摘 要：為了研究PT鐵磁諧振所帶來的影響，分析其影響因素，以10 kV低壓配電網(wǎng)形成PT鐵磁諧振過電壓的基本原理為基礎(chǔ)，利用EMTP-ATP計(jì)算機(jī)軟件，構(gòu)建中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)仿真模型。以電壓互感器的勵(lì)磁特性、三相參數(shù)不平衡2大因素對鐵磁諧振影響為例，進(jìn)行仿真計(jì)算分析。仿真結(jié)果表明：PT鐵磁特性較佳，可以減少諧振發(fā)生的概率，不過不能完全消除；此外，PT鐵磁諧振產(chǎn)生較多的幾率，受三相參數(shù)不平衡，或者對地電容大小不平衡等因素影響較大?；诜抡娼Y(jié)果開展對各影響因素范圍進(jìn)行比較，進(jìn)而為10 kV配網(wǎng)電壓互感器PT鐵磁諧振防治措施提供相關(guān)參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：10 kV配電網(wǎng)電壓；互感器；PT鐵磁諧振；電壓仿真

中圖分類號：

TM451;TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0185-04

Simulation model study of abnormal PT ferromagnetic resonance of 10 kV distribution network voltage transformer

LU Xiaoyu，GAO Yueda，ZHAO Zhe

（Electric Energy Metering Branch of Inner Mongolia Power （Group） Co.，Ltd.，Hohhot 010000，Inner Mongolia China）

Abstract：In order to study the effect of PT ferromagnetic resonance and analyze the influencing factors，based on the basic principle of PT ferromagnetic resonance overvoltage formation in 10 kV low voltage distribution network，the simulation model of neutral point ungrounded system was established by using EMTP-ATP computer software.Taking the excitation characteristics of voltage transformer and the three-phase parameter imbalance as two major factors affecting the ferromagnetic resonance，the simulation calculation and analysis were carried out.The simulation results showed that the characteristics of ferromagnetic resonance of PT was better，which reduced the probability of resonance generation，but it could not be completely eliminated.In addition，the PT ferromagnetic resonance had a higher chance of occurrence，which was greatly affected by the three-phase parameter imbalance or the ground capacitance imbalance.Based on the simulation results，the comparison of the influence factors range was carried out，and then the relevant reference data for the prevention and control measures of 10 kV distribution network voltage transformer PT ferromagnetic resonance were provided..

Key words：10 kV distribution network voltage;transformer;PT ferromagnetic resonance;voltage simulation

近年來，我國電力系統(tǒng)快速發(fā)展，各種電壓等級電力線路快速增加，PT數(shù)量日益增多，特別在10 kV配電網(wǎng)中，因PT鐵磁諧振而導(dǎo)致系統(tǒng)過電壓引發(fā)電力設(shè)備被燒毀的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，這嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，因此加強(qiáng)對10 kV配電網(wǎng)電壓互感器PT鐵磁諧振過電壓研究，對于低壓配電網(wǎng)，特別10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要現(xiàn)實(shí)意義?；诖耍岢鰪膯蜗嘟拥?、電壓互感器的勵(lì)磁特性（別名“伏安特性”）、三相參數(shù)不平衡等方面探討10 kV配網(wǎng)電壓互感器PT鐵磁諧振過電壓仿真分析，為10 kV配網(wǎng)PT鐵磁諧振防治措施提供相關(guān)參考數(shù)據(jù)［1-2］。

1 形成PT鐵磁諧振基本原理

電磁PT鐵芯勵(lì)磁特性的飽和是導(dǎo)致PT鐵磁諧振產(chǎn)生最重要原因。在PT鐵芯線圈通過小數(shù)值電流，線性電感特殊性能等同于線圈的勵(lì)磁電感性能，一般采用較為常見的數(shù)據(jù)完成描述，仍保持原樣，沒有產(chǎn)生變化。流經(jīng)PT鐵芯線圈上的電流I日益提高，與某數(shù)值較接近，而且還超過該數(shù)值時(shí)，鐵芯將處于飽和狀態(tài)，則所產(chǎn)生的激勵(lì)磁電感叫做非線性電感，與電流的變化表現(xiàn)出相反的運(yùn)行形式［3-5］。

2 建立電壓互感器仿真模型

PT鐵芯元件具備勵(lì)磁特性的非線性導(dǎo)致電磁式PT形成鐵磁諧振。構(gòu)建仿真模型，通過仿真計(jì)算獲得精準(zhǔn)、穩(wěn)定的電壓互感器勵(lì)磁參數(shù)。

