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10kv消谐装置探讨
10kV电压互感器各种防谐振措施评述
李达坚 何毅思 冯庆燎
摘 要 就10kV电压互感器的各种防铁磁谐振措施进行了分析，提出广州北区供电局的解决方法。
关键词 铁磁谐振 消谐器 抗谐振PT 开口三角绕组
1 10kV电压互感器的运行情况
广州北区供电局（下简称“北区局”）现投入运行的110kV变电站共有10个，各变电站的10kV系统一般情况下各自独立，除江村、夏茅站为中性点经曲折变和电阻接地外，其余8站中性点均不接地。
表1是北区局在1997年全年PT熔断的次数统计。
表1 北区局1997年10kVPT保险丝熔断情况统计
站名
消谐装置型式
熔断次数
原因
神山
中性点直接接地
4
3次线路接地，
1次雷击接地
马岗
中性点直接接地
2
线路接地
九佛
中性点直接接地
0
钟落潭
中性点经电阻接地
0
竹料
开口三角绕组接白炽灯
0
太和
中性点直接接地
0
龙归
开口三角绕组接分频器
1
线路接地
人和
1号PT抗谐振型，
2号PT直接接地
1
雷击接地
另外，在1998年2月，竹料变电站3次PT熔丝熔断，神山变电站有1次，均为受线路的影响。
2 铁磁谐振过电压产生机理
在中性点不接地系统中，为了监视三相对地电压，变电站内10kV母线常接有Yo接线的电磁式电压互感器，这时电气结线见图1。
正常时PT的励磁阻抗很大，网络对地阻抗仍呈容性，三相基本平衡，中性点O的位移电压很小，但在某些扰动下，如单相接地的发生和消失，
图1 10kVPT未装消谐装置时电气结线图
这些都会使PT中暂态励磁电流急剧增大，感值下降，于是三相电感值有所不同，使O点出现零序电压。
设L0为PT三相并联的零值电抗，而当L0与3C0回路达到固定振荡频率ω0时，将会在系统中产生谐振现象。
随着线路的延长，依次发生高次（2、3次）基极、1/2次分频谐振。
当发生分频谐振时，由于互感器感抗显著下降，励磁电流急剧增大，可达到额定值的数十倍，造成互感器的烧毁或保险丝熔断。
有关的研究证明［1］：
在PT开口三角绕组接入电阻（R/Xm≤0.4），相当于在PT的励磁电感之中并入电阻，能够限制和消除谐振；在PT的高压中性点串接电阻，随着R的增大，谐振的范围缩小，当R≥6%Xm时可消除一切铁磁谐振；当线路对地容抗XCo/Xm≤0.01时，将不会产生谐振。
若PT的Xm为1MΩ，线路电容值每公里为0.004μF，则北区局8个中性点非接地变电站的匹配情况如表2。
表2 北区局8个中性点非接地变电站的匹配情况
站名
PT数目
架空线长度/km
XCo/kΩ
XCo/Xm
钟落潭
1
68.557
11.607
0.012
竹料
1
56.723
14.029
0.014
太和
1
71.345
11.154
0.011
神山
2
84.283
9.442
0.019
人和
2
102.939
7.731
0.015
马岗
1
48.212
16.506
0.017
龙归
1
65.355
12.176
0.012
九佛
1
78.976
10.008
0.010
根据表2，线路和PT的参数XCo/Xm均大于0.01，说明都有可能在系统扰动时出现铁磁谐振现象，其中主要是分频谐振，要采取相应的消谐装置。
3 各种消谐措施分析
3.1 PT中性点经消谐器和小电阻接地
由钟落潭变电站（PT中性点串电阻）全年无一次PT保险丝熔断及各变电站安装消谐器至今无一次熔断来看，其抑制谐波的效果较为明显。
原理图见图2。
中性点串入的电阻等价于每相对地接入电阻，能够起到消耗能量、阻尼和抑制谐波的作用。
在线路单相接地时，由于中性点O对地带有一定电位，故能相应减少非故障相PT绕组的电压，使PT的饱和程度降低，不至于发生铁磁谐振。
