電壓互感器（potential transformer, PT）作為電壓監(jiān)測(cè)和保護(hù)采樣的重要電力設(shè)備，通常會(huì)布置于電站開關(guān)站進(jìn)線、出線以及母線回路。目前除部分出線采用電容式電壓互感器（capacitor voltage transformers, CVT），罐裝式電磁式電壓互感器則被廣泛應(yīng)用在氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）中。

由于電磁式電壓互感器存在進(jìn)入飽和區(qū)后呈現(xiàn)非線性的特點(diǎn)，一旦和對(duì)應(yīng)回路中的電容元件組成振蕩回路，就可能激發(fā)持續(xù)時(shí)間較長的鐵磁諧振過電壓，造成PT損壞，極端情況下影響系統(tǒng)安全運(yùn)行。

某電站500kV GIS開關(guān)站投運(yùn)后，在進(jìn)線回路停電操作過程中多次發(fā)生PT三分頻諧振問題，嚴(yán)重威脅電站設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文在分析總結(jié)500kV進(jìn)線PT諧振產(chǎn)生的原因和解決措施的基礎(chǔ)上，對(duì)進(jìn)線PT布置方式進(jìn)行了探討和分析。

1 概述

某電站500kV GIS進(jìn)線短引線停電過程中，即在進(jìn)線隔離刀閘50316斷開的情況下，J4YH所在的短引線回路停電時(shí)，運(yùn)行操作進(jìn)線開關(guān)5032、5031開關(guān)依次由運(yùn)行轉(zhuǎn)熱備用后進(jìn)線PT J4YH均會(huì)發(fā)生三分頻鐵磁諧振。發(fā)生諧振的相別存在隨機(jī)性，諧振峰值電壓約為額定值的2.5～3.0倍，在上述進(jìn)線開關(guān)均轉(zhuǎn)冷備用后，諧振現(xiàn)象消失。主接線示意圖如圖1所示，諧振波形如圖2所示。

為避免PT長時(shí)間諧振，向調(diào)度部門申請(qǐng)將原進(jìn)線短引線停電的操作由進(jìn)線開關(guān)依次轉(zhuǎn)熱備用后再轉(zhuǎn)冷備用的方式調(diào)整為中開關(guān)直接由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用后，邊開關(guān)再由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用。通過優(yōu)化操作順序，減少了開關(guān)熱備用時(shí)間，短時(shí)間內(nèi)有效地保證了設(shè)備安全，但并未徹底解決諧振的問題。

圖1 某電站第3串進(jìn)線主接線示意圖

圖2 進(jìn)線PT典型的三分頻諧振錄波圖

2 諧振問題電路建模分析

通過對(duì)主接線圖進(jìn)行建模分析，將進(jìn)線短引線回路等效為如圖3所示電路模型。根據(jù)電路模型分析電壓互感器發(fā)生諧振的原因是斷路器在投運(yùn)或調(diào)試過程中進(jìn)行切斷操作，接入的斷路器均壓電容和GIS系統(tǒng)對(duì)地電容以及電壓互感器的非線性電感構(gòu)成LC回路，電容與電感發(fā)生匹配，電壓互感器產(chǎn)生鐵磁諧振。

圖3 PT諧振問題電路模型

圖3中，C1為斷路器均壓電容，C2為全部對(duì)地電容，RB為二次負(fù)荷，RE為鐵磁損耗，RCu為高壓繞組電阻，L為電壓互感器電感，U0為電壓源，Rx為消諧裝置電阻，Lx為消諧裝置電感，Re為外部線路對(duì)地電阻。

根據(jù)斷路器均壓電容以及短引線對(duì)地電容值的大小，結(jié)合PT自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了諧振模擬仿真分析計(jì)算。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)同時(shí)熱備用時(shí)，C1= 1080pF，C2=1753pF，電壓仿真波形如圖4所示。

