電壓互感器（potential transformer, PT）作為電壓監測和保護采樣的重要電力設備，通常會布置于電站開關站進線、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用在氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switchgear, GIS）中。

由于電磁式電壓互感器存在進入飽和區后呈現非線性的特點，一旦和對應回路中的電容元件組成振蕩回路，就可能激發持續時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安全運行。

某電站500kV GIS開關站投運后，在進線回路停電操作過程中多次發生PT三分頻諧振問題，嚴重威脅電站設備的安全穩定運行。本文在分析總結500kV進線PT諧振產生的原因和解決措施的基礎上，對進線PT布置方式進行了探討和分析。

1 概述

某電站500kV GIS進線短引線停電過程中，即在進線隔離刀閘50316斷開的情況下，J4YH所在的短引線回路停電時，運行操作進線開關5032、5031開關依次由運行轉熱備用后進線PT J4YH均會發生三分頻鐵磁諧振。發生諧振的相別存在隨機性，諧振峰值電壓約為額定值的2.5～3.0倍，在上述進線開關均轉冷備用后，諧振現象消失。主接線示意圖如圖1所示，諧振波形如圖2所示。

為避免PT長時間諧振，向調度部門申請將原進線短引線停電的操作由進線開關依次轉熱備用后再轉冷備用的方式調整為中開關直接由運行轉冷備用后，邊開關再由運行轉冷備用。通過優化操作順序，減少了開關熱備用時間，短時間內有效地保證了設備安全，但并未徹底解決諧振的問題。

圖1 某電站第3串進線主接線示意圖

圖2 進線PT典型的三分頻諧振錄波圖

2 諧振問題電路建模分析

通過對主接線圖進行建模分析，將進線短引線回路等效為如圖3所示電路模型。根據電路模型分析電壓互感器發生諧振的原因是斷路器在投運或調試過程中進行切斷操作，接入的斷路器均壓電容和GIS系統對地電容以及電壓互感器的非線性電感構成LC回路，電容與電感發生匹配，電壓互感器產生鐵磁諧振。

圖3 PT諧振問題電路模型

圖3中，C1為斷路器均壓電容，C2為全部對地電容，RB為二次負荷，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為外部線路對地電阻。

根據斷路器均壓電容以及短引線對地電容值的大小，結合PT自身的結構參數進行了諧振模擬仿真分析計算。當兩個開關同時熱備用時，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（兩個開關熱備）

當一個開關熱備用時，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（一個開關熱備）

上述一次繞組電壓仿真波形是在原電壓互感器結構參數（磁通密度為0.86T）基礎上分析計算的，仿真結果與實際錄波波形圖基本吻合，均為三分頻諧振波形。仿真計算過程中同樣考慮了二次側增加阻尼繞組的方案，結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對運行設備造成安全風險，后續解決方案主要還是考慮從改變電壓互感器結構參數入手，避免諧振的發生。

3 諧振問題解決方案

由于某電站GIS已投產，在不改變GIS整體布局的前提下，要徹底解決短引線停電時電壓互感器發生諧振的問題，需要對PT產品的結構設計進行改進，即改變PT的電磁參數，破壞諧振條件。目前國內大型罐裝互感器制造廠采用的優質冷軋硅鋼帶飽和磁通密度約為1.8～1.9T。

某電站原PT設計磁通密度為0.86T，當發生三分頻諧振時，PT磁通密度為B1=0.86×3=2.58T，遠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發生三分頻諧振。

由于現場GIS空間布置原因，在不增加現有PT鐵心尺寸的前提下，如何能夠進一步降低PT的磁通密度。

通過改變一次繞組的匝數改變了電壓互感器的一次電感值，這種變化不牽涉到產品主絕緣設計的變化，不需要型式試驗。調整后的產品仍然可以確保二次繞組容量和準確級的技術要求，也不會對其他設備造成影響。改進結構后，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，互感器理論上就不會發生諧振。

3.1 PT第一次優化改進

通過調整電壓互感器一、二次繞組匝數，將PT磁通密度由原來的0.860T降低到0.577T。新的PT安裝至現場后，進行了11次諧振工況驗證試驗。試驗結果出現諧振一次，諧振問題由大概率事件轉變為小概率事件，但仍未完全消除。PT停電后的過渡過程較長，如圖6所示（A相過渡過程持續時間最長大約1280ms，三相電壓峰值643kV，PT正常運行電壓峰值為434kV，熱備用正常感應電壓峰值為180kV）。

圖6 第一次優化后的工況錄波圖

第一次PT優化后，磁通密度降低到了0.577T，但按照諧振發生的頻率三分頻計算，在諧振發生時磁通密度B2=0.577×3=1.731T，PT鐵心處于飽和的臨界狀態，這與現場發生的諧振現象吻合。

3.2 PT第二次優化改進

依據PT第一次優化改進后的分析復核，通過進一步增加產品的一、二次繞組匝數，將磁通密度降至0.5T，操作過程中發生三分頻諧振時，磁通密度B3=1.5T，遠低于鐵心的飽和密度1.8～1.9T，因此，原理上通過此次改進可有效抑制操作過程中發生的因鐵心飽和引起的諧振現象。

第二次繞組匝數增加后，相應的繞組阻抗增大，產品的誤差就會增大，無法保證原設計要求的準確級精度，通過降低原PT二次輸出容量，以滿足準確級精度的要求。第二次產品安裝至現場后，經過多次諧振工況驗證試驗，結果表明諧振問題已徹底解決。

圖7 第二次優化后的工況錄波圖

4 GIS進線PT安裝位置探討

110kV及以上電壓等級的開關站均有類似PT諧振的問題出現，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，只有通過優化PT的電磁參數去降低諧振事件的發生概率。但對于類似某電站進線PT諧振的問題，設計初期可以將進線PT設計在進線隔離開關（50316）靠變壓器側（如圖8所示）。

由于主變壓器以及主變壓器高壓引線對地電容參數較大，且回路引入了主變壓器電氣參數，因此原理上不會與電壓互感器結構參數發生諧振匹配，從根本上破壞了諧振的條件，同時不影響PT的正常功能。

如果將進線PT布置在進線隔離開關靠主變壓器側（如圖8所示），可以有效解決PT諧振的問題，但同時也會給電站運行維護工作造成一定影響。

根據電力設備預防性試驗規程規定，檢修維護人員需要定期對主變壓器及其套管進行相關的預防性試驗，目前采用GIS進線的大型主變壓器高壓套管大多采用油/SF6套管，由于對油/SF6套管斷引需要進行SF6氣體作業，且作業工作面施工難度較大。

某電站在主變壓器診斷評估未出現明顯隱患的情況下，一般采取主變壓器高壓側不斷引的方式開展相關預防性試驗，即通過進線隔離刀閘靠主變壓器側的接地刀閘接地連片進行相關試驗，例如直流電阻測試、套管介質損耗測試等，可以節省大量的人力物力，且通過對比同一試驗條件下的試驗數據，也可以有效判斷主變壓器的運行情況，但如果設計階段將PT安裝在進線隔離開關靠主變壓器側，由于PT引入到了上述試驗回路，就無法在不斷引的情況下繼續開展主變壓器相關的預防性試驗。

圖8 進線PT改變安裝位置后的接線示意圖

5 結論

本文結合某電站GIS進線PT的實際案例，深入分析了PT諧振產生的原因，并就諧振問題的處理方法進行了闡述，就PT的布置對設備運行安全和設備運行維護帶來的影響進行了探討，為后續電站進線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》，標題為“500kV氣體絕緣金屬封閉開關設備電壓互感器諧振問題分析”，作者為賈敬禮。