1 概述

目前國內10~35kV電網系統一般采用中性點不接地和諧振接地兩種運行方式。為了測量三相對地電壓和監視對地絕緣，在變電站的中壓母線段上接有電磁式電壓互感器(以下簡稱 PT)，且 PT的中性點直接接地。PT高壓側接有高壓熔斷器作為保護，兩者共同安裝在專設的PT開關柜內。

運行經驗表明，電網系統內經常發生PT高壓熔斷器異常熔斷、PT 設備燒毀等故障，嚴重威脅作業人員的人身安全，同時產生巨大的設備損失，甚至可能引起母線短路、主變掉閘等電網停電事故。

研究表明，PT故障的本質原因是PT過勵磁。一方面，10~35 kV中性點不接地系統中，在一定電網擾動(操作沖擊或單相接地)條件下，如果 PT被激發鐵磁諧振，鐵磁諧振將會持續相當長時間，導致PT長時間處于過勵磁狀態，最終將會造成嚴重的PT故障，我們稱其為Ⅰ類故障。另一方面，單相接地電弧熄滅或重燃時，線路對地電容電荷進行重新分配，此過程中將形成電磁振蕩并產生過電壓，最高過電壓倍數可達 3.5倍，從而導致PT過勵磁，頻繁間歇性孤光接地使PT過勵磁發熱，最終可能引起PT固體絕緣失效，我們稱其為Ⅱ類故障。

2 PT故障理論分析

2.1 Ⅰ類故障(鐵磁諧振)的原理

中性點不接地系統的等值電路見圖1，PT 勵磁電感與系統對地電容形成并聯諧振回路，在某些條件下將會激發鐵磁諧振現象。

 

圖1  中性點非有效接地系統的等值電路

線路對地等效容抗為X_C0，PT對地等效電抗為X_m，正常運行時，X_C0<<X_m，系統不發生諧振；但在某種電網擾動的激勵作用下，PT鐵心發生飽和導致X_m減小，當 X_C0/X_m＞0.01 時，系統就可能發生鐵磁諧振。

鐵磁諧振主要分為基波諧振、高頻諧振和分頻諧振 3種形式。發生諧振時，通常兩相電壓升高，一相電壓降低，并形成“虛幻接地”現象，鐵磁諧振導致PT鐵心飽和，勵磁電流倍增。鐵磁諧振一旦被激發，持續時間較長，只有諧振條件被破壞才可能中止。

需要指出，1/2分頻諧振區域的參數區間最大，且危害最為嚴重，一旦發生分頻諧振，PT 鐵心將進入深度飽和，導致PT嚴重的過流、過熱故障。

2.2 Ⅱ類故障((弧光接地過電壓)的原理

Ⅱ類故障主要由間歇性弧光接地過電壓導致，其原理見圖 2。假如系統 C 相接地，非故障 A、B 相充以與線電壓對應的電容電荷；當電弧熄滅時，A、B兩相電壓恢復至相電壓，其電荷將重新分配至三相；經過半個周期后電弧重燃，電荷將再次重新分配。電弧熄滅或重燃后的電荷分配實際是一種電磁振蕩過程，能夠形成最高可達 3.5 倍的過電壓。頻繁的弧光接地過電壓引起 PT 過勵磁，最終引發PT過熱故障。

 

圖2  Ⅱ類故障(弧光接地過電壓)電荷分配過程示意圖

需要指出，目前高壓電纜使用量不斷提高，造成系統電容電流急劇增加，如果消弧線圈容量不足，電弧可能發生多次重燃，弧光接地引起的電磁振蕩過程更加劇烈，這是PT故障多次發生的重要原因。

故從Ⅱ類故障原理的角度考慮，我司特別推薦客戶選用“快速消弧及接地選線裝置”從根本上解決弧光接地過電壓的問題，大幅度減少PT鐵磁諧振的可能。

3 現有消諧措施的局限性

3.1改善 PT 勵磁特性，提高 PT 勵磁特性的飽和點電壓。

PT勵磁特性的飽和點電壓過低，在運行過程中容易進入 PT鐵心飽和狀態。提高 PT勵磁特性的飽和點電壓能有效提高 PT 抗過勵磁能力，降低PT 故障率。然而目前各互感器生產商的品質差次不齊，且使用單位很少具備檢測手段，故單純靠改善勵磁特性，也很難保證其運行安全。