但是电阻的
图2 10kVPT一次侧中性点经电阻R接地电气结线图
接入使PT开口三角绕组输出电压相应降低，会影响接地指示装置的灵敏性。
除了要考虑R≥6%Xm外，还要考虑电阻的热容量。
当直接采用线性电阻时，往往由于电阻元件的容量及绝缘水平选择不当，使引线烧断，电阻烧毁，沿面闪络等。
若采用RXQ-10型消谐器，其内部由SiC非线性电阻片与线性电阻（6～7kΩ）串接，在低压时呈高阻值，使谐振在初始阶段不易发展起来。
在线路出现较长时间单相接地时，消谐器上将出现千余伏电压，电阻下降至稍大于6～7kΩ，使其不至于影响接地指示装置的灵敏度，同时非线性电阻片的热容量相当大，可满足放电电流的要求。
下面定性地讨论PT中性点串电阻或消谐器后对各相绕组电压及开口三角绕组电压的影响。
假设PT在线电压时工作在饱和区，励磁电抗X/Xm=1/6，R仍取6%Xm即60kΩ。
C相发生单相金属接地时，等效电路图及向量图见图3。
图3 10kVPT串电阻或消谐器的原理
根据诺顿定理：
则等效电流源：
所以
Uao′=10∠60°-2.88-j3.11=5.94∠69.1°
Ubo′=10∠120°-2.88-j3.11=9.64∠144.8°
Uco′=-2.88-j3.11=4.24∠227.2°
故开口三角绕组输出电压：
考虑中性点直接接地时：
两者幅值之比：
同理可得加消谐器时：
U′Δ/UΔ=98.4%
实际上由于PT的伏安特性一般较差，在加线电压时均会有一定程度的饱和。
通过计算说明：
在中性点串电阻时开口三角绕组输出电压仅为原来的67.9%，而串消谐器时则达到98.4%，比较之下串消谐器后对接地指示装置的影响较小；同时PT中性点串电阻或消谐器后，非故障相绕组的电压虽有降低，但幅度不大，其中一相绕组的电压更接近线电压，进入饱和区域，其消谐作用似乎不大，仍有待实际运行中确认。
3.2 PT开口三角绕组接电阻或分频消谐装置
PT开口三角绕组接电阻的电气原理图见图4。
由于电阻接在开口三角绕组两端，必然会导致一次侧电流增大，也就是说PT的容量要相应增大。
从抑制谐波方面考虑，R值越小，效果越显著，但PT的过载现象越严重，在谐振或单相接地时间过长时甚至会导致保险丝熔断或PT烧毁。
一般来说接入10kVPT开口三角绕组的电阻取16.5～33Ω，北区局竹料变电站选用220V、500W的白炽灯作电阻用，其作用是当灯泡在冷态即谐振刚发生时阻值较小，而当单相稳态接地时，阻值变大以免PT过载。
北区局龙归变电站采用的开口三角绕组接可控硅分频消谐装置的原理图见图5。
在电网出现雷电过电压或操作过电压时，该电路VSO端电压和触发脉冲反相，VSO不能导通。
当发生单相接地故障时，VSO虽有工频电压但无触发脉冲，仍不能导通。
仅当电网中发生分频铁磁谐振时，VSO才会导通，三角绕组被短接，铁磁谐振在强烈的阻尼作用下迅速消失，当谐振消失后，VSO恢复到阻断状态。
在实际运行中，上述两种装置仍不能有效避免谐振的发生及保险丝熔断。
龙归变电站自1997年6月投产，至年底就有1次保险丝熔断；竹料变电站在1998年2月更有3次同线路瞬间接地而熔断保险丝（经检查，白炽灯完好）。
在谐振发生或线路单相接地时PT一次侧电流显著增大及因本身元件故障而失去消谐作用是上述两种装置的主要缺陷。
3.3 采用抗谐振型PT域在PT中性点串单相PT
采用抗谐振型PT和在PT中性点串单相PT
图4 10kVPT开口三角绕组接电阻的电气原理图
图5 开口三角绕组接可控硅分频消谐装置的原理图
的原理相同，电气原理见图6。
图6 抗谐振型PT的电气原理图
假设L0与L1、L2、L3具有相同伏安特性，则此时PT的励磁电抗Xm=XL1+XL0'所以L0的接入主要有以下三个优点：
