2017, Vol. 35 
2. 国网重庆市电力公司检修分公司, 重庆 400039
2. State Grid Chongqing Electric Power Corporation Maintenance Branch Company, Chongqing 400039, China
配电网是连接发电系统、输电系统和用户的中间环节，其可靠性是整个电力系统结构及运行特性的集中反映。相关数据显示，在所有停电故障中，由配电系统故障造成的停电占比接近90%，即配电网对用户供电可靠性的影响最大，对系统投资和停电损失的影响不容忽视[1]。
我国的配电网大多采用中性点不接地的接地方式，在中性点不接地系统中，通常在其母线上装设一次绕组为星形连接、中性点接地的电压互感器（TV）。因为TV的励磁电感是非线性的，当系统出现故障时，励磁电感可能会与对地电容配合发生铁磁谐振，产生谐振过电压，并在TV中产生过电流，严重影响系统的安全运行。
本文以某35 kV中性点不接地变电站为研究对象，利用PSCAD软件建立过电压仿真模型，研究其TV铁磁谐振的影响，并提出相应的限制措施，为实际工程提供参考。
1 TV铁磁谐振机理研究TV铁磁谐振通常从等效电路入手，图 1所示即为TV的三相回路简化等效电路，TV铁心饱和程度的变化会使电网对地电压发生中性点偏移，从而出现中性点位移过电压[2]。
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图中：EL1、EL2、EL3—三相电源电动势；L1、L2、L3—电压互感器三相电感； C0—对地电容 图 1 电压互感器三相回路等效接线图 |
根据图 1的等效电路，可得中性点位移电压，如式（1）所示：
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(1) |
式中YL1、YL2、YL3—三相回路的等值导纳。
如果电网受到扰动，TV铁心达到饱和，会造成系统两相或三相对地电压上升，假设是L1相和L2相电压上升，则L1相和L2相的电流增加，使得L1相和L2相的电感降低，从而导致YL1、和YL2由容性变为感性，但是YL3依然是容性。因为感性导纳YL1、YL2与容性导纳YL3相互抵消，从而中性点位移电压上升[3]。
由于出现了中性点位移电压U0，所以每相的对地电压变成了电源电压及中性点位移电压的相量和，如式（2）所示：
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(2) |
由式（2）可知，U0升高，造成L1相和L2相的对地电压升高，L3相对地电压降低。这种情况类似于系统发生L3相单相接地故障，因此称这种单相对地电压升高现象为虚幻接地，即表明系统发生TV饱和造成谐振过电压[4]。
2 仿真模型的建立本文以某110 kV/35 kV降压变电站为研究对象，采用PSCAD软件建立各个模块的仿真模型，并进行仿真计算。该变电站包括2台三绕组主变压器、2条35 kV低压母线、4回出线。此外，每条母线两侧还接有电磁式电压互感器，互感器的高压侧绕组采用中性点直接接地方式。
2.1 电源模块通过式（2）可知，对于TV铁磁谐振，电源电压会影响各相对地电压的大小，从而影响谐振过电压，但是对于确定的系统，电源电压是固定的，所以在本文的仿真计算中，按照实际电压等级给出定值。根据戴维南定理，本文将35 kV系统母线以上的部分等效为系统电源，并且电源中性点不直接接地。
2.2 架空线路模块架空线路仿真采用PSCAD中的Transmission lines模块，在仿真中使用2个架空线路模型（见图 2），以便于控制短路点的位置[5-6]。
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图 2 架空线路模型 |
在电力系统中，对于电磁式电压互感器及电力变压器这类含有铁心线圈的电气设备，研究其励磁特性是分析系统过电压等暂态特性的必要步骤，所以设备的励磁特性曲线精度影响系统暂态分析的准确度。
目前普遍采用的励磁特性曲线的求法有2种：通过实测数据直接获得，利用电气设备的伏安特性间接转化求得。本文利用现有文献中测量所得的1组电磁式电压互感器的伏安特性数据，设置了电压互感器模块的参数，并由此得到TV的励磁曲线，如图 3所示[7-8]。
