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1、 小电流接地系统4PT消谐问题的探讨 小电流接地系统4PT消谐问题的探讨 王世旭 李法章 张国红 连经斌(郑州供电公司，河南郑州 450006)摘要：在小电流接地系统中，由于PT励磁电感的非线性特性，在一定条件下容易产生铁磁谐振过电压，会给系统的安全运行带来严重隐患。近年来，供电系统大都用在PT中性点串接第四支PT的方法来消除其谐振。随着智能电网目标的提出，消谐PT二次接线不统一的特点亟待解决，这同时也影响了运行人员的正确判断。本文重点分析几种目前常见的PT消谐的原理，以及运行时的注意事项，为以后整改及优化提供一定的依据。关键词：小电流接地系统；消谐；电压互感器；接线方式 Discussion
2、 on the common problem of anti-resonance using 4 PT in the neutral node ungrounded power system Wang Shixu,Li Fazhang,Zhang Guohong,Lian Jingbin(Zheng zhou power supply company,450006,Zhengzhou Henan)Abstract:In the neutral node ungrounded power system,Ferro resonance due to the nonlinear excitation
3、 inductance of three-phase inductive potential transformer(PT)once happened,has a serious impact on the safety operation of power system.In recent years,connecting single-phase PT to the neutral point of three-phase PT high voltage side is used by mostly power systems.With the proposed of Smart Grid
4、,the character of the anti-resonance PT which the connection mode of secondary circuits Non-normative is urgent to resolve.This character affected the judgments of the peoples on duty.This paper mainly analyses the Principles and the notes of these PT,The results of this paper are proved to be of us
5、e in optimizations and rectifications for the anti-resonance PT.Keyword:the neutral node ungrounded power system;Ferro resonance elimination;potential transformer;wirings connections 1 引言 1OkV PT二次接线除了测量以外，还有两种作用：其一是当1OkV母线接地时或者断线，根据整定，发出相应信号；第二个作用就是消除谐振。在35kV及以下的中性点不接地系统中，当系统的电容电流较大时，在单相接地恢复的瞬间，容易发
6、生电压互感器一次高压熔断器熔断事故，这样就会影响系统的正常运行和电费的计量，造成很大的损失，严重时甚至烧毁电压互感器。PT高压侧熔断器熔断其原因有电力系统发生单相间歇性电弧放电、树竹接地等使系统产生铁磁谐振过电压；PT本身内部出现单相接地或匝间层间相间短路故障；PT二次侧发生短路而二次侧熔断器未熔断造成高压熔断等等1 2。根据国内经验介绍，消除谐振的措施有以下几种 34:1)系统加装消弧线圈；2)采用临时倒闸措施，改变运行方式，限制谐振发生；3)选用励磁特性好的PT，使铁芯不易饱和；4)在PT开口三角绕组并接200-50OW白炽灯或阻抗；5)在PT高压中性点串接一定的阻抗或者单相零序电压互感器
7、；6）在 PT 开口三角绕组上加装性能良好的消谐器；从稳定性与安全性考虑，装设消弧线圈消除铁磁谐振过电压是最好措施，但是其成本较高，部颁规程规定:35kV和10kV系统的电容电流分别大于10A和30A时应装设消弧线圈；采用倒闸措施则不能保证时效性；并接白炽灯或阻抗存在不稳定性；消谐器装置本身比较复杂，元器件较容易故障。近年来，在PT高压中性点串接单相零序电压互感器的方法得到广泛的推广，效果很好，采用这种方式的优点一是增加零序阻抗；二是在系统发生单相接地时，产生的零序电压主要加在零序电压互感器上，原PT只反应正序电压。无论是原星形接线PT，还是新加装的零序电压互感器，PT铁芯都将很难进人饱和区而