a）Xm显著增大，比较易实现XC0/Xm≤0.01这个条件，使系统扰动时不致于发生谐振。
b）如前所推导UO′的公式知，L0接入后：
UO′=4.33，UaO′=6.6，UbO′=6.6，亦即加在非故障相PT绕组的电压下降至接近相电压，不会饱和，从而杜绝了谐振的发生。
c）由L0二次绕组电压继电器作接地指示装置，在单相接地时其输出电压为75V，可按此值进行整定计算，从而保证了接地指示装置的灵敏度。
若中性点串入PT的励磁电抗XL0远大于XL1值，则效果更佳。
此时加在非接地相L1和L2、故障相L3、中性点PT的L0绕组的电压全部等于相电压5.77kV，肯定不会饱和，而且接地指示装置可获得的输出电压可达100V。
北区局人和变电站10kV1号PT安装了抗谐振型PT后，至今未发生过PT保险丝熔断现象，说明该种装置具有很好的消谐效果。
其它的消振措施如：
每相对地加装电容器，采用伏安特性好的PT，限制在同一网络中的PT的台数等，均可以从改善Xc0/Xm这方面去理解，在此就不再讨论。
4 结论
通过前面的讨论，我们可知道采用抗谐振型PT或在中性点串单相PT这两种装置，在线路单相接地时能够使PT各相绕组电压均能保持在正常相电压附近而不会饱和，从而很好地抑制铁磁谐振，降低PT一次侧电流，同时亦保持了接地指示装置对零序电压幅值和相位的灵敏度，其优点相当突出，故在今后应大力推广。
结合北区局各变电站10kVPT消谐装置使用情况，我们初步有如下措施：
1）长远来说，将用单相PT替代消谐器串接在中性点上，目前暂不更动以继续观察消谐器的运行效果。
2）原已在中性点串电阻（钟落潭站）、在PT开口三角绕组接白炽灯（竹料站）或分频消谐装置（龙归站）的，鉴于其PT由三只单相PT组成，可在其中性点串入一只励磁电抗更大的单相PT。
3）在新变电站安装时采用抗谐振型PT。
作者单位：
广州北区供电局，广州510541
参考文献
1 沈宗阳.中性点不接地系统中电磁式电压互感器引起的铁磁谐振一些消谐措施装置的比较使用，广东省10kV绝缘及过电压研讨会，［会址不详］，1992
防止中性点不接地系统铁磁谐振的措施
龙伟文，林永辉
（广东省广电集团公司佛山供电分公司，广东佛山528000）
摘 要：
在分析中性点不接地系统铁磁谐振的机理和特点的基础上，对常用的消谐措施进行了讨论，指出其局限性、适用范围及使用中应注意的问题。
关键词：
中性点不接地系统；电压互感器；铁磁谐振
变电站中性点不接地系统中，电压互感器常因铁磁谐振而烧毁或熔断熔丝。
人们对此做了大量的分析研究，采取了不少措施防止谐振发生，然而由于系统结构的复杂性和运行方式的灵活，造成运行参数具有随机性。
同时也因现存的各种消谐措施的局限性，使得只能在某些情况下消除谐振。
电压互感器（TV）饱和引起的铁磁谐振仍然是威胁电力系统安全运行的重要原因。
因此，有必要在分析中性点不接地系统铁磁谐振机理的基础上探讨消谐措施，以便在实际工作中有针对性地预防、消除中性点不接地系统铁磁谐振。
1 中性点不接地系统铁磁谐振的机理及特点
1．1 铁磁谐振的产生
中性点不接地系统中TV接入系统的接线图如图1所示。
当出现激发条件时，TV中暂态励磁电流急剧所不同，网络中性点出现零序电压
，三相TV中产生零序电流，经电源形成回路，简化等值电路如图2所示。
当Ln与3C0在某频率下参数值匹配时，
得以流通，从而在3C0上建立
与各相电源电压叠加，产生过电压，维持TV饱和，从而形成持续一段时间的铁磁谐振。
1．2 铁磁谐振的特点
根据Peterson的研究［1］，当TV饱和时，励磁电抗Xm与系统正序容抗无关，只和系统对地的零序容抗X0有关，且当X0／Xm＜0．01时，不发生谐振；随着（X0／Xm）的增大，依次发生1／2分频、基频、三倍频谐振，相应地，发生谐振所需的外加电压也逐渐增大。
