CN108318762B - 电压互感器工频铁磁谐振的判别方法 - Google Patents

Abstract

电压互感器工频铁磁谐振的判别方法，该方法首先采样电压互感器的三相电压，计算三相基波电压和基波零序电压，当基波零序电压超过设定的门槛时，进一步判别是否为接地故障，如果不是接地故障，则认为出现了工频铁磁谐振。判别接地故障时，只需要计算各相基波电压与基波零序电压的相量和的模，计算三相电势的平均值，当模值在设定的范围内时，认为出现接地故障，三相均未判别为接地故障时，才认为是工频铁磁谐振。该方法易于实现，且涵盖了更多的工频铁磁谐振的工况。

Description

电压互感器工频铁磁谐振的判别方法

技术领域

本发明涉及电力系统电压互感器的故障监测，尤其涉及电力系统电压互感器铁磁谐振的故障监测。

背景技术

电力系统的中压、高压系统中广泛使用电磁式电压互感器(以下简称电压互感器)。电压互感器具有很高的激磁阻抗，在输电线路的某些操作过程之后，或者在接地故障消失之后，它与输电线路导线对地电容或其它电力设备的杂散电容之间形成特殊的三相或单相共振回路，有可能出现激发起多种谐波(分数次谐波、工频、高频)的铁磁谐振过电压。发生谐振时，电压互感器的一相绕组电压升高，或者两相、三相绕组电压同时升高，即各相对地电压发生变动；但是，另一方面，电源变压器的三相绕组电势维持恒定不变。最终表现为电源变压器中性点出现位移电压，中性点位移电压反映至电压互感器的开口三角绕组，使电压互感器开口三角绕组出现过电压，有可能造成电压互感器及其熔丝烧毁，有可能造成继电保护误动作，甚至损坏继电保护设备、电量测量设备。

引起电压互感器铁磁谐振的原因很多，包括互感器在内的空载母线或送电线路的突然合闸，使互感器的某一相或两相绕组内产生巨大的涌流和铁心磁饱和现象；其次，由于雷击或其他原因，线路中发生瞬间的单相弧光接地，使得其他两相瞬间升至线电压，而故障相在接地消失后又瞬间恢复至相电压，以致造成暂态励磁电流的急剧增大和铁心的磁饱和；第三，也可能由于从另一绕组瞬间传递过来的过电压引起铁心磁饱和。

一般的，分数次谐波和高频的铁磁谐振易于判别，只需要计算出电压中的谐波量，采用过量的判据即可判别；但是工频铁磁谐振的情况比较复杂，工频铁磁谐振时，电压互感器的三相绕组电压仍然以工频为主，其结果可能是一相轻度饱和、两相轻度饱和、一相严重饱和、两相严重饱和，三相基波电压、基波零序电压会呈现多种数值关系。目前判别电压互感器工频铁磁谐振的方法主要是采用下面的综合判据：

(1)如果三相基波电压都升高，则判为发生工频铁磁谐振；

(2)如果某一相基波电压降低，其余两相基波电压升高且超过线电压，则判为发生工频铁磁谐振；

(3)如果某一相基波电压升高但不等于额定电压的1.5倍，且与基波零序电压同相，其余两相基波电压降低并相等，则判为发生工频铁磁谐振；

(4)如果某一相电压降低但不等于0，且与基波零序电压反相，其余两相基波电压升高并相等，则判为发生工频铁磁谐振。

该方法的优点是涵盖了多种工频铁磁谐振的情况，缺点是分类较多、判据复杂，且需要判别某一相基波电压与基波零序电压之间的相位关系(同相或反相)。此外，实际上由于电压互感器出现工频铁磁谐振时，其三相绕组有的不饱和，有的饱和，且饱和程度不可能完全相同，所以存在一些状态是上述方法没有考虑到的，比如由于两相绕组饱和程度不一致，存在这样一种情况：某一相基波电压低，另一相基波电压高且没有超过线电压，第三相基波电压高且超过了线电压。所以，以往的方法还有不足之处。