圖1（a）為10 kV配電網(wǎng)中主接線圖，該圖中的主接線為中性不接地。由于10 kV側(cè)中性點(diǎn)未與大地進(jìn)行連接（俗稱“接地”），所以當(dāng)電路發(fā)生故障時(shí)，無零序電流產(chǎn)生，從中能夠觀察到，零序電流僅能形成環(huán)流，不過該環(huán)流隨主變壓器再次側(cè)行，此外，與其阻值相同的零序阻抗表現(xiàn)出非常龐大。同理，系統(tǒng)出線有時(shí)為電纜線，有時(shí)卻為架空線路，該出線數(shù)量多少，一般依據(jù)所需要現(xiàn)實(shí)狀況來進(jìn)行確定。

在系統(tǒng)中產(chǎn)生鐵磁諧振過程中，鐵磁諧振受零序分量影響較嚴(yán)重。而鐵磁諧振遭受相間電容、線路互感等方面影響卻非常有限，在對其進(jìn)行仿真時(shí)，不在考慮范圍之內(nèi)。諧振過程中所形成的過電壓與過電流大小，以及諧振頻率的快慢通常是由下列幾方面確定的：首先是由電路中正常工作的電壓；其次是配電網(wǎng)中線路距離遠(yuǎn)、近；再次是PT總電阻；最后是非線性電感參數(shù)的作用［6-8］?；ジ衅鞯目傠娮瑁诤艽蟪潭壬铣^變壓器里線圈繞組阻抗，以及在線路上流過電路所受到阻礙的量（阻抗值）。在仿真實(shí)際計(jì)算過程中，利用Z（較小阻抗值）對其實(shí)現(xiàn)替換，等效仿真模型如圖1（b）所示。

由圖1（b）可知，Ka、Kb、Kc均為3個(gè)理想時(shí)控開關(guān)，借助于調(diào)整K2開-斷時(shí)間，能夠進(jìn)行在同一時(shí)間，或者不同時(shí)間的合閘；C相經(jīng)K2實(shí)現(xiàn)連接地線，再運(yùn)用時(shí)控開關(guān)的閉合與斷開，能夠模擬單相電路接地故障的出現(xiàn)與消失，需要在中性點(diǎn)連接上接地開關(guān)，并且在仿真時(shí)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。按照描述的等效仿真模型，對在不同條件影響下產(chǎn)生的鐵磁諧振時(shí)的3個(gè)不同方面進(jìn)行深入研究，首先為過電壓數(shù)值變化，其次為過電流數(shù)值變化，最后為振蕩波動(dòng)變化的形狀。此外，還運(yùn)用該模型進(jìn)行去除諧振方法的仿真比較分析［9-10］。

2.1 仿真參數(shù)的確立

PT型號參數(shù)：額定電壓10 kV，

額定頻率50 Hz，

額定一次電壓10/3 kV。

借助于仿真分析，電壓互感器的阻值設(shè)定為2 280 Ω。電壓互感器變換之后，采用MATLAB軟件繪制非線性電感的韋安特性與伏安特性。

2.2 確定系統(tǒng)參數(shù)

三相電壓由Ea、Eb、Ec表示，鐵磁諧振隨著電壓增高，發(fā)生頻率增多，在對稱運(yùn)行過程中依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)， 設(shè)定系統(tǒng)電壓為11 kV；由此計(jì)算出電壓幅值Uφ=2×11/3=8.98 kV，它的有效值U計(jì)算出為6.35 kV。Ea、Eb、Ec均分別代表不考慮外在影響因素的理想開關(guān)，說明在很短的時(shí)間內(nèi)就能夠?qū)崿F(xiàn)切斷電源，此時(shí)，切斷電源的電流等于0，倘若將理想開關(guān)進(jìn)行閉合，其內(nèi)阻抗等于0。Z代表阻抗，它主要指存在于變壓器與線路上的阻抗，但是這類阻抗值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PT阻抗值，所以它的阻抗值設(shè)定一種較小的阻抗值（1+j1）Ω；C0代表對地電容，它并不固定，其數(shù)值大小主要由導(dǎo)線長度與它的型號進(jìn)行確定［11-12］。

3 PT鐵磁諧振仿真研究

3.1 PT鐵磁諧振受其勵(lì)磁特性影響

通過相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)T鐵磁諧振受其勵(lì)磁特性影響進(jìn)行較為直觀地分析。所以，將勵(lì)磁特性質(zhì)量較佳的電壓互感器取名為1#，其特性質(zhì)量較差的取名為3#，并且三相都使用了1#與3#。激發(fā)形式是C相接地，tcl=0.02 s，top=0.08 s，對電力系統(tǒng)的對地電容C0值進(jìn)行變化之后獲得電壓幅值、電流幅值和PT諧振狀況，具體結(jié)果如表1所示。