由于运行中的一般都是额定相电压（0．58Ur，Ur为额定线电压），因此1／2分频时较多发生基波谐振，高次谐波的谐振较少。
分频谐振的频率并非严格等于1／2次，分频谐振时，铁心高度饱和，励磁电流剧增数十甚至一百倍，导致TV烧毁或保护用熔断器熔断。
2 消除铁磁谐振的措施
消谐应从两方面着手，即改变电感电容参数和消耗谐振能量。
人们据此制订了多种消谐措施。
2．1 TV开口三角两端接电阻器R△
R△相当于接到电源变压器的中性点上，故其电阻R△越小，越能抑制谐振的发生。
若R△＝0，即将开口三角两端短接，相当于电网中性点直接接地，谐振就不会发生。
消除分频谐振时R△要最小。
使用该措施时应注意：
a）系统中每台TV开口三角均接电阻器时措施方有效。
b）经验表明，对于6～10kV电网，当TV饱
和特性较好时此措施比较有效。
c）经验表明，装设于互感器开口三角绕组的阻尼电阻一般对35kV和66kV系统效果较好，可固定投入，也可用零序电压继电器将电阻器短时投入，1min后自动切除［2］。
d）R△采用白炽灯泡时，由于谐振经常在单相接地消失后产生，白炽灯泡因发热而使其电阻显著增大，所以此时不起消谐作用。
e）当电压等级越高或TV饱和特性越差时，要求的R△越小。
因而发生持续稳定的单相接地故障时，R△的额定功率不易满足要求。
f）当系统电容三相不对称（如断线），或TV一次非全相熔断器烧断时，在对称状态下可以抑制的谐振，在不对称时仍有可能谐振，此时需减小R△才能抑制谐振。
这是因为：
电容不对称时，除了网络会有较大的不对称电压外，由于电容的减小导致容抗增大而易进入谐振区；TV一次非全相熔断器烧断时，它的并联电感有所减少，但由于二次侧电压降低，R△反应到一次侧的电阻增大得较快，从而降低了电阻器的阻尼效果。
g）由于R△是接在开口三角两端，因此这一负载必定同时加在三角绕组和一次绕组上，这就要求TV要有足够的容量，尤其是在间歇性弧光接地时，由于R△的接入，将使流过一次绕组的电流显著增大，增加了TV烧损的可能性。
h）为了使TV不因电压升高而进入饱和状态，应根据TV的容量选择电阻的额定功率。
i）现在许多二次侧消谐装置实质是对在开口三角两端接入电阻器的改进，其原理多是首先鉴别高频、基频、分频谐振，然后用电子电路实现不同的消谐措施以达到消谐目的。
然而，在实际应用中，由于原理及装置的可靠性欠佳，这些装置的运行情况并不理想。
二次侧电子消谐装置仍有待从理论、制造上加以完善。
2．2 TV一次侧中性点经电阻器R0接地
该措施除了能限制TV中的电流，特别是限制断续弧光接地时流过TV的高幅值电流外，亦能减少每相TV上的电压（相当于改善TV的伏安特性）。
使用该方法时应注意：
a）电阻器R0的电阻R0不能太小，也不能太大，否则单相接地时，开口三角电压太低，影响接地指示灵敏度及保护装置的正确动作。
根据文献［2］推荐，R0＞0．06Xm。
b）若网络中必须有多台高压侧中性点接地的TV同时运行，则必须每台TV均在中性点安装消谐电阻器方有效。
c）电阻器的额定功率须较大，一般采用额定功率相当大的非线性电阻器与线性电阻器串联。
非线性电阻器在低电压下电阻较大，还能阻止谐振发展。
d）该措施与TV开口三角绕组并接R△并非完全等价，对于系统三相电容严重不对称或TV一次非全相熔断器烧断等异常情况均可有效消谐。
e）当系统发生单相接地故障时，R0上将有超过几千伏的高压，此时不能使用中性点绝缘较低的TV。
若35kV系统使用的TV中性点绝缘水平为低压级（500V），则TV绝缘有可能承受不了过电压。
2．3 TV一次侧中性点经零序TV接地
这种措施在部分地区有成功经验，其原理是提高TV的零序励磁特性，从而提高TV的抗烧毁能力，已有厂家按此原理制造抗谐振TV。
