气体绝缘金属封闭开关设备的电压互感器谐振问题及解决措施

中国长江电力股份有限公司向家坝水力发电厂的研究人员贾敬礼，在2020年第8期《电气技术》杂志上撰文，通过实际解决一起气体绝缘金属封闭开关设备开关断口并联均压电容与进线电压互感器发生铁磁谐振过电压的案例，分析总结了电压互感器谐振产生的原因和解决措施，并就气体绝缘金属封闭开关设备电压互感器安装位置对电站运行维护的影响进行了分析探讨。

电压互感器（potential transformer, PT）作为电压监测和保护采样的重要电力设备，通常会布置于电站开关站进线、出线以及母线回路。目前除部分出线采用电容式电压互感器（capacitor voltage transformers, CVT），罐装式电磁式电压互感器则被广泛应用在气体绝缘金属封闭开关设备（gas  insulated switchgear, GIS）中。

由于电磁式电压互感器存在进入饱和区后呈现非线性的特点，一旦和对应回路中的电容原件组成振荡回路，就可能激发持续时间较长的铁磁谐振过电压，造成PT损坏，极端情况下影响系统安全运行。

某电站500kV GIS开关站投运后，在进线回路停电操作过程中多次发生PT三分频谐振问题，严重威胁电站设备的安全稳定运行。本文在分析总结500kV进线PT谐振产生的原因和解决措施的基础上，对进线PT布置方式进行了探讨和分析。

1  概述

某电站500kV GIS进线短引线停电过程中，即在进线隔离刀闸50316断开的情况下，J4YH所在的短引线回路停电时，运行操作进线开关5032、5031开关依次由运行转热备用后进线PT J4YH均会发生三分频铁磁谐振。发生谐振的相别存在随机性，谐振峰值电压约为额定值的2.5～3.0倍，在上述进线开关均转冷备用后，谐振现象消失。主接线示意图如图1所示，谐振波形如图2所示。

为避免PT长时间谐振，向调度部门申请将原进线短引线停电的操作由进线开关依次转热备用后再转冷备用的方式调整为中开关直接由运行转冷备用后，边开关再由运行转冷备用。通过优化操作顺序，减少了开关热备用时间，短时间内有效地保证了设备安全，但并未彻底解决谐振的问题。

图1  某电站第3串进线主接线示意图

图2  进线PT典型的三分频谐振录波图

2  谐振问题电路建模分析

通过对主接线图进行建模分析，将进线短引线回路等效为如图3所示电路模型。根据电路模型分析电压互感器发生谐振的原因是断路器在投运或调试过程中进行切断操作，接入的断路器均压电容和GIS系统对地电容以及电压互感器的非线性电感构成LC回路，电容与电感发生匹配，电压互感器产生铁磁谐振。

图3  PT谐振问题电路模型

图3中，C1为断路器均压电容，C2为全部对地电容，RB为二次负荷，RE为铁磁损耗，RCu为高压绕组电阻，L为电压互感器电感，U0为电压源，Rx为消谐装置电阻，Lx为消谐装置电感，Re为外部线路对地电阻。

根据断路器均压电容以及短引线对地电容值的大小，结合PT自身的结构参数进行了谐振模拟仿真分析计算。当两个开关同时热备用时，C1= 1080pF，C2=1753pF，电压仿真波形如图4所示。

图4  一次绕组电压仿真波形（两个开关热备）

当一个开关热备用时，C1=540pF，C2=1166pF，电压仿真波形如图5所示。

图5  一次绕组电压仿真波形（一个开关热备）

上述一次绕组电压仿真波形是在原电压互感器结构参数（磁通密度为0.86T）基础上分析计算的，仿真结果与实际录波波形图基本吻合，均为三分频谐振波形。仿真计算过程中同样考虑了二次侧增加阻尼绕组的方案，结果显示投入阻尼绕组均能有效抑制谐振，但考虑在二次回路增加阻尼绕组可能会对运行设备造成安全风险，后续解决方案主要还是考虑从改变电压互感器结构参数入手，避免谐振的发生。

3  谐振问题解决方案

由于某电站GIS已投产，在不改变GIS整体布局的前提下，要彻底解决短引线停电时电压互感器发生谐振的问题，需要对PT产品的结构设计进行改进，即改变PT的电磁参数，破坏谐振条件。目前国内大型罐装互感器制造厂采用的优质冷轧硅钢带饱和磁通密度约为1.8～1.9T。

