配电网低频振荡过电压故障的计算与分析

许明生　王倩

摘 要：配电网单相接地故障消失后，线路电容性电荷可能会引发低频振荡现象，进而危害电压互感器的正常运行。基于低频振荡的发生机理和等值电路，运用EMTP软件对低频振荡过电压和过电流进行仿真计算，分析线路电容、接地故障消失时刻对电气暂态量造成的影响，以及量值的变化规律。结果表明，系统中性点加入消弧线圈对该类型故障有良好的抑制效果。

关键词：配电网；电压互感器；低频振荡；仿真计算

中图分类号：TM712 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.134

在中性点不接地的配电网中，发电机或变电所母线上经常安装用来监测母线对地电压的电磁式电压互感器。通常情况下，电压互感器按YO/YO/?的方式排列，一次侧中性点接地。鉴于互感器励磁绕组的非线性，当电网发生单相接地故障后，往往会导致电压互感器的一次侧出现冲击电流，造成设备损坏，甚至喷油烧毁，严重影响电网运行的安全性和可靠性。

本文对单相接地故障消失后，线路电压和接地点发生变化而引发的配电网低频振荡进行理论研究和仿真计算，分析电网各点电压和电流的暂态变化规律，辅助运维检修人员判断故障类型，并对该类型的故障采取正确的抑制措施。

1 低频振荡机理

配电网单相接地短路有2个过渡过程：①当系统单相接地时，非故障相对地电压上升为线电压。由于线路存在对地电容，在线电压的作用下，线路上的容性电荷通过短路点在导线与大地之间形成电容电流。②当接地消失以后，线路电荷流经大地的回路不复存在。由于三相电压恢复正常，线路上积累的与线电压对应的电容电荷将降低到相电压对应的电荷，多余的电荷需要寻找回路释放入地。在配电网中性点不接地的情况下，电压互感器一次绕组成为对地的唯一金属性通路。因此，多余电荷经由电压互感器一次绕组释放入地。在释放电荷的过程中，电压互感器一次绕组中产生饱和冲击电流。该电流呈低频振荡状态（约2～5 Hz），一般在单相接地消失后1/4～1/2工频周期内出现，电流幅值远大于谐振电流，在半个周波内即可熔断互感器的熔丝。

理论上，一般采用虚拟补偿电量法解决相关问题。当单相接地故障消失后，分析线路电容放电产生的低频饱和电流，其主要思路是：将给定的系统和开关的开断操作分为2个等效过程来分析——开断操作之前的稳态过程和操作导致的暂态过程。开关开断前电路中存在回路电流，分断操作后端口产生端电压。根据这一理论，可以计算系统暂态电气量。

2 等值电路

单相接地短路过程中的电压和电流可以记为：

式（1）中： ， 是接地开断前的回路电流和电压；i%，us%是接地消失后的暂态电流和电压；i，us是接地过程中的总电流和电压。

根据上述分析，中性点不接地系统的单相接地等效电路可以展开为图1和图2所示的形式来分析。根据虚拟补偿电量法，单相接地消失等效于在接地短路点并接一个与单相接地时电流方向相反的电流源。

由于接地电弧熄灭时刻具有随机性，故障的消失不一定处于正常相电压的最大时刻。因此，并不是线路单相接地短路消失后就一定会出现很大的低频饱和电流。低频冲击电流与互感器铁芯的励磁特性密切相关，铁芯很容易发生饱和，低频振荡时产生的冲击电流会越大。在极端情况下，线路的间歇性单相接地故障反复出现，流经互感器一次侧的低频饱和冲击电流等效于几次故障的累加。

3 过电压分析

EMTP是电力网络与电力电子暂态仿真领域中应用最广泛的程序之一，它适用于电力网络受到扰动（开关投切或故障）后计算随时间变化的电气暂态量，比如电力系统低频振荡中的电压和电流变化。此外，EMTP-ATP程序广泛应用于暂态保护装置的选择、高压并联电抗器的选择、氧化锌避雷器的选择和机电暂态计算中。

本文运用EMTP程序对配电网低频振荡进行仿真，分析系统中性点电压、相电压和互感器一次电流的变化情况。仿真数据如下：变压器型号为SZ9-20000/35，变比35 kV/10 kV，YNd11联结，高低压侧额定电流分别为0.33 kA和1.1 kA，空载电流为0.16%，空载损耗为15.6 kW，短路阻抗为8.26%.母线电压互感器为JDZJ-10型，其励磁特性如表1所示。

3.1 对地电容的影响

针对不同的线路长度，分别按照对地电容C=3 ?F、C=5 ?F和C=10 ?F进行仿真，以分析低频振荡时的过电压与过电流的变化情况。以A相发生接地故障为例，设置故障从0.1 s开始，0.2 s接地消失。仿真故障消失后，系统中的低频振荡仿真数据如表2所示。

从表2和图3中可以看出，在中性点不接地系统中，线路达到一定长度，在互感器电感与对地电容偏离谐振参数匹配范围内，单相接地故障消失将会激发低频振荡。一般情况下，低频振荡导致的过电压在2倍左右，但是，互感器一次侧低频饱和电流非常大，可达额定励磁电流的几百倍，往往会造成互感器熔丝瞬间熔断。随着系统对地电容的增大，低频振荡现象越严重，振荡频率越低。

3.2 接地消失时刻的影响

以A相接地故障消失为例，对地电容C=5 ?F时，接地开始时间为0.1 s，接地消失时刻分别取0.2 s、0.202 s、0.204 s和0.205 s，仿真接地消失时间（初始相位不同）对低频振荡的影响如表3所示。

从表3中可以看出，当接地消失时刻在中性点电压峰值时，低频振荡能量最大，流过互感器一次侧的过电流最严重；当接地消失时刻在中性点电压过零时，低频振荡能量最低，流过互感器一次侧的过电流也最小，但仍然大于互感器一次熔丝的额定电流（0.5 A）。振荡能量差异的原因在于接地消失时刻各相电压的瞬时值不同，因此，线路上积累的容性电荷也不同。

4 消弧线圈的作用

分析消弧线圈对低频振荡的抑制作用，线路对地电容C=5 ?F，消弧线圈采用过补偿方式，计算结果如图4所示。

从图4中可以看出，系统中性点接入消弧线圈后，在单相接地故障消失后，中性点电压偏移很小，互感器电流峰值为60 mA。因此，消弧线圈可以有效抑制单相接地消失后的低频振荡，保护电压互感器的正常运行。

5 结束语

本文简要分析了配电网单相接地故障消失后，线路累积的电容性电荷在系统中引起的低频振荡现象，并深入研究了振荡机理、等效电路、仿真计算和抑制措施。结果表明，低频振荡引起的系统过电压幅值一般在2倍左右，在互感器上造成的冲击电流远远超过励磁电流，甚至高达上百倍，可以瞬间熔断互感器熔丝。低频振荡主要与线路电容、接地故障消失时刻有关——线路电容与接地消失时的系统电压越大，振荡能量越强。因此，在系统中性点加装消弧线圈，可以有效抑制低频振荡现象的出现。

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作者简介：许明生（1972—），高工，副主任，主要从事配网运行、配网检修抢修方面的工作。

〔编辑：白洁〕