但是应注意到，TV中性点仍承受较高电压，且TV在谐振时虽可能不损坏，但谐振依然存在。
2．4 母线上装设中性点接地的三相星形电容器组
这种方法是根据Peterson对谐振区域的研究提出的，当增大各相对地电容C0，使X0／Xm＜0．01时，可防止谐振，文献［2］亦列有此项措施。
但是，增大对地电容后，单相接地电流增加，有可能引起弧光接地过电压且电容C0折算至TV开口三角形两端的电容很大，容抗很小，当发生单相接地时，将引起过流而烧坏TV。
2．5 降低电压互感器运行电压
将3台Ur＝10kV的单相TV星形连接，中性点接地，二次侧接成开口三角形，TV运行电压从10kV降至5．8kV。
该措施可消除二次谐波的影响，但TV没有连接电压表的出线，一般不宜采用。
2．6 减少同一网络中并联TV台数
该措施的目的是防止TV并联后，总体等效伏安特性曲线较平，TV容易饱和而产生谐振。
因此，除电源侧作为绝缘监视而必须将TV高压侧中性点TV接地外，其它TV（尤其是用户TV）应尽可能不接地。
2．7 改善TV伏安特性
显然，若TV伏安特性非常好（如每台TV起始饱和电压为1．5Ur），则TV有可能在一般的过
电压下还不会进入较深的饱和区，从而不易构成参数匹配而出现谐振。
从某种意义上来说，这是治本的措施。
2．8 系统中性点经消弧线圈接地或接入同类的消弧电抗
该措施的零序等值电路如图3所示。
由于LK比LTV小几个数量级，相当于将LTV短路，所以不再会发生参数匹配谐振。
该方法虽然投资大，但可消除一切铁磁谐振，有明显优点。
3 结论
综上所述，消除中性点不接地系统铁磁谐振措施各有其优点和局限性，在实际应用中必须注意：
a）应首先从运行方式、设备选用和操作上防止谐振发生，如可尽量减少并联TV的数量，选用励磁特性好的TV，操作时防止出现激发条件等，这些都是简单而实用的措施，而不可盲目倚赖其它消谐措施。
b）TV开口三角形并接消谐装置与TV中性点串接电阻器混用时，在10kV系统单相接地时不能消谐，因此，不应将这两种方法混用。
c）理论研究表明，TV开口三角并接电阻器的缺点不少，一般情况下，应尽量少用，但在变电站投运等运行情况变化较少的情况下，该方法仍可作为6～10kV侧有效消谐措施。
d）TV中性点串接电阻器的适用范围较广，在二次电子消谐装置未能很好地防止谐振的情况下，不失为一简单有效的方法，但使用时应注意其亦有一定的局限性。
e）用并联电容器组方法消谐危害较大，一般不宜采用。
f）二次电子消谐装置虽然有成功运行经验，因其理论及制造仍存在问题，实际中的总体运行情况并不好，不宜盲目推广使用。
g）35kV系统采取消谐措施时应注意，在未经过充分的理论分析与运行考验前，慎用TV中性点串接电阻器或二次侧装电子消谐装置的方法，宜按文献［2］的推荐，采用二次侧并接电阻器的措施来消谐，但必须选择好电阻器的额定功率和标称阻值。
h）消弧电抗的消谐效果最好，若经济技术比较后可行的，可采用此法。
参考文献
［1］PETERSONHA.Transientsinpowersystems[M].[s.1.]，1951．
［2］DL／T620—1997，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合及 其条文说明［S］．
［3］刘继．电气装置的过电压保护［M］．北京：
水利电力出版社，1986．
［4］黄伟群．35kV抗谐振电压互感器［J］．变压器，1995（3）：
10—11．
铁磁谐振对电压互感器的损害及消谐措施
毛敬伟谭锋河北省邯郸电力设备厂（056004）
【摘要】 本文从理论上阐述了铁磁谐振过电压的产生机理及对互感器的损害，并提出了消谐措施。
【关键词】 铁磁谐振 电压互感器 损害 消磁措施
