风电场专用PT及限流消谐装置使用说明书

风电场专用 PT 及限流消谐装置
使
用
说
明
书
上海凯民电力技术有限公司
安徽凯民电力技术有限公司一、 概述
我国35 kV及以下电力系统大多采用中性点不直接接地的运行方式，此类系统发生单相
接地后，流过故障点的电流是不大的对地电容电流，故障相对地电压降低，非故障两相的相
电压升高，线电压依然对称，因此允许系统继续运行1 h～2 h以查明故障。目前，风电场内
输电线路多为10 kV 或35 kV架空线路，设计上亦采用中性点不直接接地的运行方式，虽然
此类系统有以上介绍的重大优点，但在风电场实际运行中，在电气设计上仍需多加考虑单相
接地给系统造成的隐患。
我们以某风电场10 kV架空线路多次发生单相接地故障为例，其中最严重的一次是：一
条线路发生单相接地造成10 kV PT高压保险熔断，外壳开裂，3台箱式变压器肘型避雷器烧
坏，跌落保险熔断，全场停机。发生单相接地故障的原因很简单，系10 kV 线路在最初设计
时，对地形、风况的影响考虑不够全面，个别档距过大，在大风期造成线路与横担接地。可
为什么一起简单的单相接地故障会造成如此大的损坏呢？究其原因：一般情况下，中性点不
接地系统发生单相接地故障时，流过故障点的接地电流是电容性电流，绝大多数是以电弧的
形式存在的，如果接地电流较小，电弧可以自行熄灭。但随着风电场10 kV 电力电缆及架空
线路数量的增多，接地电流增大，此时电弧就很难自行熄灭（故障杆塔有灼黑痕迹、纵向裂
缝情况）。但这种电弧又不足以形成稳定的燃烧电弧，而是时燃时灭的间歇性电弧，引起系统
状态瞬间改变，导致了电网中电感电容回路的电磁振荡（即谐振），造成弧光接地过电压，其
值可达2.5~3.5倍相电压（根据国内外实测结果，弧光接地过电压一般不超过3倍相电压，但
有个别可达3.5倍相电压），最终造成以上设备的损坏。
目前，风电场多数采用电磁式电压互感器（上述发生事故的风电场亦是），为了测量三相
对地电压和监视对地绝缘，PT 的中性点直接接地。由于 PT 低压侧负载很小，接近于空载状
态，从高压侧对地看入的等效励磁感抗很大，当系统中出现某些扰动，比如电源突然合闸到
母线上，线路发生瞬间单相电弧接地后故障消失等，PT的等效励磁感抗将与系统对地等效电
容构成特殊的谐振回路，激发起各种谐波的铁磁谐振过电压，引起PT饱和，由于PT熔断器
不能有效熔断数百至数千毫安的饱和励磁电流，最终导致 PT 烧损，PT 柜、避雷器爆炸，母
线短路、冲击主变、威胁工作人员人身安全等事故。对电网的安全运行构成了很大的威胁，
并严重影响了供电的可靠性。在中性点非有效接地系统中， PT 铁磁谐振过电压是出现最频
繁、造成事故很多的一种内部过电压。
通过上例事故，可以看到，风电场内输电线路虽然与常规电力系统一样，发生的多数都
是单相接地故障，但由于其机组数量多（接线方式均为一机一变），10 kV电力电缆、架空线
2路形成的电容电流值较大，这种情况下的单相接地故障就容易引发 PT 谐振现象，因此风电
场的设计就须针对这个问题加以改进。
国家电网公司文件《国家电网调（2011）974 号》中明确提出风电场汇集线系统应采用
经电阻或消弧线圈接地方式，且母线 PT 柜内应装设一次消谐装置。目的就是为了解决系统
单相接地，特别是瞬时性弧光接地过电压对设备造成的损坏，以及过电压等引起的 PT 谐振
问题。
二、PT 铁磁谐振的机理及传统消谐技术分析
1、PT铁磁谐振的发生机理概述
在中性点非有效接地系统中，为了测量三相对地电压和监视对地绝缘，PT的中性点直接
接地。如图1所示，网络参数除了电力设备和导线对地等效电容C0外，还有PT的励磁电感
L。
图 1中性点非有效接地系统的等效网络
正常运行时，PT的励磁阻抗很大，并与网络的对地等效电容并联。由于网络中的感抗大
于容抗，所以网络对地阻抗仍呈容性。但当系统中出现某些扰动，使 PT 三相电感饱和程度
不同时，PT的励磁电感将与网络的对地电容构成特殊的谐振回路，产生谐振过电压。根据网
络参数的不同，PT谐振的类型包括：工频谐振、高频谐振和分频谐振三种类型，其中分频谐
振会造成PT的严重饱和，因此危害性最大。
2、PT铁磁谐振的传统消谐技术
对于中性点非有效接地系统中的 PT 铁磁谐振，目前消谐的方法较多，归纳起来，主要
可分为改变参数、增加阻尼两大类，但均存在缺点和不足。
2.1 改变参数
（1）改善PT的伏安特性，使之不容易发生磁饱和。在这种情况下，必须要有更大的激
3发才会引起谐振。为此，应当减小铁芯磁密，即增大铁芯的截面积。为了消除谐振，铁芯的
截面积应当增大到 4 倍以上，这是不现实的。因此改善励磁特性只能降低谐振的概率。但是
特性改善后，一旦产生谐振，过电压将会变得更高。
（2）对于减少同一网络中并联PT台数，因中性点非有效接地系统属于配电网络，直接
