电压互感器铁磁谐振的辨识与消除方法

电压互感器铁磁谐振的辨识与消除方法

陈文达

（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心广东省广州市510530）

摘要：电压互感器与变压器的原理相同，都是用来转变线路中电压的，但是二者之间也存在一定不同之处，主要体现于转换目的层面，变压器转换电压的目的在于输送电能，而电压互感器则是为有关设备进行供电。为了对电力系统的运行状态进行监听，一般会在变电站中安装电压互感器，因为电磁式互感器本身呈现感性，且系统内部包含了一些容性元件，一旦频率到达相应的谐振频率时，便会出现谐振过电压，严重时甚至会烧毁熔断器。基于此，为避免铁磁谐振对系统的危害，有必要提出一种较为全面的、系统的电压互感器铁磁谐振的辨识与消除的方法。

关键词：电压互感器；正弦拟合；铁磁谐振；基频；波形畸变；零序电压

电磁式电压互感器经过饱和之后所引发的铁磁谐振过压电是一种较为容易造成故障的内部过电压，对电力系统的安全运行具有极为严重的影响。据此，现有技术中提出了多种消谐方法，诸如PT开口三角接阻尼电阻、在PT一次侧的中性点与地之间串接非线性电阻消谐器及采用4PT的接线方式等形式进行消除电压互感器铁磁谐振。并未提出一种较系统的，并且能够同时识别铁磁谐振和单相接地的方法。基于此，文章中利用正弦拟合算法辨识铁磁谐振、基频谐振时零序电压波形畸变的特点来辨识基频谐振与单相接地。

1主要方法步骤

步骤1，采集零序电压波形，初步判断该零序电压波形是否发生铁磁谐振中的基频谐振或者单相接地，并进一步判断该零序电压波形发生了该铁磁谐振中的基频谐振还是单相接地；完成初始化，以确定工作模式，判断零序电压波形数据是否发生铁磁谐振中的基频谐振或者单相接地，然后进行参数刷新，并运用正弦拟合算法对零序电压波形数据进行拟合，以该拟合得到的正弦函数为参照波形，计算出该零序电压波形数据的波形畸变度，并根据该波形畸变度进一步判断该零序电压波形数据发生了铁磁谐振中的基频谐振还是单相接地

步骤2，在判定该零序电压波形产生该铁磁谐振中的基频谐振时，分别采集三相电压UA、UB和UC以及零序电压的连续N个瞬时值，并将连续N个瞬时值分别与对应的设定电压阈值进行比较：判断电压互感器是否出现断线故障，并进一步根据该零序电压的连续N个瞬时值判断发生的故障。对零序电压波形数据进行正弦拟合算法拟合后，进行采样中断服务，判断为铁磁谐振中的基频谐振后进行电压互感器断线故障处理，并赋初值，故障处理执行完毕后，等待采样中断服务的到来；当执行的任务返回后，进入自检或查询；自检的内容为定期检查执行任务的运转情况。

2故障辨识流程

根据电网发生铁磁谐振时零序电压频率的特点，可以将铁磁谐振划分为两种类型：一种是基频谐振；另一种是非基频谐振，其中包括分频谐振与高频谐振。当系统零序电压越限时，首先对零序电压进行采样，并找出最大采样值fmax；再将采样数据拟合为频率50Hz的正弦函数，得到其幅值A，并计算α＝A/fmax；最后依据α的值初步判断故障类型，即：当α小于阈值K1时，判定系统发生非基频谐振；当α大于K1时，则判定系统发生基频谐振或单相接地。基频谐振是由PT非线性励磁特性引起的，系统发生基频谐振时，其零序电压并不是标准的正弦波，波形会发生畸变。而系统发生单相接地故障时，大约经过2至3个周波，零序电压的暂态分量基本消失，其波形呈正弦量，因此可利用波形畸变与否区分基频谐振与单相接地。此时，以零序电压的拟合正弦函数作为参照波形，与采样波形相比较，并以波形畸变度（见下式）衡量采样波形与拟合正弦函数的相似程度，最终实现以波形畸变度辨识基频谐振与单相接地的目的。定义波形畸变度：

，ρ反映采样波形与标准正弦波的相似程度，ρ越小说明相似程度越高。当ρ大于阈值K2时，判定系统发生基频谐振；反之，则判定系统发生单相接地。

3模拟系统工作流程

系统流程首先要完成初始化，以确定系统处理器的工作模式。初始化包括：处理器各种地址指针的设置；对运行时要使用的数据空间、软件计数器及各种标志位清零；启动主频时钟与外设时钟；设置定时器时钟周期等。参数刷新与初始化的作用相近，与初始化不同的是：初始化只在系统复位的时候执行一次，以后不再执行；参数刷新是每循环一次都执行一次，以清理系统，为下次执行过程做准备。采样中断中的启动元件一旦工作，则不进入自检或查询装置是否有键盘、通讯要求部分，而是进入故障处理过程，同时给启动计数器赋初值，故障处理过程执行完毕后在“等待中断”原地踏步，等待采样中断的到来。当启动元件返回后，进入自检或查询装置是否有键盘、通讯要求部分。自检的内容是定期检查装置的健康情况。

4采样中断流程

当相应定时器中断进入采样中断服务过程，首先分别对三相电压、零序电压采样的瞬时值同时进行采样，将各瞬时值存入SRAM对应的地址单元内。再判断启动元件计数器是否归零。如果未归零，启动元件计数器做减1处理，这样每采样一次，启动元件计数器做一次减1处理，直到启动计数器归零，即启动标志位返回结束；如果归零，则判断启动元件是否动作，如未启动，中断过程返回到主流程，如果启动元件动作，则给启动计数器赋初值。启动元件采用设零序电压阈值加软件计数器的方式来实现，运行中装置每连续采样20次，选取最新的40个点利用FFT算法进行运算，如果连续5次的零序电压幅值均大于30V，启动元件动作。

5主流程

在判断系统是否发生PT断线故障时，通过UA、UB、UC的最新连续10个采样点与设定的电压阈值进行比较的方法，此处电压阈值设为5V，如果采样点均小于5V，判定该相发生PT断相故障；如果系统并未发生PT断线故障，将利用正弦拟合算法对铁基频谐振与单相接地故障加以区分。通过前面章节的叙述，可以总结出故障处理过程的判据：

①零序电压为分频量时，判断系统发生分频谐振；

②零序电压为倍频量时，判断系统发生高频谐振；

③零序电压为基频量且幅值大于等于120V时，判断系统发生基频谐振；

④零序电压为基频量且幅值约等于33.3V，若一相/两相电压最新连续10个采样点均小于5V，则判断系统发生单相/两相PT断线故障；

⑤零序电压为基频量，幅值小于120V，利用正弦拟合算法计算波形畸变度ρ，如果ρ大于阈值1.0，判定为基频谐振，如果ρ小于1.0，判定系统发生单相接地。

结束语：

综上所述，其一对于已经连接了电磁式电压互感器的中性点不接地配电网，利用正弦拟合算法辨识铁磁谐振与单相接地故障的方法及利用基频谐振时零序电压波形畸变的特点，构造波形畸变度函数，通过计算波形畸变度来辨识基频谐振与单相接地。基于上述方法能够辨识故障类型，并依据辨识结果进行消谐或报警处理。

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作者简介：

陈文达（1988-），性别：男，籍贯：福建省漳州市，民族：汉，职称：实习研究员，学历：本科，研究方向：电力系统继电保护方向。