1 铁磁谐振过电压产生的机理
在最简单的带铁芯电感L和电容C与电源E的串联回路中，电容压降
，电感压降UL=I·ωL。
由于与
和
反向，所以
式中 Uc--电容压降
UL--电感压降
I--线路电流
E--电源电压
L--电感量
C--电容量
ω--2πf
图1 串联铁磁谐振电路特性曲线
由于铁磁电感具有非线性特征，求解这一电路采用图解法。
图1表示UL－I、Uc－I的伏安特性。
可以看出，Uc－I是一条斜直线，而Uc－I具有铁磁饱和的特性，它们相交于e点。
图中同时画出Δu与I的关系曲线，它和E直线相交于a1，a2，a3三点，在三个点上，E=Δu时，称为平衡点，即电路可能的工作点。
由图可知，电源E没有足够大扰动，则电路便稳定工作在a1点，电感和电容上的电压分别为
和
，且
，故
电路呈感性，这时电流较小，电路处于非谐振状态。
但由于10kV配电系统大多采用中性点不接地方式运行，其线路（尤其是电缆出线）对地存在分布电容，当系统运行正常时，各相电压互感器的感抗相等，中性点电压等于零。
但如果当线路因断线、雷击或其他原因而产生单相接地故障时（如A相），接地相对地电压降到接近于零，而非故障相对地电压上升
倍，导致严重的中性点位移，中性点对地电压升高，系统的稳定性和对称性遭到破坏。
另一方面由于中性点不接地运行方式的主要特点是单相接地后，允许维持一定的时间，一般为2h，不致于引起用户断电。
但随着中压电网的扩大，出线回路数增多、线路增长，中压电网对电容电流亦大幅度增加，在发生单相接地故障时，其接地点电阻较大且接触不良，因而在接地点出现瞬燃瞬熄的电弧放电，从而造成电压瞬高瞬低，同时引发电能、磁能的振荡。
单相接地时接地电弧不能自动熄灭，必然产生弧光过电压，一般为3～5倍相电压甚至更高，致使电网中绝缘薄弱的地方放电击穿，并会发展为相间短路造成设备损坏和停电事故。
对于全部（或大部分）是电缆出线的电网，网络的电容电流会更大，单相接地后电弧不能自行熄灭，产生的弧光过电压可能导致相间短路而电缆"放炮"。
所以当线路发生单相接地故障时，就会使电源电压瞬间升高，工作点越过ΔU－I曲线的最高点达到a2点，但a2点并不是稳定工作点，因为电路中电流一旦偏离a2点而增大时，电源电势E便大于ΔU，使回路电流I继续增大，这使带铁芯电感更加饱和，L值进一步下降，I随之增加，达到串联谐振点e点，在e点ωL=1/ωC，理论上此时过电压将趋于无穷大，但e点也不是稳定工作点，随着电流激增L将继续减少，电路就自动偏离谐振条件而跃变到新的稳定工作点a3为止，此时，虽然工作点已偏离理论上的谐振工作点e，但这时电流已经很大，
、
都很高，所以我们说电路仍处于谐振状态。
此时由于
，电路呈容性。
从以上分析可以看出，所谓铁磁谐振就是由于铁芯饱和而引起的一种跃变过程，由于a1点到a3点的跃变，使电路由原来的感性状态转变为容性状态，电路相位发生180°反转。
通过以上对串联铁磁谐振电路的分析，我们就能够明白，当线路发生单相接地时，两相电压瞬时升高，三相铁芯受到不同的激励而呈现不同程度的饱和，电压互感器的各相感抗发生变化，各相电感值不相同，
中性点位移产生零序电压。
由于线路电流持续增大，导致电压互感器铁芯逐渐磁饱和，其电感迅速减小，当电感降到满足ωL＝1/ωC时，即具备谐振条件，从而产生谐振过电压。
在发生谐振时，电压互感器一次励磁电流急剧增大，使高压熔丝熔断。
如果电流尚未达到熔丝的熔断值，但超过了电压互感器额定电流，长时间处于过电流状况下运行，必然造成电压互感器烧损。
2 消除铁磁谐振的技术措施
（1） 选择励磁特性好的电压互感器或改用电容式电压互感器。
（2） 在同一个10kV配电系统中
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