一種解決中性點不接地系統鐵磁諧振問題的新技術

王春萌

（中國水電建設集團路橋工程有限公司四川分公司，成都 610061）

在電力系統中，電磁式電壓互感器（以下簡稱為VT）發生鐵磁諧振是一種常發性故障，且可能嚴重影響系統的安全穩定，為此廣大電力工作者早已開展了大量的理論研究并提出了多種消諧措施，并研制了多種原理或型式的專用消諧器。根據有關文獻的分析和實踐得知，現行的、廣泛應用的許多消諧措施和消諧器，其原理都是圍繞改善VT自身參數進行的，都不能從根本上消除VT諧振故障，只能說“某種措施在某種情況下有效、而在另一種情況下就可能無效”[1]。

在中性點不接地系統中為實現電網的絕緣監視和接地檢測功能，VT必須應用YN，yn0，d11結線、且一次繞組中性點直接接地[2]，于是形成了L-C諧振電路，如圖1所示。

圖1 中性點不接地系統VT電感與系統電容構成的諧振電路

雖然在教科書[3-4]中提出應用電容式電壓互感器（CVT）替代電磁式VT，可以消除L-C諧振電路，從而避免VT諧振的發生，但由于當前國內尚無110kV電壓等級以下的CVT產品，同時110kV及以上電壓等級CVT因自身具有中間變壓器和移相電抗器等電感性元件也同樣具有發生諧振故障的可能[5]，因此經過深入的研究和探討，提出了一種根除VT諧振的技術措施（僅限于中性點不接地系統），同時還研究應用了采用該VT消諧措施以后電網絕緣監視的新技術。

1 VT消諧技術的研究

1.1 VT中性點不接地，消除鐵磁諧振

理論和實踐證明，諸多消諧改進措施和現有的消諧裝置都不能根治鐵磁諧振現象的發生。為能從根本上消除諧振，將6～35kV不接地系統中的電壓互感器中性點不接地（解除VT一次側中性點接地線），使系統中不存在L-C諧振回路，僅保留VT的計量、保護功能，從而使電網零序系統不存在發生鐵磁諧振的可能，達到根除VT諧振的目的，如圖2所示。

圖2 VT中性點接地線解除后系統接線原理圖

1.2 電容型絕緣監測技術

VT中性點不接地解決了VT諧振問題，但VT二次側星接繞組只能提供系統線電壓，不能檢測相電壓，開口三角繞組也不能檢測3U0電壓，也就無法實現電網絕緣監測和接地故障報警功能。

為實現這些功能，可采用阻性（R）或容性（C）元件進行電網絕緣監測的新方法，利用這些元件的線性特性實現上述要求。

1）電阻型絕緣監測方案

電阻型絕緣監測方案如圖3所示，在變電站母線上接入一組電阻型分壓元件，利用電阻R1、R2串聯分壓原理，實現電網絕緣監測。

圖3 電阻型絕緣監測方案原理圖

2）電容型絕緣監測方案

如圖4所示，電容型絕緣監測方案是根據電容器的線性伏安特性，通過檢測流過電容器的電流信號，將該電流信號轉換為電壓信號，可以方便地讓變電運行人員隨時了解系統三相電壓的變化情況，同時實現了原電壓互感器擔負的絕緣監測和向繼電保護提供系統接地信息的任務。該方案主要由電容器組1、測量器件2和4、電壓顯示器3和報警器5組成；電容器組1采用星形接線接于母線上，其中性點接地，測量器件2測量電容器組1的相電流后，由電壓顯示器4顯示系統三相對地電壓；測量器件4接于電容器組1的中性線，測量電容器組1的零序電流，通過報警器件5發出接地報警信號。