某电站原PT设计磁通密度为0.86T，当发生三分频谐振时，PT磁通密度为B1=0.86×3=2.58T，远大于冷轧硅钢带的饱和磁通密度，因此可以解释某电站在短引线停电的过程中必然会发生三分频谐振。

由于现场GIS空间布置原因，在不增加现有PT铁心尺寸的前提下，如何能够进一步降低PT的磁通密度。

通过改变一次绕组的匝数改变了电压互感器的一次电感值，这种变化不牵涉到产品主绝缘设计的变化，不需要型式试验。调整后的产品仍然可以确保二次绕组容量和准确级的技术要求，也不会对其他设备造成影响。改进结构后，由于PT非线性电感的变化可以避开某些工况的谐振电容匹配点，互感器理论上就不会发生谐振。

3.1  PT第一次优化改进

通过调整电压互感器一、二次绕组匝数，将PT磁通密度由原来的0.860T降低到0.577T。新的PT安装至现场后，进行了11次谐振工况验证试验。试验结果出现谐振一次，谐振问题由大概率事件转变为小概率事件，但仍未完全消除。PT停电后的过渡过程较长，如图6所示（A相过渡过程持续时间最长大约1280ms，三相电压峰值643kV，PT正常运行电压峰值为434kV，热备用正常感应电压峰值为180kV）。

图6  PT第一次优化改进后的工况验证试验录波图

第一次PT优化后，磁通密度降低到了0.577T，但按照谐振发生的频率三分频计算，在谐振发生时磁通密度B2=0.577×3=1.731T，PT铁心处于饱和的临界状态，这与现场发生的谐振现象吻合。

3.2  PT第二次优化改进

依据PT第一次优化改进后的分析复核，通过进一步增加产品的一、二次绕组匝数，将磁通密度降至0.5T，操作过程中发生三分频谐振时，磁通密度B3=1.5T，远低于铁心的饱和密度1.8～1.9T，因此，原理上通过此次改进可有效抑制操作过程中发生的因铁心饱和引起的谐振现象。

第二次绕组匝数增加后，相应的绕组阻抗增大，产品的误差就会增大，无法保证原设计要求的准确级精度，通过降低原PT二次输出容量，以满足准确级精度的要求。第二次产品安装至现场后，经过多次谐振工况验证试验，结果表明谐振问题已彻底解决。

图7  PT第二次优化改进后的工况验证试验录波图

4  GIS进线PT安装位置探讨

110kV及以上电压等级的开关站均有类似PT谐振的问题出现，但主要集中在母线较短的母线电压互感器上，其安装位置是无法改变的，只有通过优化PT的电磁参数去降低谐振事件的发生概率。但对于类似某电站进线PT谐振的问题，设计初期可以将进线PT设计在进线隔离开关（50316）靠变压器侧（如图8所示）。

由于主变压器以及主变压器高压引线对地电容参数较大，且回路引入了主变压器电气参数，因此原理上不会与电压互感器结构参数发生谐振匹配，从根本上破坏了谐振的条件，同时不影响PT的正常功能。

如果将进线PT布置在进线隔离开关靠主变压器侧（如图8所示），可以有效解决PT谐振的问题，但同时也会给电站运行维护工作造成一定影响。

根据电力设备预防性试验规程规定，检修维护人员需要定期对主变压器及其套管进行相关的预防性试验，目前采用GIS进线的大型主变压器高压套管大多采用油/SF6套管，由于对油/SF6套管断引需要进行SF6气体作业，且作业工作面施工难度较大。

某电站在主变压器诊断评估未出现明显隐患的情况下，一般采取主变压器高压侧不断引的方式开展相关预防性试验，即通过进线隔离刀闸靠主变压器侧的接地刀闸接地连片进行相关试验，例如直流电阻测试、套管介质损耗测试等，可以节省大量的人力物力，且通过对比同一试验条件下的试验数据，也可以有效判断主变压器的运行情况，但如果设计阶段将PT安装在进线隔离开关靠主变压器侧，由于PT引入到了上述试验回路，就无法在不断引的情况下继续开展主变压器相关的预防性试验。

图8  进线PT改变安装位置后的接线示意图

5  结论

本文结合某电站GIS进线PT的实际案例，深入分析了PT谐振产生的原因，并就谐振问题的处理方法进行了阐述，就PT的布置对设备运行安全和设备运行维护带来的影响进行了探讨，为后续电站进线PT的选型以及安装位置的选择提供了参考。

本文编自2020年第8期《电气技术》，标题为“500kV气体绝缘金属封闭开关设备电压互感器谐振问题分析”，作者为贾敬礼。