第34卷第6期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2015年6月 Vol.34 No.6 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Jun. 2015 收稿日期：2014-10-22 作者简介：郭凤仪（1964-），男，内蒙古 赤峰人，博士，教授，主要从事智能化电机与电器、电接触理论等方面的研究. 本文编校：史庆华 郭凤仪,郑龙飞,张建飞.电磁式电压互感器铁磁谐振特征[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2015,34(6):750-753. doi:10.11956/j.issn. 1008-0562.2015.06.019 Guo Fengyi, Zheng Longfei, Zhang Jianfei.Characteristics of the electromagnetic voltage transformer ferroresonance[J].Journal of Liaoning Technical University:Natural Science,2015,34(6):750-753. doi:10.11956/j.issn.1008-0562.2015.06.019 电磁式电压互感器铁磁谐振特征 郭凤仪，郑龙飞，张建飞 （辽宁工程技术大学 电气工程学院，辽宁 葫芦岛 123105） 摘 要：为研究PT发生铁磁谐振现象时的特征，以一个中压三相电压互感器为例，建立了一个基于PSCAD/EMTDC的PT仿真模型.针对系统电压、断路器开断时刻以及系统串联电容等不同参数，做了大量的仿真试验，通过分析试验结果，得到了PT发生铁磁谐振时的几种行为模式，并能用过电压和电压波形失真率等参数对不同频率的铁磁谐振进行识别，这对铁磁谐振的检测有重要的使用价值. 关键词：电压互感器；PSCAD/EMTD；铁磁谐振；仿真试验；行为模式 中图分类号：TM 74 文献标志码：A 文章编号：1008-0562(2015)06-0750-04 Characteristics of electromagnetic voltage transformer ferroresonance GUO Fengyi, ZHENG Longfei, ZHANG Jianfei (Institute of electrical engineering, Liaoning Technical University, Huludao 123105, China) Abstract: This paper took a medium voltage three-phase voltage transformer (PT) as an example, analyzed the characteristics of the PT ferromagnetic resonance, and developed a PT simulation model which based on PSCAD/EMTDC. A large number of simulation test for different parameters (Such as the system voltage, the circuit breaker tripping times and series capacitance, etc) has been completed. Through the analysis of test results, this study obtained several kinds of behavior patterns of PT ferromagnetic resonance, and the different frequencies of ferroresonance can be identified by using parameters such as over voltage and voltage waveform distortion rate. It is of great significance to the detection of ferromagnetic resonance. Key words: voltage transformer; PSCAD/EMTDC; Ferromagnetic resonance; simulation test; Behavior patterns 0 引言 在中性点不接地电力系统中，发电厂、变电所的母线上通常都接有电磁式电压互感器.正常运行时，三相基本平衡，中性点的位移电压很小，但在某些切换操作或接地故障消失后，PT三相饱和程度差别很大，与线路对地电容形成谐振回路，可能激发起铁磁谐振过电压[1].PT铁心饱和引起的铁磁谐振过电压是中性点不接地系统中最常见和造成事故最多的一种内部过电压. 铁磁谐振通常发生在瞬态干扰（如瞬时过电压、雷击过电压以及临时故障）以及切换操作（如PT导通或者故障清除）之后[2].其对电力系统的危害较大，轻则引起PT高压保险烧毁、重则引起PT爆炸、开关柜烧毁，造成母线停电事故，还会引起小容量的异步电动机反转，严重威胁系统的安全运行[3-5]. 此外，研究发现铁磁谐振的发生还与许多其他因素和条件有关，例如系统初始参数、互感器的铁心饱和特性、激磁电源频率和电容以及PT绕组连接方式等[6].因此，其可预测性非常复杂，检测工作也非常困难. 1 电压互感器 电压互感器非线性特性是其能否产生铁磁谐振故障的关键因素[7].系统出现过电压时，铁芯的饱和程度和电感值下降的多少关系着能否达到系统谐振的参数匹配.饱和特性的选取对于接地故障后是否能够激发出铁磁谐振起着至关重要的作用.以JDZJ-10型电压互感器为例进行电力系统铁磁谐振仿真，见表1. 