圖4 一次繞組電壓仿真波形（兩個(gè)開關(guān)熱備）

當(dāng)一個(gè)開關(guān)熱備用時(shí)，C1=540pF，C2=1166pF，電壓仿真波形如圖5所示。

圖5 一次繞組電壓仿真波形（一個(gè)開關(guān)熱備）

上述一次繞組電壓仿真波形是在原電壓互感器結(jié)構(gòu)參數(shù)（磁通密度為0.86T）基礎(chǔ)上分析計(jì)算的，仿真結(jié)果與實(shí)際錄波波形圖基本吻合，均為三分頻諧振波形。仿真計(jì)算過程中同樣考慮了二次側(cè)增加阻尼繞組的方案，結(jié)果顯示投入阻尼繞組均能有效抑制諧振，但考慮在二次回路增加阻尼繞組可能會(huì)對(duì)運(yùn)行設(shè)備造成安全風(fēng)險(xiǎn)，后續(xù)解決方案主要還是考慮從改變電壓互感器結(jié)構(gòu)參數(shù)入手，避免諧振的發(fā)生。

3 諧振問題解決方案

由于某電站GIS已投產(chǎn)，在不改變GIS整體布局的前提下，要徹底解決短引線停電時(shí)電壓互感器發(fā)生諧振的問題，需要對(duì)PT產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，即改變PT的電磁參數(shù)，破壞諧振條件。目前國內(nèi)大型罐裝互感器制造廠采用的優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼帶飽和磁通密度約為1.8～1.9T。

某電站原PT設(shè)計(jì)磁通密度為0.86T，當(dāng)發(fā)生三分頻諧振時(shí)，PT磁通密度為B1=0.86×3=2.58T，遠(yuǎn)大于冷軋硅鋼帶的飽和磁通密度，因此可以解釋某電站在短引線停電的過程中必然會(huì)發(fā)生三分頻諧振。

由于現(xiàn)場(chǎng)GIS空間布置原因，在不增加現(xiàn)有PT鐵心尺寸的前提下，如何能夠進(jìn)一步降低PT的磁通密度。

通過改變一次繞組的匝數(shù)改變了電壓互感器的一次電感值，這種變化不牽涉到產(chǎn)品主絕緣設(shè)計(jì)的變化，不需要型式試驗(yàn)。調(diào)整后的產(chǎn)品仍然可以確保二次繞組容量和準(zhǔn)確級(jí)的技術(shù)要求，也不會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成影響。改進(jìn)結(jié)構(gòu)后，由于PT非線性電感的變化可以避開某些工況的諧振電容匹配點(diǎn)，互感器理論上就不會(huì)發(fā)生諧振。

3.1 PT第一次優(yōu)化改進(jìn)

通過調(diào)整電壓互感器一、二次繞組匝數(shù)，將PT磁通密度由原來的0.860T降低到0.577T。新的PT安裝至現(xiàn)場(chǎng)后，進(jìn)行了11次諧振工況驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)諧振一次，諧振問題由大概率事件轉(zhuǎn)變?yōu)樾「怕适录晕赐耆T停電后的過渡過程較長，如圖6所示（A相過渡過程持續(xù)時(shí)間最長大約1280ms，三相電壓峰值643kV，PT正常運(yùn)行電壓峰值為434kV，熱備用正常感應(yīng)電壓峰值為180kV）。

圖6 第一次優(yōu)化后的工況錄波圖

第一次PT優(yōu)化后，磁通密度降低到了0.577T，但按照諧振發(fā)生的頻率三分頻計(jì)算，在諧振發(fā)生時(shí)磁通密度B2=0.577×3=1.731T，PT鐵心處于飽和的臨界狀態(tài)，這與現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的諧振現(xiàn)象吻合。

