電磁式電壓互感器中性點接地方式對諧波測量影響的試驗研究

熊大凱 李 勰 張選萍 樂 健

（1.國網江西省電力有限公司宜豐縣供電分公司 2.武漢大學電氣與自動化學院）

0 引言

在10kV和35kV等中性點不接地的配電網中，通常使用安裝于母線上的電磁式電壓互感器（PT）來提供計量和保護用電壓信號。三個單相PT構成PT組一次側的中線點除直接接地以提供相電壓測量外，通常需要經電阻或消諧器接地［1］，以消除PT與線路對地電容在某些條件下可能引起的鐵磁諧振［2-3］。隨著電力系統諧波污染的日益嚴重，除了PT自身的變比-頻率響應特性可能引入的諧波電壓測量誤差外［4］，這些不同的中性點接地方式也將給PT的電壓測量引入誤差，從而影響到電能計量的準確性和繼電保護裝置動作的正確性。

目前對于三相PT因中性點接地方式不同造成諧波測量誤差的研究，主要是對實際運行中產生的二次側諧波電壓不平衡現象進行理論分析。文獻［5］根據對實際諧波測量結果的分析，從理論上溯源了4PT接線方式下諧波測量結果異常原因，結論是在該接線方式下零序阻抗增大，使磁通中產生3次諧波成分，造成諧波測量結果中3次諧波成分顯著增大；文獻［6］針對電壓互感器一次側加裝消諧器后導致二次側三相電壓不平衡現象，以變電站實測數據為依據，結合消諧器原理進行分析，指出其主要影響因素是PT勵磁特性以及消諧器電阻值大小，同時提出發生該現象時的查找方法和解決對策；文獻［7］根據中性點有無帶消諧器的兩組PT諧波電壓實際測量結果進行比較，指出影響測量結果的主要是零序分量，并理論分析一次側加裝消諧器后PT測量零序分量的誤差；文獻［8］對10kV電壓互感器中性點連接消諧電阻造成三次諧波電壓超標現象進行分析，并通過帶有消諧電阻的母線PT和中性點直接接地的計量PT同時測量三次諧波電壓含有率進行驗證，針對這種現象提出改進的測試方法；文獻［9，10］針對安裝消諧器后引起PT二次側三相電壓不平衡現象，分別從PT的勵磁特性和零序電流通路進行簡單分析，并初步提出改進措施；文獻［11］通過PT一次側中性點加裝非線性電阻后的諧振實驗，發現非線性電阻的接入會導致中性點電壓升高，PT開口三角測量的零序電壓變大。這些研究雖然都對10kV和35kV不接地系統中改變PT中性點接地方式后二次側的電壓不平衡現象做了初步的分析，但沒有建立起相關試驗平臺對理論分析進行驗證與完善。

本文進行不同中線點接地方式下三相PT組對諧波電壓測量影響的理論分析和試驗研究。首先理論分析三單相PT勵磁特性的差別以及單個PT勵磁特性的非線性所造成的諧波電壓測量誤差，比較不同中性點接地方式下PT諧波電壓測量誤差的大小。設計不同中性點接地方式下三相PT組諧波電壓測量誤差分析的物理試驗平臺，給出了各組成單元的設計方法。進行PT組一次側中性點直接接地和通過消諧電阻接地時各次諧波電壓測量誤差的試驗。通過對試驗數據的分析，驗證了理論分析結果的正確性。

1 三單相PT勵磁特性差別的影響

當三單相PT一次側中性點直接接地時，各相PT的測量互相獨立，勵磁特性的不一致不會對各相測量結果造成影響。圖1所示為一次側中性點經電阻或消諧器接地的等效電路。

圖1 中性點帶電阻的三單相PT組的等效電路

若三個單相PT的勵磁特性存在差異，則每相電流的幅值也不同，在正序、負序、零序諧波電壓作用下，流過一次側中性點的電流分別為：

根據圖1有：

則A相一次繞組上的電壓為：

根據以上分析，若三個單相PT勵磁特性一致時，如果母線諧波電壓為正序性或負序性，流過一次側中性點電流為0，如果母線諧波電壓為零序性，中心點電流不為0，則中性點非直接接地時三單相PT組僅對零序諧波電壓測量有影響，對正序、負序諧波電壓的測量沒有影響；若三個單相PT的勵磁特性存在差異，在各序性質諧波電壓作用下，流過一次側中性點電流均不為0，此時二次側測量的諧波電壓不能準確反映母線的諧波電壓。

2 PT勵磁特性非線性的影響

對于某一相PT，設其原邊電壓為：

根據端電壓與鐵心磁通關系可得：

式中，N1為一次繞組匝數；?為磁通，則有：

式中，?m為磁通的幅值。從上兩式可以看出，在正弦電壓下鐵心磁通也是正弦的，僅相位滯后π／2。根據鐵心的磁化曲線可求得與此磁通相對應的勵磁電流波形。將磁化曲線近似表示為：