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第6期 郭凤仪，等：电磁式电压互感器铁磁谐振特征 751表1 电压互感器的参数 Tab.1 characteristics of real voltage transformer 额定电压/kV 二次负荷/（V.A） 型号 初级绕组 次级绕组 辅助绕组 0.5级 1级3级JDZJ-10 103 103 0.1/3 40 80 150 利用最小二乘法拟合求取了PT的磁饱和曲线，见图1，其解析式为 1216375276.9757108.5251106.7688105.262610aiϕϕϕϕ−−−−−=×+×+×+× ， （1） 733571.6894104.21711081.454242.4519biϕϕϕϕ−−=×+×+− ， （2） 733571.5602103.67361066.58954.771ciϕϕϕϕ−−=×+×+− . （3） 图1 电压互感器的磁饱和 Fig.1 saturation curve of real voltage transformer 2 PT谐振仿真模型与试验 2.1 电容值的临界范围 PT谐振是由于系统中非线性电感元件和电容元件组成谐振电路，当外界出现一定激发条件时，就有可能引发铁磁谐振.因此系统中可能引起铁磁谐振现象的串联电容值的范围非常重要[8]，所以要确定可能引起铁磁谐振现象的电容最大值和最小值. 已知PT的磁饱和曲线，电容值临界范围可以由磁饱和曲线的线性区域（Llin）和饱和区域（Lsat）的切线斜率来确定.针对本文的电压互感器，由图2中曲线的切线斜率可知电容的临界范围为0.4 nF～15 nF.因此，当系统电容在式（4）所示范围内时，可能会发生铁磁谐振. linsat10.415LLCnFCnFωωω⋅<<⋅⋅⇒<< （4） 图2 发生铁磁谐振时电容值的临界范围 Fig.2 critical range for fundamental ferroresonant conditions 2.2 铁磁谐振仿真 确定了电容的临界范围，针对一些不同的参数进行仿真，例如：系统电压、串联电容值以及断路器开断时刻.模型初始绕组通过断路器和串联电容与电源相连，其中断路器是为了模拟即时开端时刻，电源和串联电容是为了分别得到不同的电压值和电容值，见图3. 图3 铁磁谐振软件模型（PSCAD/EMTDC） Fig.3 ferromagnetic resonance model of the software(PSCAD/EMTDC) 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第34卷 752 通过大量的仿真实验，可知上述3个可变参数的值在一定范围内可能会影响铁磁谐振的发生（括弧内为每次试验变值）： （1）系统电压：16～24 kV（0.5 kV）. （2）串联电容：0.4～15 nF(0.1 nF). （3）瞬时开断：0°～360°（30°） 在上述范围内做的仿真实验，只有一部分会发生铁磁谐振，见图4，这取决于电压互感器的磁饱和与否[9].由于每次仿真参数都不相同，所以发生的铁磁谐振频率也不唯一，包括基频谐振、分频谐振以及高频谐振. （a）电压曲线 （b）电流曲线 图4 铁磁谐振时电压和电流波形 Fig.4 voltage and current waveforms of a real ferroresonant situation -2202.22.252.32.352.42.452.5电压时间（s） （a）电压 0-1-2庞加莱截面磁通量00.20.40.60.81.01.21.41.61.8 （b）庞加莱截面 向量图20-2-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5 （c）向量图 图5 铁磁谐振时的电压特性 Fig.5 ferroresonant voltage characterization 为区分不同频率铁磁谐振，需要用过电压[10]，电压波形失真率（THD），庞加莱截面和向量图等进行识别.其中向量图和庞加莱截面可以作为一个辅助工具来辨识基波谐振和分频谐振.首先，向量图可以用两个状态变量（电压和磁通量）来描述电力系统的时间特性：在一定时间范围内，为一条特定的轨迹（周期解为一个封闭曲线）.其次，当采样频率和系统频率相同时，庞加莱截面和向量图这两种方法的结果是相似的.因此，周期解在庞加莱截面中显示为一个单独的点.图5.描述的是铁磁谐振（基波谐振）仿真实验的一个结果. 3 铁磁谐振的特征 对3个参数的不同数值都进行仿真试验后，从其结果中得到结论，这些结论可以用来描述铁磁谐振的几种特征： （1）中压电力系统中，PT发生铁磁谐振与系统电压有直接关系：电压越高，PT发生铁磁谐振的可能性越大. （2）PT在系统电压的过零点时的瞬时开断更有可能引起铁磁谐振的发生. （3）在系统电压和PT开断时刻确定的情况下，系统串联电容值越小，发生铁磁谐振的概率越大（电容值在临界范围内）.因此，当系统电容的值与电压互感器饱和曲线中线性区域的感抗值相近时，系统发生铁磁谐振的概率较高. （4）系统串联电容值越高，铁磁谐振时的过电压越高，电压波形的谐波失真率越低，见图6. （a）过电压曲线 （b）谐波失真曲线 图6 过电压和谐波失真（20kV,0º） Fig.6 overvoltage and THD（20kV, 0º） 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3时间/s -50 500 电压/kV 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3时间/s -0.20.20 电流/A 02468 10 12 141611.522.53基频谐振 二次谐波谐振 三次谐波谐振 电容/nF 过电压/kV 02468 10 12 141650100150电容/nF 总谐波失真/% 基频谐振二次谐波谐振 三次谐波谐振中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第6期 郭凤仪，等：电磁式电压互感器铁磁谐振特征 7534 结论 为了更好地检测电力系统中的谐振故障，对一个电压互感器发生铁磁谐振时的特征进行了研究.