3.2 PT第二次優(yōu)化改進(jìn)

依據(jù)PT第一次優(yōu)化改進(jìn)后的分析復(fù)核，通過進(jìn)一步增加產(chǎn)品的一、二次繞組匝數(shù)，將磁通密度降至0.5T，操作過程中發(fā)生三分頻諧振時(shí)，磁通密度B3=1.5T，遠(yuǎn)低于鐵心的飽和密度1.8～1.9T，因此，原理上通過此次改進(jìn)可有效抑制操作過程中發(fā)生的因鐵心飽和引起的諧振現(xiàn)象。

第二次繞組匝數(shù)增加后，相應(yīng)的繞組阻抗增大，產(chǎn)品的誤差就會(huì)增大，無法保證原設(shè)計(jì)要求的準(zhǔn)確級(jí)精度，通過降低原PT二次輸出容量，以滿足準(zhǔn)確級(jí)精度的要求。第二次產(chǎn)品安裝至現(xiàn)場(chǎng)后，經(jīng)過多次諧振工況驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明諧振問題已徹底解決。

圖7 第二次優(yōu)化后的工況錄波圖

4 GIS進(jìn)線PT安裝位置探討

110kV及以上電壓等級(jí)的開關(guān)站均有類似PT諧振的問題出現(xiàn)，但主要集中在母線較短的母線電壓互感器上，其安裝位置是無法改變的，只有通過優(yōu)化PT的電磁參數(shù)去降低諧振事件的發(fā)生概率。但對(duì)于類似某電站進(jìn)線PT諧振的問題，設(shè)計(jì)初期可以將進(jìn)線PT設(shè)計(jì)在進(jìn)線隔離開關(guān)（50316）靠變壓器側(cè)（如圖8所示）。

由于主變壓器以及主變壓器高壓引線對(duì)地電容參數(shù)較大，且回路引入了主變壓器電氣參數(shù)，因此原理上不會(huì)與電壓互感器結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生諧振匹配，從根本上破壞了諧振的條件，同時(shí)不影響PT的正常功能。

如果將進(jìn)線PT布置在進(jìn)線隔離開關(guān)靠主變壓器側(cè)（如圖8所示），可以有效解決PT諧振的問題，但同時(shí)也會(huì)給電站運(yùn)行維護(hù)工作造成一定影響。

根據(jù)電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，檢修維護(hù)人員需要定期對(duì)主變壓器及其套管進(jìn)行相關(guān)的預(yù)防性試驗(yàn)，目前采用GIS進(jìn)線的大型主變壓器高壓套管大多采用油/SF6套管，由于對(duì)油/SF6套管斷引需要進(jìn)行SF6氣體作業(yè)，且作業(yè)工作面施工難度較大。

某電站在主變壓器診斷評(píng)估未出現(xiàn)明顯隱患的情況下，一般采取主變壓器高壓側(cè)不斷引的方式開展相關(guān)預(yù)防性試驗(yàn)，即通過進(jìn)線隔離刀閘靠主變壓器側(cè)的接地刀閘接地連片進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，例如直流電阻測(cè)試、套管介質(zhì)損耗測(cè)試等，可以節(jié)省大量的人力物力，且通過對(duì)比同一試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可以有效判斷主變壓器的運(yùn)行情況，但如果設(shè)計(jì)階段將PT安裝在進(jìn)線隔離開關(guān)靠主變壓器側(cè)，由于PT引入到了上述試驗(yàn)回路，就無法在不斷引的情況下繼續(xù)開展主變壓器相關(guān)的預(yù)防性試驗(yàn)。

圖8 進(jìn)線PT改變安裝位置后的接線示意圖

5 結(jié)論

本文結(jié)合某電站GIS進(jìn)線PT的實(shí)際案例，深入分析了PT諧振產(chǎn)生的原因，并就諧振問題的處理方法進(jìn)行了闡述，就PT的布置對(duì)設(shè)備運(yùn)行安全和設(shè)備運(yùn)行維護(hù)帶來的影響進(jìn)行了探討，為后續(xù)電站進(jìn)線PT的選型以及安裝位置的選擇提供了參考。

本文編自2020年第8期《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“500kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備電壓互感器諧振問題分析”，作者為賈敬禮。