8、产生谐振过电压。但目前相应10kV PT二次接线有很多种，很不统一。随着综合自动化变电站的增多，由于综自变电站二次负载阻抗较常规变电站要大，如果PT三次绕组开路，则会使三次谐波无法形成通路，进而产生PT中性点偏移，造成运行隐患。2 系统单相故障时，PT中性点串接单只PT时一次电压分析 设A相金属接地，并设A、B、C三相PT及零序PT的励磁电抗分别为Z和Z，显然他们的正序电抗等于零序电抗，其一次侧等值电路和向量图如下所示：此时，A相电抗已成为Z和Z，根据基尔霍夫定律可得中性点位移为:/3/1/3/1/1)/1/1(=+=ZZEZZZEZEZZEUACBANN （1）当N直接接地时，Z=0,则有：
9、ANNEU=（2）若接有与其他PT相同的零序PT时，有Z=Z,则有：4/ANNEU=（3）如果ZZ时，更低，假如Z无穷大时，则有NNU0=NNU 根据计算，此时加在每相PT一次绕组上的电压为：UUUUUCNBNAN146.14/3=（4）由上式可知，加在每相PT上的零序电压已由NNUAE降到。因而使得非故障相上的电压由4/AEU3降到1.146U，而PT允许长期在1.1倍额定电压下运行，故单相接地时，PT磁密降低，减少了谐振发生的概率，减少了因饱和而激增的励磁电流。零序PT上的电压为，如向量图所示:ONUAONEU4/3=图1 系统单相接地一次侧等值电路 图2 系统单相接地时向量分析图 3 几
10、种常见二次接线方式分析 下面就 1OkV 几种常见消谐 PT 的二次接线从 1OkV 母线接地时的灵敏度及消谐等两个方面加以讨论。1、由于在 1OkV PT 高压中性点串接第四支 PT，系统单相接地时故障相电压近似为 OV,其它相对地电压升为线电压，但加在原来 3 只 PT 绕组上的电压仍为对称的正序电压，零序电压加在零序电压互感器上。第一种接线如图 3 所示，PT 三次绕组顺极性串接并与第四支 PT 二次绕组顺极性连接。PT 变比为：3100:3100:310000 图 3 常规 4PT 二次接线方式 图 4 4PT 闭环接线方式 当系统发生 A 相单相金属接地，不考虑不平衡电压时，根据前面
11、的分析以及变比可得，此时开口三角的电压为：VUUUUUUUUxaxaxaxaxcxbxa1.9131003100300000000000=+=+=+=（5）在这种接线方式下，如果因为 PT自身故障等原因引起 PT 高压保险熔断一相或两相时，产生的现象也和常规三 PT 接线方式不一样。如果不考虑断口电容感应和其他因素的影响，通过理论分析并结合现场运行实际数据，我们有以下结论：（1）高压保险一相熔断时，现象为：相电压两相不变，一相降为正常值 1/3,线电压一个不变，两个降低，3U0增加。（2）高压保险两相熔断时，现象为：相电压一相不变，两相降低一半左右；线电压三相幅值都大幅降低，3U0增加。在串接
12、零序PT后，若PT开三角绕组开路，在零序PT上将有较高的三次谐波电压，一次侧各相绕组电压中含较高的3次谐波分量。假如此时电压的正弦波形中含有三次谐波分量，则PT开口三角处的电压为:tUtUt)32(由此可以看出，此种接线方式灵敏度较低；而且此种接线过渡过程前几十个周波内，系统侧PT一次侧流过较大幅值的暂态电流，闭口三角流过的零序电流也很大。特别是在线路电容电流很大时，情况会更严重，有可能引起发热乃至热击穿，从而不能起到有效的保护作用。而且如果由于PT内部故障或者其他原因引起PT高压保险熔断一相或者两相的时候，闭环产生的电压向量分析如图5、图6所示，此时闭环电流也将大过允许值，需要运行人员尽快处
13、理。而目前110kV变电站大部分已经实现无人值守，出现此类异常如果不及时处理时极易造成PT爆炸等后果的扩大。UtUtUUUUUmmmmmcba3sin33sin)12cos2(3sin3sin)32(3sin=+=+=+=（6）可见当发生三次谐波谐振时，在PT二次侧开口三角处所显现的电压是相电压中三次谐波分量的3倍，当这个分量足够大时，就会使接在开口三角处的电压升高，造成单相接地假象。2、为了消除电压互感器中的三次谐波，常将三角形开口短接，而当开三角绕组短接时，当在铁心中有三次谐波磁通，便将在三角形连接的各相中感应出三次谐波电势，且在闭合三角形中短路，在三角形连接的各相绕组中将有三次谐波环流，