首先是建立了一个基于PSCAD/EMTDC的仿真模型，然后针对不同的参数进行了大量的仿真试验并通过分析结果总结出铁磁谐振的几种特征.这些特征可以应用在铁磁谐振的早期检测方法中（例如人工神经网络等），目前在铁磁谐振的检测和抑制领域有较广泛的应用. 参考文献： [1] 周丽霞,尹忠东,郑立.配网PT铁磁谐振机理与抑制的试验研究[J].电工技术学报,2007,5(22):153-158. Zhou Lixia,Yin Zhongdong,Zheng Li.Research on Principle of PT Resonance in Distribution Power System and Its Suppression[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2007,5(22):153-158. [2] 张星海,甄威,马御棠,等.换流站中500kV站用变铁磁谐振过电压研究[J].电网技术,2012,3(36):56-62. Zhang Xinghai,Zhen Wei,Ma Yutang.et al.Research on Ferroresonance Overvoltage Occurred in 500 kV Transformer for Power Supply of Converter Station[J].Power System Technology,2012,3(36):56-62. [3] 张向东,张华龙,李英.电力系统铁磁谐振的危害、鉴别及其防治措施[J].电力学报,2002,4(17):283-286. Zhang Xiangdong,Zhang Hualong,Li Ying.Danger,Distinction and prevention and cure treatment on ferroresonance in electricity system[J].Journal of Electric Power,2002,4(17):283-286. [4] 姚大勇,王颖,刘爽.基于直接电流控制的STATCOM无功补偿仿真[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2013,32(2):178-181. Yao Dayong,Wang Ying,Liu Shuang.Simulation of STATCOM reactive compensation based on direct current control[J].Journal of Liaoning Technical University:Natural Science,2013,32(2):178-181. [5] 杨梅,杜欣慧.基于前推回推的微电网潮流[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2013,32(2):182-185. Yang Mei,Du Xinhui.Power flow analysis of micro-grid based by back-forward substitution method[J].Journal of Liaoning Technical University:Natural Science,2013,32(2):182-185. [6] 杨庆,郑哲人,司马文霞,等.避雷器对具有混沌效应铁磁谐振过电压的影响[J].高电压技术,2011,1(37):40-49. Yang Qing;Zheng Zheren,SiMa Wenxia,et al.Effects of MOA on Chaotic Ferroresonance Overvoltage[J].High Voltage Engineering,2011, 1(37):40-49. [7] 王海棠,窦春霞,王宁,等.基于ATP_EMTP的PT铁磁谐振与消谐措施研究[J].变压器,2008,3(45):24-28. Wang Haitang,Dou Chunxia,Wang Ning,et al.Research on PT Ferroresonance and Resonance Elimination Measures Based on ATP-EMTP[J].Transformer,2008,3(45):24-28. [8] Zulkurnain Abdul Malek,S J Mirazimi,Kamyar Mehranzamir,et al.Effect of shunt capacitance on ferroresonance model for distribution voltage transformer[J].2012,3(12):124-129. [9] 汪伟,汲胜昌,曹涛,等.基波铁磁谐振理论分析及实验验证[J].电网技术,2009,17(33):226-230. Wang Wei,Ji Shengchang,Cao Tao,et al.Theoretial Analysis and Experimental Verification of Fundamental Frequency Ferroresonance[J]. Power System Technology,2009,17(33):226-230. [10] 杜林,李欣,吴高林,等.采用3类特征参量比值法的铁磁谐振过电压识别[J].高电压技术,2011,9(37):2 241-2 249. Du Lin,Li Xin,Wu Gaolin,et al.Ferroresonance Overvoltage Identification Using Three Feature Parameters of Ratio Method,2011,9(37):2 241-2 249. 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net