圖4 電容型絕緣監測方案原理圖

電容器組1的絕緣與系統電壓相適應，可為全絕緣或半絕緣方式。其結構可由三臺單相電容器組合而成或選用三相一體式電容器。

在圖4中電容器組1每相的電容量均為C，其基頻電抗為XC=1/314C。

當系統絕緣正常時，A相、B相、C相對地電壓即電容器運行電壓為系統相電壓，其值為系統線電壓UL的由此可知，通過電容器的電流IA=IB=IC=UΦ/XC，此電流按比例變換，可使電壓顯示器3顯示UA=UB=UC=UΦ，為正常電壓。

若當A相在某點金屬性接地時，根據電工原理，此時A相對地電壓為零，所以IA將降低為0，電壓顯示器3也顯示A相電壓為AU′=0。而UBO、UCO升高為線電壓UL，所以BI′=CI′=UL/XC，為正常運行時相電流的倍，此時仍按比例轉換，電壓顯示器3則顯示BU′=CU′=UL，這就達到了與現有絕緣監測裝置技術同樣的顯示效果：接地相電壓下降為0，正常相電壓較正常值升高倍，由此即可判定接地故障在A相。

報警功能：當系統運行正常時，因三相對地電壓（即作用于電容器上的電壓）數值相等、相位互差120°，所以零序電流為0，裝置無報警信號。當系統發生單相接地，例如仍為A相在某點接地，根據電工原理，零序電流值將升高到正常相電流的3倍即3×UΦ/XC，這與現有技術中反應零序電壓變化報警規律一致。由此說明利用電容器組1的零序電流完全可以達到接地報警功能的要求。

3）方案比較

表1 電阻型絕緣監測方案與電容型絕緣監測方案的比較

綜合比較上述兩種絕緣監測方案，由于電阻型絕緣監測方案存在安全隱患等問題，故選擇電容型絕緣監測方案進行研究和實施。

2 電容型絕緣監測技術的現場應用

我公司有一座35kV降壓變電站，該站35kV、6kV系統均裝有消諧器，但自投運以來，其6kV系統經常發生鐵磁諧振現象，每年更換的VT保險約150余只。如2010年4月17日至5月8日僅21天時間，該站就先后出現一個晚上更換30余只VT保險的情況，共造成52只熔斷器熔斷、6只6kV系統VT過熱燒壞故障，消諧器多次報1/2、1/3分頻諧振信號。

通過對該變電站6kV系統的參數測試、分析，計算了電網絕緣狀態監測的電容器的容量，對電容器、高精度電流/電壓傳感器等元器件進行選擇、加工、測試，并確定接線方式等，在該變電站母線電容器柜上組裝一套電容型絕緣監測系統，以檢驗該方案的實施效果。

2010年10月28日，電容型絕緣監測技術在VT諧振頻繁發生的變電站6kV系統投入使用，至今該站未發生鐵磁諧振現象。

3 結論

電容型絕緣監測技術，采用一組獨立的三相星形接地電容器組，接于變電站母線與地之間，并分別接入電流互感器，利用電容器的線性伏安特性，通過電流、電壓轉換，測量電網的相對地電壓，實現電網絕緣狀態監測和接地報警功能。該技術改變了電力系統VT傳統接線方式，去掉諧振回路中的電感，取消L-C諧振回路，從根本上杜絕了VT諧振事故的發生。經過4年的研究和現場應用，系統工作良好、運行穩定，解決了中性點不接地系統的鐵磁諧振問題，提高了電網運行可靠性，其經濟效益、社會效益顯著。

[1]王亮.10kV系統中鐵磁諧振過電壓的計算機仿真研究[J].高壓電器,2004,40(4):269-271.

[2]賀家李，宋從矩.電力系統繼電保護原理[M].2版.北京:水利電力出版社,1985.

[3]解廣潤.電力系統過電壓[M].北京:水利電力出版社,1985.6.

[4]周澤存.高電壓技術[M].北京:水利電力出版社，1991.6.

[5]李紅斌，劉延冰，葉國雄，等.電容式電壓互感器鐵磁諧振的數值仿真[J].高壓電器,2004,40(2),124.