发明内容

本发明的目的是：提出电压互感器工频铁磁谐振的判别方法，进一步提高判别的准确性，弥补以往方法的不足。

本发明采取的技术方案是采用如下步骤进行判别：

步骤一、采样电压互感器的三相电压；

步骤二、计算三相基波电压

和基波零序电压

步骤三、如果基波零序电压有效值U₀大于设定的定值门槛U_0,set，则进入步骤四；否则返回步骤一；

步骤四、判别是否为接地故障，如果是，则返回步骤一；否则，经短延时发出工频铁磁谐振报警。

进一步的，步骤三中所述的定值门槛U_0,set的取值范围是额定相电压有效值的5％～30％，默认取10％的额定相电压有效值。

进一步的，步骤四中判别接地故障的方法采用下面的步骤：

(1)按下述公式计算相电势平均值：

(2)按下述公式计算电压半径1和电压半径2：

(3)判别下列不等式是否成立：

式1、式2和式3中，

是三相基波电压；符号||是表示计算相量的模；E_avg是所求的相电势平均值；K₁是一个系数，取值范围是0.400～0.475，默认取值0.450；K₂是另一个系数，取值范围是0.525～0.600，默认取值0.550；E_r1是所求的电压半径1；E_r2是所求的电压半径2；

是三相基波电压

下标ph表示相别，ph＝A、B或C分别表示A相、B相或C相；

是基波零序电压；

对A相、B相、C相当中的任一相，如果式3成立，则认为发生接地故障。

进一步的，步骤四中所述的短延时时间范围是10ms～10s，默认取20ms。

本发明方法同时适用于不接地系统、经消弧线圈接地系统。

本发明的有益效果是：

(1)与以往方法相比，减少了分类判别的复杂性，不需要判别某一相基波电压与基波零序电压之间的相位关系，本发明方法更加简单；

(2)工频铁磁谐振存在这样一种情况：某一相基波电压低，另一相基波电压高且没有超过线电压，第三相基波电压高且超过了线电压；与以往方法相比，这种情况也能涵盖在内，本发明方法更加完善；

(3)与以往方法相比，本发明方法同时适用于发电机中性点不接地、经消弧线圈接地接地方式，适用范围更广。

附图说明

图1是本发明方法流程示意图。

图2是三相基波电压

和基波零序电压

的相量图。

具体实施方式

为清楚说明本发明的方法，这里结合附图与实例，阐明本发明的具体实施方式。先以一个10kV的配电网系统为例，说明本发明的基本原理。

一个10kV的配电网系统，电压互感器的电压变比为10kV/100V，系统不接地；A、B、C三相电源电势仅考虑工频基波，分别为

(经过电压互感器变换后的二次值，下同)，A、B、C三相电源电势对称，即有效值相等、相角互差120deg；设A、B、C三相对地电容值相同，均为C₀。电网正常，没有故障，忽略线路阻抗时，电压互感器测量到的A、B、C三相对地的基波电压

(经过电压互感器变换后的二次值，下同)，此时基波零序电压

(经过电压互感器变换后的二次值，下同)为0V。当电网某一相发生单相接地故障，设接地过渡电阻阻值为R，则A、B、C三相对地的基波电压均发生变化，此时基波零序电压为：

其中，

是故障相的电源电势，下标ph表示故障相，ph＝A,B或C；C₀是每相对地电容值；ω是工频频率对应的角频率；R是接地过渡电阻阻值。

同样是这个10kV配电网系统，电压互感器的电压变比为10kV/100V，如果该系统中性点经过消弧线圈接地，消弧线圈等效的电感值为L，那么当电网某一相发生单相接地故障，设接地过渡电阻阻值为R，则A、B、C三相对地的基波电压均发生变化，此时基波零序电压为：

其中，

是故障相的电源电势，下标ph表示故障相，ph＝A,B或C；C₀是每相对地电容值；ω是工频频率对应的角频率；L是消弧线圈等值电感；R是接地过渡电阻阻值。

电压互感器出现工频铁磁谐振时，电压互感器的三相绕组有的不饱和，有的饱和，而且往往饱和程度不完全相同，因此会导致A、B、C三相对地的基波电压均发生变化，且导致出现基波零序电压。大多数情况下，工频铁磁谐振时的基波零序电压与单相接地故障时的基波零序电压在幅值、相位上有明显差异，因此，本发明方法的基本思想是：如果基波零序电压的特征(幅值、相位)不是单相接地故障时基波零序电压的特征，则判为发生了工频铁磁谐振。

本发明提出电压互感器工频铁磁谐振的判别方法，采取的技术方案是采用如下步骤进行判别：

步骤一、采样电压互感器的三相电压；

步骤二、计算三相基波电压

和基波零序电压

步骤三、如果基波零序电压有效值U₀大于设定的定值门槛U_0,set，则进入步骤四；否则返回步骤一；

步骤四、判别是否为接地故障，如果是，则返回步骤一；否则，经短延时发出工频铁磁谐振报警。

进一步的，步骤三中所述的定值门槛U_0,set的取值范围是额定相电压有效值的5％～30％，默认取10％的额定相电压有效值。比如，对前述的10kV配电网系统，额定相电压有效值(经过电压互感器变换后的二次值，下同)为57.74V，则可设U_0,set＝10％×57.74V＝5.774V。