3.2 在PT高壓側中性點串接單相PT

該措施在早期敞開式10 kV/35 kV系統使用過，目前應用非常少，其缺點主要有：一是破壞了PT中性點接地條件，影響 PT 測量精度和性能；二是單相接地或諧振時，閉口三角繞組內形成很大環流，PT 負荷增加，極易引發 PT 過熱故障；三 是PT開口三角繞組被短接后，無法發出系統單相接地信號。

3.3 PT 二次開口三角繞組接入阻尼電阻

二次電阻阻值應滿足：R△＜0.4X_m/K₁₃²(K₁₃為 PT一次繞組與開口三角繞組的變比)，該電阻阻值很小(約數kΩ)。二次消諧存在兩個缺陷：一是不具備一次限流功能，因此對于Ⅱ類故障不起作用；二是電阻熱容量小，單相接地或鐵磁諧振均在開口三角繞組形成零序電壓，可能導致二次電阻長時間過熱燒毀。運行經驗表明，二次電阻發熱燒毀的案例很多，且對Ⅱ類故障無限流效果，這是二次消諧的重要缺陷。

3.4 在 PT高壓側中性點側串接碳化硅電阻，增加諧振回路阻尼。

碳化硅電阻是一種類似于氧化鋅避雷器的壓敏電阻，具有非線性伏安特性：正常運

行條件下呈現為高阻(約百kΩ)特性；當鐵磁諧振或電荷轉移引起零序電流增加時，其阻值快速下降(幾十kΩ)。上述電阻特性存在兩個缺點：一是正常運行時阻值過大可能導致PT三相電壓不平衡；二是PT過勵磁時，阻值太小，消諧和限流功能下降，不利于抑制PT故障發生。

4 電壓監控及PT保護成套裝置

電壓監控及PT保護成套裝置（VMHE）基于Ⅰ類故障(鐵磁諧振)和Ⅱ類故障((弧光接地過電壓)的理論分析，應用MATLAB和PSCAD對中壓配電網的不接地和諧振接地運行方式進行各項仿真，并突破性的采用了新型自適應消諧器，同時配置微機二次消諧裝置作為后備保護，實現全局性消諧。提供全面的母線電壓監測和故障錄波功能，極大地方便了用戶對于供電系統的管理和控制。

本公司生產的防爆型大容量低殘壓過電壓保護器，保護殘壓比普通避雷器低30%以上，對弱絕緣如電機類設備及固體絕緣設備的過電壓保護有著極為重要的作用。

4.1 一次原理

 

圖3 一次原理圖

標注釋義：GN隔離開關、FU高壓熔斷器、PT電壓互感器、AER新型自適應消諧器、OVP防爆型大容量低殘壓過電壓保護器、VS帶電傳感器、VMHE-C錄波型電壓智能監控器、THE微機二次消諧裝置。

4.2 基本原理

正常運行時，錄波型電壓智能監控器實時不間斷的監測PT提供的電壓信號，一旦發生PT斷線、過壓、欠壓、低電壓、諧振、弧光接地等現象，監控器利用DSP高速、重復的數據處理能力實現傅立葉分析，通過對電壓互感器PT的二次電壓進行采集、判斷，及時準確地對系統各種狀態進行分析，判斷出系統的故障情況，液晶屏顯示故障類別，并對故障進行錄波和存儲，同時輸出相應的開關量接點信號，用于報警。裝置具有RS485或RS232接口，配有標準的Modbus通訊規約，與用戶微機監控系統實現數據遠距離通訊和數據傳送。

 

4.3 消諧原理

將 AER新型自適應消諧器串聯安裝在PT中性點與地之間，正常運行狀態下電阻約為 kΩ級，而 PT一次繞組的阻抗為MΩ級，因此不會對 PT 的各項性能產生影響；當

發生諧振或電荷轉移時，AER新型自適應消諧器因過流發熱而溫度升高，電阻快速增長，發揮良好的阻尼和限流作用。當諧振消失后，電阻隨著溫度下降，自動恢復至低阻值狀態，使得PT自動恢復至正常運行狀態。

