原文发表在《高压电器》2025年第1期。
https://www.chndoi.org/Resolution/Handler?doi=10.13296/j.1001-1609.hva.2025.01.014
混联线路上不对称操作引起的电压互感器铁磁谐振仿真分析
陈浩宇1，淡淑恒1，丁文涛1，朱小贤2
(1. 上海电力大学电气工程学院，上海 200082；2. 国网上海金山供电公司，上海 200540)
一 内容简介
城市的配电网中电缆占比越来越大，与传统的架空线组成特殊的架空线—电缆混联线路，导致系统的对地电容发生变化，极易与系统中重要的测量保护元件电压互感器的非线性电感相匹配，从而引起系统中的铁磁谐振，轻则电压互感器熔断器烧坏，重则电压互感器发生爆炸，严重威胁到操作员的安全。基于PSCAD建立由架空线—电缆组成的10 kV混联线路仿真模型，选用可以模拟饱和特性的UMEC模型搭建电磁式电压互感器，并对其设置不同的饱和点电压。观测在线路上不对称合闸操作产生的高频暂态电压的激发下，电压互感器出现的铁磁谐振现象，并分析不同饱和特性下电压互感器一次侧电流的总谐波畸变率（THD）。通过以上分析研究为电磁式电压互感器在系统中的正确选用及安全可靠运行提供理论依据，为避免10 kV电磁式电压互感器的损坏提供了技术支持。
二 主要内容
城市的不断发展，越来越多的架空线被电缆代替。尤其是10 kV系统中，纯电缆线路占比越来越重，但是还有大量10 kV线路是由电缆和架空线路混合联结而成。这样的线路导致系统中对地电容增大，电感与电容比值匹配值更容易处于谐振区域，为铁磁谐振的发生提供了更多的可能。
目前，国内外学者对铁磁谐振的理论分析以及实验仿真研究都开展了大量的工作，电磁暂态仿真软件的使用使得该现象的研究更加深入。20世纪50年代，Petersen等人对中性点不接地系统的铁磁谐振进行了分析，并提出在电压互感器开口三角串接电阻等消谐措施。也有学者通过模拟试验得出电容与电感从小到大的变化会使系统中逐渐出现分频谐振、基频谐振、高频谐振，提出当系统发生铁磁谐振时可以投入串联补偿电容来抑制谐振的发生。与低频涌流导致的流过电压互感器的电流增大不同，系统状态改变引起的电压互感器饱和进而引起的铁磁谐振不仅会烧坏PT侧的熔断器，还会对系统中的其他设备产生干扰，如变压器，电流互感器等，因此需要引起足够的重视。
电压互感器作为系统的重要的保护和测量元件，其本身具有非线性饱和特性。系统在正常运行时，电压互感器的励磁阻抗很大，电压互感器、线路及母线的对地阻抗在回路中表现出感性阻抗大于容性阻抗，电力网络对地呈容性，三相基本平衡，中性点电压偏移很小。但在某些扰动下，如混联线路的不对称操作激发下，电压互感器的伏安特性不一致会导致铁心饱和，三相电感值有所不同，中性点出现零序电压，在数值上等于电源中性点和电压互感器中性点的电位差。并且在电压互感器发生铁心饱和时，饱和电流的持续时间会很长，励磁阻抗不断减小，如果在此变化中，系统对地容抗与之相等，将引起严重的铁磁谐振现象。
文中的研究是在架空线和电缆组成的混联线路中，当对断路器的A相进行合闸操作时，即不对称合闸操作时，分析该操作在混联线路中激发的母线高频暂态电压对电磁式电压互感器铁磁谐振的影响，并与正常工频电压激励下的情况对比，同时对不同饱和深度的电压互感器进行仿真分析。
1 铁磁谐振的物理过程
2 仿真模型的建立
3 仿真分析
3.1 工频下PT的铁磁谐振过程
3.2 不对称操作激发下的PT的铁磁谐振过程
3.3 总谐波畸变率对比分析
三 结论
混联线路上的不对称操作使母线出现了高频暂态电压，从而引起电压互感器出现铁磁谐振，其中含有的高次谐波也会严重威胁到系统的安全。因此文中对电压互感器在正常母线电压和高频暂态电压两种电压激励下的饱和特性进行研究，得出以下结论：
1)电压互感器在工频电压激励下，饱和电流峰值随着饱和程度的加深而增大。在饱和度最大的情况下饱和电流峰值可达2.9 A，尖顶波电流持续时间可达6 ms。而当电压互感器的饱和度为1.0 p.u.时，电压互感器流过的电流值在额定电流范围内呈正弦波变化。
2)当线路中出现高频暂态电压时，电压互感器的饱和度须在1.2 p.u.时才不会出现铁磁谐振。而在饱和度小于1.2 p.u.时饱和电流随着母线暂态电压的畸变而出现了高次谐波。
3)对比分析两种电压激励下的饱和电流的总谐波畸变率THD得出，饱和度保持不变的情况下，工频电压激励下的THD始终比高频电压激励的低。当饱和度达到1.0 p.u.时，工频电压激励下的THDi为0.245%，但高频激励下的THDi为1.551%。
通过以上仿真分析，为10 kV电磁式电压互感器正确选用提供了理论依据，为避免10 kV电磁式电压互感器的损坏提供了技术支持。
作者简介
陈浩宇(1997—)，男，硕士研究生，主要研究方向为电气设备状态研究、过电压仿真计算(E-mail：872615530@qq.com)。
淡淑恒(1969—)，女，博士，教授，主要研究方向为电气设备绝缘在线监测与故障诊断、新型电气设备的机理研究及研制(E-mail：danshuheng@shiep. edu. cn)。
本文索引
陈浩宇，淡淑恒，丁文涛，等. 混联线路上不对称操作引起的电压互感器铁磁谐振仿真分析[J]. 高压电器，2025, 61(1)：121-128.
CHEN Haoyu，DAN Shuheng，DING Wentao，et al. Simulation analysis of ferromagnetic resonance of voltage transformer by asymmetric operation on hybrid lines[J]. High Voltage Apparatus，2025, 61(1)：121-128.
《高压电器》，CN 61-1127/TM，ISSN 1001-1609，邮发代号：52-36，1958年创刊，月刊，国内外公开发行，刊名由当时的人大常委会副委员长、中国科学院院长郭沫若同志亲笔题写。陕西省科技期刊精品期刊。
《高压电器》入选的数据库有：中文核心期刊、中国科技核心期刊、中国科学引文数据库（CSCD）核心刊、RCCSE中国核心学术期刊、世界期刊影响力指数（WJCI）报告。另外，《高压电器》还被国际著名的Scopus数据库收录，同时被俄罗斯的《文摘杂志》（AJ，VINITI）、英国的《科学文摘》（SA）及日本科学技术振兴机构数据库（JST）等著名期刊检索机构列为来源期刊。
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