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图 3 TV励磁曲线 |
通过对各电气设备模块的选择及参数设置，利用PSCAD仿真软件，建立该低压变电站35 kV中性点不接地系统模型，对TV铁磁谐振过电压进行仿真计算。为了明确TV铁磁谐振的主要影响因素，依据单一变量原则，研究在单相接地故障的激发方式和中性点不接地的运行方式下，系统接地故障消除时刻、系统对地电容、TV高压侧直流电阻3种因素对铁磁谐振过电压的影响。在本文的仿真计算过程中，若无特殊说明，35 kV系统最高运行电压基准值为
设定在0.1 s时刻线路的首端发生L1相接地故障，接地故障消除时刻分别设置为0.105 s、0.110 s、0.115 s和0.120 s时，35 kV母线电压和系统中性点的过电压峰值如表 1所示。
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表 1 不同故障消除时刻的铁磁谐振参数 |
从表 1的仿真结果可知，故障消除时刻不同，母线和中性点电压峰值不同。因为在不同的故障消除时刻，所对应的每1相电源电压的相角不同，所以在该时刻各相电源电压的大小不同，电压恢复时释放的电荷量也就不同，造成TV铁心的饱和程度有差异，从而产生大小不同的铁磁谐振过电压。由此可见，故障消除时刻对TV铁磁谐振存在影响。
3.2 系统对地电容的影响系统对地电容分别设置为0.01 μF、0.05 μF、0.1 μF和0.3 μF时，35 kV母线电压和系统中性点的过电压峰值如表 2所示。
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表 2 不同系统对地电容的铁磁谐振参数 |
从表 2的仿真结果可知，对地电容对母线和中性点电压峰值有影响，TV铁磁谐振过电压水平与对地电容呈负相关关系。主要是因为随着对地电容的增加，TV励磁电感与系统对地电容不再匹配，逐渐偏出了谐振范围，从而导致谐振过电压降低。
3.3 TV高压侧直流电阻的影响TV高压侧直流电阻阻值分别设置为100 Ω、500 Ω、1000 Ω和3000 Ω时，35 kV母线电压和系统中性点的过电压峰值如表 3所示。
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表 3 不同TV高压侧直流电阻的铁磁谐振参数 |
从表 3的仿真结果可知，TV高压侧直流电阻影响母线和中性点的电压峰值大小，TV铁磁谐振过电压水平与TV高压侧直流电阻呈负相关关系。由此可见，TV高压侧直流电阻对铁磁谐振过电压存在一定的阻尼效果。
4 抑制铁磁谐振方法比较分析系统接地故障消除时刻、系统对地电容、TV高压侧直流电阻等因素均对TV铁磁谐振过电压存在一定影响，而谐振过电压又严重危害系统安全稳定，所以必须根据铁磁谐振的影响因素采取相应的抑制措施。常见的抑制方法包括TV高压侧中性点接非线性电阻消谐器、增大系统对地电容、开口三角绕组两端接入阻尼电阻、系统中性点经消弧线圈接地，而各种方法的抑制效果存在差异，需要通过仿真进行比较分析。
4.1 TV高压侧中性点接非线性电阻消谐器TV高压侧中性点经电阻接地可以抑制谐振过电压，理论上电阻越大，抑制效果越好，但是如果电阻过大，将导致开口三角电压偏低，影响接地故障指示装置及继电保护装置的正常工作。因此一般选用非线性电阻消谐器限制谐振过电压。
图 4所示为R=10 kΩ时，TV高压侧中性点经非线性电阻消谐器接地后的母线电压、系统中性点电压及谐振电流波形。可以看出，在串接1个非线性电阻消谐器后，TV谐振过电压基本可以消除，使系统在自动重合闸后恢复正常的运行状态，通过调整非线性电阻消谐器的值可以找到最佳消谐效果的电阻值。
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图 4 TV高压侧中性点接非线性电阻消谐器仿真结果 |
通过仿真计算可知，母线三相电压的波形和频率快速恢复至正常状态，系统中性点电压快速降低直至接近零值，TV高压侧谐振电流也很快消失。可见，在TV高压侧中性点和地之间连接非线性电阻消谐器对于抑制TV铁磁谐振过电压具有明显效果。