將式（3）代入式（4），則有：

又有：

則：

由式（5）可知，此時勵磁電流已經發生畸變，加入了3次諧波，且其峰值與基波峰值重合，構成尖頂波，如圖2所示。副邊繞組感應的電勢為：

圖2 正弦電壓時PT勵磁電流和磁通

把式（3）代入可得：

根據上述各式可知，當在原邊施加正弦電壓時，為保證副邊感應電勢為正弦波，勵磁電流中必須含有3及3的倍數次諧波，且這些諧波電流同相，即為零序性。當PT一次側中性點直接接地時，勵磁電流中的3次零序電流具有流通通路，而當PT一次側中性點通過消諧器或電阻接地時，零序電流流通路徑上阻抗增大很多（為接地電阻3倍），從而阻礙3及3的倍數次零序電流的流動。

從以上理論計算及分析可知，要使PT二次側電壓能夠正確反映出一次側的各次諧波電壓，必須要為勵磁電流提供一個低阻零序通路。當PT一次側中性點經消諧器或電阻接地后，增大了零序通路阻抗，磁通中產生3及3的倍數次諧波成分，造成副邊感應電勢中零序諧波增大，不能真實反映一次側的諧波情況。

3 物理試驗方案設計

圖3為PT中性點接地方式對諧波電壓測量影響試驗研究的原理接線圖。

圖3 物理試驗接線原理圖

試驗線路圖中諧波源的三相輸出電壓分別與3個單相10kV的PT相連接，通過Fluke公司的電能質量分析儀Fluke1760對輸出結果進行記錄。

試驗所用PT的型號為JDZ-10，額定電壓比為10kV：0.1kV，準確等級0.2。消諧器選用的是齒輪形大容量消諧電阻器，型號為LXQ-IV-10，其主要電氣參數見表1，對其進行伏安特性測試，測試結果如表2所示。

表1 消諧器主要電氣參數

表2 消諧器伏安特性

測試過程中由諧波源分別產生如下的諧波電壓：①線電壓有效值10kV的基波疊加線電壓有效值1kV的2～50次各次諧波；②輸入不同幅值的多次諧波電壓疊加；三個單相PT一次側中性點的接地方式分別為直接接地、通過消諧器接地。通過電能質量分析儀記錄得到的PT對各次諧波電壓的測量結果，對這幾種不同的中性點接地方式進行比較。

4 物理試驗結果分析

首先對基波疊加單次諧波進行試驗，得到兩種不同PT一次側中性點接地方式下的試驗數據分別如圖4和圖5所示。

圖4 中性點直接接地時諧波電壓的測量結果

圖5 中性點經消諧器接地時諧波電壓的測量結果

由于輸入的諧波電壓為線電壓1kV，則PT二次側理論測量結果應為5.7735V。

從以上兩圖可以看出，各PT的諧波測量電壓存在一定差異，說明試驗的3個PT的勵磁特性差別較大。且在中性點經消諧器接地時，各PT的測量結果波動較大。兩種中性點接地方式下A相PT測量誤差隨諧波次數變化的曲線如圖6所示。

圖6 兩種中性點接地方式下的各次諧波測量誤差

從圖6中可以看出，PT一次側中性點直接接地時對各次諧波電壓測量的影響較小，隨著諧波次數的增加，測量誤差有所增加，但總體來說測量誤差保持在一個較小范圍內。當PT一次側中性點經消諧器接地時測量值波動較大，隨著諧波次數的增加，誤差逐漸增加，到50次諧波時測量誤差已經達到11%左右，測量結果很不準確。

對第二種諧波情況進行試驗，試驗中同時在額定基波上疊加線電壓800V的3次諧波、600V的5次諧波及400V的7次諧波，得到兩種不同一次側中性點接地方式下的試驗數據如表3和表4所示。

表3 復雜諧波下中性點直接接地時的測量結果

表4 復雜諧波下中性點經消諧器接地時的測量結果

3次、5次、7次諧波的理論測量值應分別為4.619V、3.464V及2.309V，通過表中試驗數據與理論計算值比較發現，中性點經消諧器接地在多次諧波疊加的情況下測量誤差仍然比中性點直接接地時大，3次諧波測量誤差達到20%左右，無法在多次諧波疊加時對各次諧波進行測量。

通過上面的試驗結果對比能夠看出，PT一次側中性點經消諧器接地無法真實反映一次側的諧波電壓狀況，驗證前文的推論。

5 結束語

本文進行PT一次側不同中性點接地方式對諧波電壓測量影響的理論分析，并通過物理實驗進行驗證，所得主要結論如下：

1）當PT一次側中性點直接接地時，由于PT測量相互獨立，諧波測量誤差較小。當PT一次側中性點經消諧器接地時，由于3個單相PT勵磁特性存在一定差別，各序諧波電壓作用下均有電流流過消諧器使中性點電壓升高，導致PT二次側的測量電壓不能正確反映母線電壓。

2）由于PT勵磁特性的非線性，在PT原邊中性點經消諧器接地時，增大了PT勵磁電流中的3及3的倍數次諧波電流通路阻抗，磁通中產生3及3的倍數次諧波成分，造成副邊感應電勢中零序諧波增大，不能真實反映一次側的諧波情況。