將實(shí)驗(yàn)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)與表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可知電壓互感器勵(lì)磁性更強(qiáng)，對地電容進(jìn)行參數(shù)配置的范疇更小，PT鐵磁諧振形成的機(jī)會將在一定程度上減少；倘若通過外因素的影響來激發(fā)PT鐵磁形成諧振，或者沒有形成諧振，但有一定強(qiáng)度振蕩時(shí)，那么流經(jīng)電壓互感器上的過電流較小，降低了電壓互感器因產(chǎn)生故障而燒壞的機(jī)會，互感器勵(lì)磁特性線性愈佳 ，那么鐵磁諧振對電壓互感器等設(shè)備的傷害也就愈低［13-15］。

若選取3#電壓互感器，它的伏安特性線性度質(zhì)量不佳，并且對地電容值過分弱小時(shí)，電路中將會出現(xiàn)非常強(qiáng)烈的諧波，而且其形狀將產(chǎn)生不太正常的變化，同時(shí)還會促進(jìn)電壓增高。當(dāng)C0=0.000 25 μF時(shí)，諧波波狀如圖2呈現(xiàn)的形態(tài)，從該圖中很容易觀察到過電流幅值偏低時(shí)，系統(tǒng)一樣會產(chǎn)生危險(xiǎn)。

線性度頗佳的電壓互感器可以有效地減少鐵磁

諧振產(chǎn)生機(jī)會，同時(shí)還能降低其電流，但電壓互感器等效勵(lì)磁電感器還隸屬于非線性，較多的外部影響因素依然能夠使得電壓互感器產(chǎn)生鐵芯飽和，沒有辦法從根源上約束鐵磁諧振的形成。

3.2 PT鐵磁諧振受三相參數(shù)不平衡的影響仿真分析

對仿真計(jì)算依據(jù)均是在電壓互感器（三相）具有同樣的伏安特性基礎(chǔ)之上，除此之外，還有相同的對地電容C0，即三相對稱運(yùn)行。但在電力系統(tǒng)配電網(wǎng)正常運(yùn)行中，由于生產(chǎn)等因素，電壓互感器勵(lì)磁特性不能全部一樣，即使型號一樣的電壓互感器勵(lì)磁特性也是不同的，具有不同程度的差別；還會受到自然條件等因素作用，導(dǎo)致線路無法保證對地電容（三相）達(dá)到100%的均衡。所以，后續(xù)對三相電壓互感器伏安特性與其對地電容不一致而引起的鐵磁諧振的狀況進(jìn)行深入分析［16-18］。

由于受生產(chǎn)材料與地理?xiàng)l件的影響，三相對地電容不能全部達(dá)到均衡，將給鐵磁諧振帶來嚴(yán)重的影響。對地電容不均衡（三相）通常存在2種情況，第1種情況屬于三相二者之間均表現(xiàn)出不均衡狀態(tài)；第2種情況為二相相同，另一相不同。

以第2種情況為例，即A相、B相對地電容一致，但C相對地電容不一致，運(yùn)用相關(guān)模型，使用2#電壓互感器，激發(fā)形式應(yīng)用B相、C相接地，tcl=0.02 s，top=0.08 s，三相對地電容選取不同數(shù)值仿真結(jié)果見表2。

由表1、表2可知，三相對地電容在不同條件下，產(chǎn)生鐵磁諧振的情況也不一樣，三相對地電容在不平衡條件下，產(chǎn)生鐵磁諧振機(jī)會增多；三相對地電容相互之間存在的差距越大，則產(chǎn)生鐵磁諧振的機(jī)會越多。由表2觀察到，三相對地電容值與鐵磁諧振受電容不均衡的影響呈現(xiàn)反比關(guān)系，即前者偏小，則后者的影響就更嚴(yán)重，同時(shí)還會容易引起瞬間的高頻諧振。

對地電容CA=CB=0.002 μF，CC=0.001 μF，則A相單相接地引起的鐵磁諧振波形變化情況見圖3。

由圖3可觀察到，高頻和基頻2種諧振實(shí)現(xiàn)疊加，能形成很大的過電壓，再與表1進(jìn)行比較可知，在同一條件下，三相對地電容數(shù)值沒有差別，系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩較弱，造成危害不大。

4 結(jié)語

構(gòu)建了10 kV配網(wǎng)電壓系統(tǒng)仿真模型，通過仿真指出PT鐵磁諧振的產(chǎn)生受到電壓互感器的勵(lì)磁特性和三相參數(shù)不平衡的影響。PT鐵勵(lì)磁特性較佳，可以減少諧振的產(chǎn)生機(jī)會，但不能完全消除。PT鐵磁諧振產(chǎn)生的幾率受到三相參數(shù)不平衡的顯著影響，這增加了諧振的發(fā)生概率。同時(shí)，對地電容大小不平衡也對PT鐵磁諧振產(chǎn)生較大的影響。這為10 kV配網(wǎng)電壓互感器PT鐵磁諧振的防治措施提供了數(shù)據(jù)參考。

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