对用户供电，所以实际难以做到。
（3）母线上装设中性点接地的三相星形电容器组。对连接有多台 PT的情况，因需增装
电容量较大。同时，装设电容器组后，当发生单相闪络时接地电流将超过电弧熄灭的容许电
流，从而产生弧光接地过电压的问题。
（4）PT 高压侧中性点串联单相 PT，将 PT 开口三角绕组短接，并在三相 PT 的中性点
和大地之间串接一个单相 PT，它的三倍感抗就是零序感抗，谐振也就难以发生。单相 PT 的
次级电压用以测取电网的零序电压。显然，同一电网中，如有多组 PT 则必须每组均按此接
线方能有效，且三相 PT 中性点对地电压(零序电压)亦被抬高，对于中性点弱绝缘的 PT，在
系统不对称接地时，甚至会发生绝缘击穿。
2.2 增加阻尼
（1）在PT一次侧中性点串入阻尼电阻：所串入的阻尼电阻类型有线性电阻，以及非线
性压敏电阻。串入线性电阻时，阻值需达到数百千欧，正常运行条件下会影响 PT 的测量精
度；当系统发生单相接地故障时，PT中性点电位要抬高，电阻上将有超过几千伏的高电压，
有可能超过半绝缘电压互感器中性点的绝缘水平。而压敏电阻（常采用 SiC）的特性是电压
越高，电阻越低，不利于消除谐振。正常运行状态下，对于 10kV 系统，当电网中性点存在
位移电压时，压敏电阻的接入有可能放大 PT二次开口三角电压，造成系统单相接地的假象，
导致系统不能正常运行。
（2）PT 二次开口三角绕组接阻尼电阻。包括接入阻容吸收装置和线性电阻两种方式。
PT 开口三角绕组接线性电阻，电压等级越高或 PT 特性越差时，要求相应的电阻值越小，因
而当发生持续稳定的单相接地故障时，电阻的容量难以满足要求，而且 PT 的容量也难以满
足要求。PT开口三角绕组接阻容吸收装置，如果重复发生谐振且持续时间较长，则亦同样存
在PT及消谐装置的容量问题。
3、PT铁磁谐振的理想消谐措施
分析研究表明，谐振是振荡系统的某一自由振荡频率等于外加强迫频率的一种稳态（或
准稳态）现象，在这种周期性或准周期性的运行状态中，发生谐振的谐波，其振幅会急剧上
升。谐振过电压的危害性既决定于其幅值大小，也决定于其持续时间的长短。谐振过电压的
幅值与谐振能量密切相关，而尽量缩短谐振的持续时间，对设备的绝缘是非常有利的。谐振
4过电压甚至可以稳定存在，直到破坏谐振条件为止。利用电阻的阻尼作用，可破坏其谐振条
件，使谐振消除。PT 铁磁谐振只决定于系统的零序回路参数。在 PT 中性点串入阻尼电阻，
可以达到消除谐振的目的。理想的阻尼电阻，在正常运行状态下为0，不改变PT的零序回路，
因此不会影响互感器的测量精度，也不会放大 PT 二次开口三角电压；在谐振发生时，电阻
趋于∞，相当于互感器不接地，也就破坏了零序谐振回路。
三、解决方案
针对风电场汇集线系统，我公司研发生产的KM-WPG风电场专用 PT及限流消谐装置，
通过改善 PT 的伏安特性和加装 KM-YXQ 一次限流消谐器的方式有效解决了 PT 谐振给系统
造成的危害。
KM-YXQ 一次限流消谐器在正常工作状态下呈现低阻状态，当PT发生谐振时铁芯饱和，

【内容描述】 风电场专用电力变压器（Power Transformer, PT）及限流消谐装置是专门为风电场设计的一种电力系统元件，用于电力传输过程中对电压互感器（Voltage Transformer, VT）进行特性的优化和保护。这种装置主要包括高压侧电压测量、故障电流限制以及消除电网中可能出现的谐波和电压暂态过电压等问题。 具体使用说明书中，可能会包含以下要点： 1. **产品介绍**：详细阐述风电场专用PT的功能特性，如高精度电压测量、宽量程、高稳定性等，以及限流消谐功能的工作原理和主要技术参数。 2. **安装与配置**： - 安装位置与方式：强调需将PT正确安装在风电场的主变压器或母线上，并连接到监控系统。 - 接线图示：提供详细的接线示意图，包括一次侧、二次侧及与风电场控制系统接口的接线方法。 3. **操作与维护**： - 启动与关闭步骤：指导用户如何安全启动和停止限流消谐装置的操作流程。 - 日常检查项目：列出定期检查PT工作状态和限流消谐功能的有效性所需的要点，如电压读数、谐波分量分析等。 - 故障处理指南：针对可能遇到的问题如异常信号、设备损坏等，提供相应的应急处理措施和维修指引。 4. **安全注意事项**：强调在操作、维护过程中应遵守的安全规定和预防措施，避免人身伤害和设备损坏。 5. **技术参数与性能指标**：详细介绍该装置的主要技术参数，如准确度等级、响应速度、额定电流、短路耐受能力等。 6. **法规与标准要求**：明确指出该装置符合的相关国家或行业标准，确保其在风电场中的合法合规应用。 总之，风电场专用PT及限流消谐装置使用说明书旨在为风电场运维人员提供全面、系统的操作和维护指南，以确保装置的正常运行并最大程度保障风电场电力系统的稳定性和可靠性。