进一步的，步骤四中判别接地故障的方法采用下面的步骤：

(1)按下述公式计算相电势平均值：

其中，

是前述步骤二中计算的三相基波电压；符号||是表示计算相量的模；E_avg是所求的相电势平均值；对前述的10kV配电网系统，单相接地故障时或者电压互感器工频铁磁谐振时，线电压不变，在额定电压情况下，通过式1可得E_avg＝57.74V。

(2)按下述公式计算电压半径1和电压半径2：

其中，E_avg是前述步骤(1)计算的相电势平均值；K₁是一个系数，取值范围是0.400～0.475，默认取值0.450；K₂是另一个系数，取值范围是0.525～0.600，默认取值0.550；E_r1是所求的电压半径1；E_r2是所求的电压半径2；对前述的10kV配电网系统，取K₁＝0.450、K₂＝0.550，在额定电压情况下，通过式2可得E_r1＝0.450×57.74V＝25.983V、E_r1＝0.550×57.74V＝31.757V。

(3)判别下列不等式是否成立：

其中，

是前述步骤二中计算的三相基波电压

下标ph表示相别，ph＝A、B或C分别表示A相、B相或C相；

是前述步骤二中计算的基波零序电压；符号||是表示计算相量的模；E_r1是前述步骤(2)计算的电压半径1；E_r2是前述步骤(2)计算的电压半径2。

对A相、B相、C相当中的任一相，如果式3成立，则认为发生接地故障。

仍以前述的10kV配电网系统为例，某一次的单相接地故障实例，三相基波电压

分别为：

基波零序电压为：

由式1计算得：E_avg＝60.6V。取K₁＝0.450、K₂＝0.550，由式2计算得：E_r1＝27.27V、E_r2＝33.33V。进一步计算可知：

按式3判别可知A相满足要求，所以可以判定为接地故障。

仍以前述的10kV配电网系统为例，某一次的电压互感器出现工频铁磁谐振实例，三相基波电压

分别为：

基波零序电压为：

由式1计算得：E_avg＝59.94V。取K₁＝0.450、K₂＝0.550，由式2计算得：E_r1＝26.973V、E_r2＝32.967V。进一步计算可知：

按式3判别可知A相、B相、C相都不满足要求，所以可以判定不是接地故障，经短延时发出工频铁磁谐振报警。

步骤四中所述的短延时时间范围是10ms～10s，默认取20ms。

本发明方法同时适用于不接地系统、经消弧线圈接地系统。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何等同替换或改动，并不超出本发明保护范围。

Claims (3)

1.电压互感器工频铁磁谐振的判别方法，其特征为，所述方法采用如下步骤：

步骤一、采样电压互感器的三相电压；

步骤二、计算三相基波电压

和基波零序电压

步骤三、如果基波零序电压有效值U₀大于设定的定值门槛U_0,set，则进入步骤四；否则返回步骤一；

步骤四、判别是否为接地故障，如果是，则返回步骤一；否则，经短延时发出工频铁磁谐振报警；其中，判别接地故障的具体方法为：分别计算基波零序电压与各相基波电压的相量和的模，计算三相电势的平均值，当任意一相所述相量和的模值在设定的范围内时，判定为接地故障；

判别接地故障的方法采用下面的步骤：

(1)按下述公式计算相电势平均值：

(2)按下述公式计算电压半径1和电压半径2：

(3)判别下列不等式是否成立：

式1、式2和式3中，

是三相基波电压；符号||是表示计算相量的模；E_avg是所求的相电势平均值；K₁是一个系数，取值范围是0.400～0.475；K₂是另一个系数，取值范围是0.525～0.600；E_r1是所求的电压半径1；E_r2是所求的电压半径2；

是三相基波电压

下标ph表示相别，ph＝A、B或C分别表示A相、B相或C相；

是基波零序电压；

对A相、B相、C相当中的任一相，如果式3成立，则认为发生接地故障。

2.如权利要求1所述的电压互感器工频铁磁谐振的判别方法，其特征是步骤三中所述的定值门槛U_0,set的取值范围是额定相电压有效值的5％～30％。

3.如权利要求1所述的电压互感器工频铁磁谐振的判别方法，其特征是步骤四中所述的短延时时间范围是10ms～10s。

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