4.2 增大系统对地电容通过增大系统对地电容，使TV励磁电感和系统对地电容不相匹配，从而偏移出谐振范围，这种方法理论上也可以抑制谐振过电压。而在实际工程中采用在母线上加装中性点接地的电容器组来增大对地电容。设定在0.1 s时刻线路的首端发生L1相接地故障，在0.2 s时刻故障消除，在母线上接入1组中性点接地的电容器组，每相电容值设置为0.1 μF，母线电压、系统中性点电压及谐振电流波形如图 5所示。
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图 5 增大系统对地电容系统消谐仿真结果 |
通过仿真计算可知，母线和中性点的电压振荡并没有明显改善，TV高压侧的谐振电流虽然随着振荡时间的延长有所减弱，但是依然很大。可见，加装中性点接地的电容器组的消谐措施对于抑制TV铁磁谐振过电压并没有明显效果。
4.3 开口三角绕组两端接入阻尼电阻将阻尼电阻接入TV开口三角绕组两端，就等同于将1个小阻值的电阻并联接入TV高压侧。当系统处于正常工作状态下，TV开口三角绕组没有零序电压，此时阻尼电阻相当于没有接入系统。当系统发生单相接地等故障时，还没有发生TV铁磁谐振，阻尼电阻不会工作，而如果在故障消除时刻发生谐振，阻尼电阻就会工作，将谐振产生的能量消耗掉。理论上讲，阻尼电阻的阻值越小，其消谐效果也越好，极限情况下，当阻尼电阻阻值为零时，TV开口三角绕组被短接，也就是TV的高压侧绕组被短接，这样TV的铁心绕组就不可能达到饱和，也就不会出现铁磁谐振。而实际工程中，阻尼电阻阻值不可能为零，所以一般根据系统要求电阻值应尽可能地小。
同样设定在0.1 s时刻线路的首端发生L1相接地故障，在0.2 s时刻故障消除，在TV开口三角形绕组两端接入1个阻值为20 Ω的阻尼电阻，母线电压、系统中性点电压及谐振电流波形如图 6所示。
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图 6 开口三角绕组两端接入阻尼电阻仿真结果 |
通过仿真计算可知，母线三相电压的波形和频率快速恢复至正常状态，系统中性点电压快速降低直至接近零，TV高压侧谐振电流也很快消失。可见，在TV开口三角绕组两端接入阻尼电阻其消谐效果比较显著。
4.4 系统中性点经消弧线圈接地系统中性点经消弧线圈接地的方式，相当于在TV高压侧并联消弧线圈等效电感，而等效电感远小于TV励磁电感，降低了系统电感，使其和对地电容不匹配，将TV铁磁偏移出谐振范围，从而抑制谐振过电压产生。
同样设定在0.1 s时刻线路的首端发生L1相接地故障，在0.2 s时刻故障消除，在系统中性点与地之间接入1个电感值为0.08 H的消弧线圈，母线电压、系统中性点电压及谐振电流波形如图 7所示。
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图 7 系统中性点经消弧线圈接地仿真结果 |
通过仿真计算可知，母线三相电压和系统中性点电压随着时间增长逐渐衰减，谐振电流最大值仅为250 mA，并且快速降低。在0.4 s时刻以后，母线三相电压波形和频率已接近正常运行状态，系统中性点电压衰减至零，谐振电流已经降为零。可见，系统中性点经消弧线圈接地能够抑制谐振过电压，特别是对于谐振电流的抑制效果明显，但是这种消谐过程需要较长的时间。
5 结论本文以某110 kV/35 kV的降压变电站为研究对象，建立了35 kV中性点不接地系统PSCAD仿真模型，对TV铁磁谐振的影响因素以及各种消谐措施的消谐效果进行了仿真分析，得到以下结论。
（1）故障消除时刻、系统对地电容以及TV高压侧直流电阻均是TV铁磁谐振的影响因素，但是对于谐振过电压的影响不大，其中，对地电容和TV高压侧直流电阻对TV铁磁谐振具有一定的阻尼效果。
（2）综合对比以上4种常见的消谐措施，开口三角绕组两端接入阻尼电阻不具有明显的消谐效果，TV高压侧中性点接非线性电阻消谐器与增大系统对地电容对于谐振过电压的抑制效果较好，系统中性点经消弧线圈接地不但能够抑制谐振过电压，而且对于谐振电流也有明显的抑制效果，所以系统中性点经消弧线圈接地是最为有效的消谐方法[9-10]。
（3）根据仿真结论，该变电站在系统中性点与地之间接入1个电感值为0.08 H的消弧线，有效地抑制了TV铁磁谐振，目前该消谐措施已在其他低压变电站进行推广。
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