AER新型自適應消諧器具有優異的“自適應”特性，即諧振能量越大，消諧時間越短；沖擊涌流越大，限流作用越強。

THE微機二次消諧裝置實時采集電壓互感器PT的二次電壓，當系統發生諧振故障時，首先鑒別高頻、基頻和分頻諧振，準確判斷系統存在諧振過電壓后, 消諧裝置就啟動消諧程序, 發出高頻脈沖群, 使在開口三角形繞組兩端的晶閘管交替過零觸發導通，使PT 飽和過電壓迅速消除，達到消除諧振的目的。該裝置作為自適應消諧器的后備消諧措施，同時該消諧裝置具有可視化的人機界面和故障記錄功能。

4.4 核心技術

4.4.1錄波型電壓智能監控器

1. 本裝置集電壓監測、諧波監測、故障錄波等功能一體化，可取代常規的PT柜監測儀表及保護裝置；

2. 通過采集電壓信號，實時顯示系統的三相相電壓和線電壓；

3. 實時對系統的諧波含量進行監測；

4. 可準確對PT斷線、過壓、欠壓、低電壓、諧振、弧光接地等進行判斷和分析；

5. 運行故障追憶功能齊全，顯示最近20次歷史故障記錄；

4.4.2微機二次消諧裝置

1. 對高頻、基頻和分頻諧振進行判斷，并顯示諧振類型；

2. 提供可視化人機界面，界面友好易閱讀；

3. 采用大容量雙向可控硅交替過零導通手段，實現PT快速二次消諧；

4.4.3新型自適應消諧器

1. 結構簡單、體積小巧，安裝方便，運行可靠；

2. 正常運行條件下，消諧器呈現低阻，不改變電壓互感器的運行工況，對互感器的測量精度不會產生影響。發生PT鐵磁諧振時，消諧器因快速呈現高阻而實現快速消諧;

3. 能夠限制電壓互感器一次繞組的激磁電流突增，防止因電壓互感器一次繞組電流增加，熔斷器熔斷后因能量不足不能滅弧引發的母線短路事故；

4. 新型自適應消諧器能夠實現連續快速消諧，基波諧振的消諧時間約為 1.56s，分頻諧振的消諧時間約為 2.1s左右，諧振過電壓幅值越大，消諧時間越短，對于電氣設備絕緣極為有利；

5. 在 3.5倍工頻過電壓作用下，消諧器能夠將PT激磁電流限制在100mA以下，不會導致因PT一次熔斷器熔斷后不能熄弧引發的母線短路事故；

6. 針對諧波含量較大或經常發生接地故障的系統，用戶可以選配新型自適應自監測消諧器，該消諧器在完成上述功能情況下，額外增加了自檢功能，可實時對消諧器的動作情況進行監測和告警；

7. 新型自適應消諧器為我司專利產品；

4.4.4防爆型大容量低殘壓過電壓保護器

1. 陡坡響應特性好，無截波，對保護設備無不良影響；

2. 響應速度快，無放電時延，響應速度為納秒量級；

3. 耐污穢，并可廣泛應用于高海拔地區；

4. 該產品具有防爆功能；

5. 10kV2ms方波電流可達2000A；35kV2ms方波電流可達1500A。

6. 具有良好的低殘壓特性，保護殘壓比普通避雷器低30%以上，更可有效的保護設備的絕緣。

4.4.5高飽和點電壓互感器

1. 選用勵磁特性飽和點較高的互感器，鐵心不易飽和，很難激發起諧振；

2. 采用優質硅鋼片，降低工作磁密，有效遏制最大過電壓下互感器不飽和；

4.5 型號命名

型號命名規則：VMHE-電壓等級-方波電流/2ms-隔離方式-選配；

隔離方式分：固定式隔離開關IS，隔離手車IH；

方波電流：600、800、1000、1500、2000A；

選配：如需要新型自適應自監測消諧器，代號為SC

例：VMHE-12kV-1000A/2ms-IS，即表示2ms方波電流要求是1000A，其他標配，自適應消諧器不帶自檢功能。

4.6 技術參數