力實現(xiàn)傅立葉分析，通過對電壓互感器PT的二次電壓進行采集、判斷，及時準(zhǔn)確地對系統(tǒng)各種狀態(tài)進行分析，判斷出系統(tǒng)的故障情況，液晶屏顯示故障類別，并對故障進行錄波和存儲，同時輸出相應(yīng)的開關(guān)量接點信號，用于報警。裝置具有RS485或RS232接口，配有標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通訊規(guī)約，與用戶微機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離通訊和數(shù)據(jù)傳送。

 

4.3 消諧原理

將 AER新型自適應(yīng)消諧器串聯(lián)安裝在PT中性點與地之間，正常運行狀態(tài)下電阻約為 kΩ級，而 PT一次繞組的阻抗為MΩ級，因此不會對 PT 的各項性能產(chǎn)生影響；當(dāng)

發(fā)生諧振或電荷轉(zhuǎn)移時，AER新型自適應(yīng)消諧器因過流發(fā)熱而溫度升高，電阻快速增長，發(fā)揮良好的阻尼和限流作用。當(dāng)諧振消失后，電阻隨著溫度下降，自動恢復(fù)至低阻值狀態(tài)，使得PT自動恢復(fù)至正常運行狀態(tài)。

AER新型自適應(yīng)消諧器具有優(yōu)異的“自適應(yīng)”特性，即諧振能量越大，消諧時間越短；沖擊涌流越大，限流作用越強。

THE微機二次消諧裝置實時采集電壓互感器PT的二次電壓，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生諧振故障時，首先鑒別高頻、基頻和分頻諧振，準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)存在諧振過電壓后, 消諧裝置就啟動消諧程序, 發(fā)出高頻脈沖群, 使在開口三角形繞組兩端的晶閘管交替過零觸發(fā)導(dǎo)通，使PT 飽和過電壓迅速消除，達到消除諧振的目的。該裝置作為自適應(yīng)消諧器的后備消諧措施，同時該消諧裝置具有可視化的人機界面和故障記錄功能。

4.4 核心技術(shù)

4.4.1錄波型電壓智能監(jiān)控器

1. 本裝置集電壓監(jiān)測、諧波監(jiān)測、故障錄波等功能一體化，可取代常規(guī)的PT柜監(jiān)測儀表及保護裝置；

2. 通過采集電壓信號，實時顯示系統(tǒng)的三相相電壓和線電壓；

3. 實時對系統(tǒng)的諧波含量進行監(jiān)測；

4. 可準(zhǔn)確對PT斷線、過壓、欠壓、低電壓、諧振、弧光接地等進行判斷和分析；

5. 運行故障追憶功能齊全，顯示最近20次歷史故障記錄；

4.4.2微機二次消諧裝置

1. 對高頻、基頻和分頻諧振進行判斷，并顯示諧振類型；

2. 提供可視化人機界面，界面友好易閱讀；

3. 采用大容量雙向可控硅交替過零導(dǎo)通手段，實現(xiàn)PT快速二次消諧；

4.4.3新型自適應(yīng)消諧器

1. 結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧，安裝方便，運行可靠；

2. 正常運行條件下，消諧器呈現(xiàn)低阻，不改變電壓互感器的運行工況，對互感器的測量精度不會產(chǎn)生影響。發(fā)生PT鐵磁諧振時，消諧器因快速呈現(xiàn)高阻而實現(xiàn)快速消諧;

3. 能夠限制電壓互感器一次繞組的激磁電流突增，防止因電壓互感器一次繞組電流增加，熔斷器熔斷后因能量不足不能滅弧引發(fā)的母線短路事故；

4. 新型自適應(yīng)消諧器能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)快速消諧，基波諧振的消諧時間約為 1.56s，分頻諧振的消諧時間約為 2.1s左右，諧振過電壓幅值越大，消諧時間越短，對于電氣設(shè)備絕緣極為有利；

5. 在 3.5倍工頻過電壓作用下，消諧器能夠?qū)?/span>PT激磁電流限制在100mA以下，不會導(dǎo)致因PT一次熔斷器熔斷后不能熄弧引發(fā)的母線短路事故；

6. 針對諧波含量較大或經(jīng)常發(fā)生接地故障的系統(tǒng)，用戶可以選配新型自適應(yīng)自監(jiān)測消諧器，該消諧器在完成上述功能情況下，額外增加了自檢功能，可實時對消諧器的動作情況進行監(jiān)測和告警；

7. 新型自適應(yīng)消諧器為我司專利產(chǎn)品；

4.4.4防爆型大容量低殘壓過電壓保護器

1. 陡坡響應(yīng)特性好，無截波，對保護設(shè)備無不良影響；

2. 響應(yīng)速度快，無放電時延，響應(yīng)速度為納秒量級；

3. 耐污穢，并可廣泛應(yīng)用于高海拔地區(qū)；

4. 該產(chǎn)品具有防爆功能；

5. 10kV2ms方波電流可達2000A；35kV2ms方波電流可達1500A。

6. 具有良好的低殘壓特性，保護殘壓比普通避雷器低30%以上，更可有效的保護設(shè)備的絕緣。

4.4.5高飽和點電壓互感器

1. 選用勵磁特性飽和點較高的互感器，鐵心不易飽和，很難激發(fā)起諧振；

2. 采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片，降低工作磁密，有效遏制最大過電壓下互感器不飽和；

4.5 型號命名

型號命名規(guī)則：VMHE-電壓等級-方波電流/2ms-隔離方式-選配；

隔離方式分：固定式隔離開關(guān)IS，隔離手車IH；

方波電流：600、800、1000、1500、2000A；

選配：如需要新型自適應(yīng)自監(jiān)測消諧器，代號為SC

例：VMHE-12kV-1000A/2ms-IS，即表示2ms方波電流要求是1000A，其他標(biāo)配，自適應(yīng)消諧器不帶自檢功能。

4.6 技術(shù)參數(shù)