14、这一环流产生三次谐波环流反电势，将趋向于把铁心中原有的三次谐波磁通去磁，即可保证原铁心中磁通为正弦波。此时仅用第四个电压互感器测量电压，以监测1OkV供电系统对地绝缘情况，典型线路如图4所示。VUUxa310030=如果单相接地时，绝缘监察装置电压值为：2006年，郑州供电公司某110kV变电站，由于10kV PT二次接线有误，当系统发生接地故障时，在闭环中产生较大环流，致使PT发热，大约30分钟后，PT发生爆炸，严重威胁到了人身和设备的安全。图5 A相PT保险熔断时电压示意图 图6 B、C两相PT保险熔断时电压示意图 3、由式(1)可得，当消谐PT阻抗无穷大时，中性点电压偏移为零。而且大阻抗
15、很大程度上的限制了高压保险的熔断，即便是产生高压保险熔断时，闭口三角性的环流也有了很大程度的限制。基于以上原因,对该接线方式进行改进，绝缘监察装置所用电压的采集如图7所示，这种接线方式中的消谐PT为特殊处理，阻抗非常大，常规PT阻抗的数十倍之大5。而且零序PT变比也不同于原三相PT，为：100:3100:310000 此时绝缘监察装置的电压值为：VUUax9.993000=可以看出此种接线方式反应接地异常灵敏度最高，而且如果由于PT内部故障或者其他原因引起PT高压保险熔断一相或者两相的时候，零序PT承担大部分电压，闭口三角内仅承受极小的残压，可满足长期运行的要求。当系统发生单相接地时，故障点会
16、流过电容电流，未接地相的电压升高至 线电压，其对地电容上充以与线电压相应的负荷。在接地故障期间，此电荷产 生的电容电流，以接地点为通路，在电源导线大地间流通。由于PT的励磁阻抗很大，其中流过的电流很小。一旦接地故障消失，这时电流通路被切断，而非接地相在接地期间已经充电至线电压下的电荷，就只有通过PT绕组，经其原来接地的中性点进入大地。在这一瞬变过程中，PT高压绕组中将会流过一个幅值很高的低频饱和电流，导致PT铁芯严重饱和6。这也是系统发生弧光接地消失或者反复接地时，常规PT保险经常熔断的主要原因。采用这种接线方式之后，零序PT能很大程度的限制该电流的幅值，从而大大减少了PT因此种原因发生高压保
17、险熔断的几率，提高了系统运行的稳定性。在实际4PT接线方式运用中，也曾发生PT烧损的现象7，其原因是:当系统发生超低频振荡时，在PT的闭口三角绕组中产生很大的零序电流，以致PT三次侧烧毁，从而烧损整个PT。因此建议在PT的闭口三角绕组回路中串入适当的电阻，就可以限制闭口三角绕组中的环流，并对谐振和低频振荡起到抑制作用，能保证系统安全可靠运行。4、有时为了提高电压值，将三角形开口与第四个电压互感器次级串联，如图8所示，开口三角接人绝缘监察装置。这种接线方式跟第一种接线方式较为接近，当 10 kV 系统发生单相接地故障时，开口三角所反应的电压为 100/3 V。这时需要通过改变PT变比或者调整系数
18、的方法来调整开口三角的电压，以达到保护等设备的需求。PTB CPT0A3U0 图 7 改进型 4PT 闭环接线方式 图 8 4PT 开口三角串接二次零序 PT 接线方式 4 结论 采用4PT接线防谐振的办法，对消除谐振起到了很好作用，但其二次接线较为复杂，运行人员掌握起来比较困难。通过对4PT二次接线的分析比较以及长时期的运行实践经验，我们对PT中性点串接单相零序电压互感器得出以下几点结论：1）4只PT系统能消除铁磁谐振，且使各PT上的电压基本在正常值附近，最高为正常值的1.15倍。2）分析PT在正确接线情况下发生单相接地时的数据可以发现，当采用四只PT接线方式时，二次电压和常规PT的采集已经
19、有所差别，当主变低压侧保护采用这种通用PT断线判据时，必将引起误判断，有可能造成各侧复合电压闭锁过流保护被误闭锁或误开放。3)单相零序电压互感器的二次绕组极性不能反接，否则不能正确反应接地故障类型，给系统正常运行造成隐患。4)在PT中性点串接单相PT时，会在零序PT上产生较高的三次谐波电压，并使得原PT各相绕组上的电压波形畸变，可将三角形开口短路以抑制三次谐波。5）PT中性点串接大阻抗PT，开口三角形短接的接线方式消谐效果最理想，灵敏度也最高。参考文献：1 刘新东.1035kV配网铁磁谐振过电压的表现形式及消除措施J.电工技术杂志，2000(6):45-46 2 周洁莲、吴少珍.防止电压互感器
20、的铁磁谐振过电压的有效措施J.高电压技术，2001(7):53.55 3 储百森.配电网铁磁谐振防治经验J.电工技术杂志，2003(3):82-83 4 滕永禧、许明等，10kV TV高压熔丝频繁熔断的分析J.高电压技术，2008（1）：204206 5 张军 防止铁磁谐振型电压互感器.天津泰莱电气设备有限公司，2000 6 张健.中压电网电压互感器相关问题及其抑制技术的研究M.华北电力大学 2006 7 冯旭阳.限制配电网PT过电压、过电流的措施，电气时代 2007.6:9091 -作者简介：王世旭（1981），男，工程师，硕士，主要从事变电运行及继电保护专业,.李法章，男，工程师，长期从事变电运行及变电检修管理工作。张国红，男，高级工程师，长期从事变电运行管理工作。