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电磁式电压互感器谐振过电压分析及抑制措施

电磁式电压互感器谐振分析及抑制措施研究

（江建明四川省电力工业调整试验所610072）

电力系统接地系统为直接接地系统和不接地系统。

直接接地系统易发生并联谐振，不接地系统在单相接地时易发生串联谐振，有并联电容器的断路器易发生串联谐振。

长期以来，电力系统谐振过电压严重威胁着电网的安全。

特别是对中性点不接地系统，铁磁谐振所占的比例较大。

随着电网的日益发展，中性点直接接地系统的铁磁谐振问题越来越严重，出现的概率也越来越大。

近年，在四川发生过多次铁磁谐振引起过电压的案例，应引起高度重视。

本文将介绍产生铁磁谐振的机理、原因、现象以及应采取的措施。

1．产生铁磁谐振的原因

铁磁谐振存在三种情况：

直接接地系统对地电容引发的铁磁谐振；不接地系统的单相接地引起的铁磁谐振；断路器端口并联的电容形成的铁磁谐振。

电力系统中许多元件是属于电感性的，如电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈为电感元件，而线路各导线对地和导线间既存在纵向电感又存在横向电容，这些元件组成复杂的LC震荡回路，在一定的能量作用下特定参数配合的回路就会出现谐振现象。

由于铁芯电感的磁通和电流之间的非线性关系，电压升高导致铁芯电感饱和，极易使电压互感器发生铁磁谐振。

在中性点不接地系统中，如果不考虑线路的有功损耗和相间电容，仅考虑电压互感器电感与线路的对地电容C，当C大到一定值且电压互感器不饱和时，感抗XL大于容抗XC；而当电压互感器上电压上升到一定数值时，电压互感器的铁芯饱和，感抗XL小于容抗XC，这样就构成了谐振条件，下列几种激发条件可以造成铁磁谐振：

（1）当投入电力系统的电力线路长度发生变化时，线路对地电容与线路电阻发生改变。

如空载线路投切操作，对空母线充电，尤其是短母线进行倒母线时，易产生对地电容引起的并联谐振。

（2）当系统运行状态突变，在暂态激发条件下，TV铁芯饱和，其电感量L处于非线性变化。

如有线路瞬间接地，雷电感应侵入电网，尤其系统出现单相接地，易产生串联谐振。

（3）直接因突然投入系统的电容变化而引起谐振。

如补偿电容器的投入，断路器断口打开时的并联电容易产生并联谐振。

（4）由于线路分合或运行状态突变时，会产生多次或分次谐波，从而使ω发生变化。

如拉合刀闸、跌落式熔断器动作等，可能引起并联或串联谐振。

2．产生铁磁谐振的机理

由于电压互感器的中性点位移现象，常常在中性点不接地绝缘系统中引起铁磁谐振过电压。

在正常运行条件下，励磁电感三相相等，三相负荷相等，电网的中性点电位为零。

当线路中出现瞬时单相故障时，其它两相电压升高，三相电压互感器两相电压升高而饱和，其励磁电感相应减小，电网中性点出现位移电压，当三相总导纳之和为零时，便会发生串联谐振，中性点电压将急剧上升。

由于铁芯的磁饱和会引起电流、电压波形的畸变，即产生了谐波，使上述谐振回路还会对谐波产生谐振。

当线路很长，对地电容很大，或者励磁互感器的励磁电抗较大时，自振频率较低，容易发生分次（通常为1/2次）谐振，产生过电压；反之，当线路较短，对地电容很小，或者励磁互感器的励磁电抗较小时，自振频率较高，容易发生高次谐振，产生过电压。

其表现形式均为三相电压同时升高，但在分次谐波谐振时，过电压忽低忽高作低频摆动。

当XC/XT≤0.01时，谐振不会发生。

随着XC/XT的增加，依次发生1/2次谐波、基波、三次谐波的谐振，同时所需的电压值也逐渐增大。

因此1/2次谐波所需的电压最低，最容易发生谐振。

基波和高次谐波谐振过电压一般不超过3倍电压。

1/2次谐波谐振过电压，由于受到电磁互感器严重饱和的影响，励磁电流急剧增加，可高达励磁电流的几十倍以上，常常引起高压保险丝熔断，或者造成互感器烧损。

3．铁磁谐振现象

铁磁谐振可以是分次谐波谐振、基波谐振、高次谐波谐振，其表现形式可能是单相、两相或三相对地电压升高，或以低频摆动，引起绝缘闪络或避雷器爆炸，或产生高值零序电压分量出现虚幻接地和不正确的接地指示，或者在电压互感器中出现过电流，引起熔断器中出现过电流，使熔断器熔断或互感器烧损，甚至可能使小容量的电动机发生反转现象。

电力系统中发生不同频率的谐振与基频系统对地电容的容抗XC与电压互感器的感抗XL的比值有直接关系：

1）当比值为0.01—0.08时，发生分频谐振，表现为：

过电压倍数较低，一般不超过相电压的2.5倍，三相电压表的指示数值同时升高，而且有周期性的摆动，线电压指示数正常。

2）当比值为0.08—0.8时，发生基频谐振，表现为，三相电压两相高，一相低，线电压正常；产生很大的过电流会导致互感器熔丝熔断，甚至烧毁电压互感器；过电压倍数在3.2倍相电压以内，伴有接地动作或告警，即虚假接地现象。

3）当比值为0.6—3.0时，发生高频谐振，表现为：

过电压倍数较高；三相电压表同时升高，最大值达相电压的4—5倍，线电压基本正常且稳定；谐振时过电流较小。

4．几种常见的铁磁谐振

4.1断线谐振

所谓断线泛指导线段落、断路器非全相操作以及断路器的一相或二相熔断。

断线的结果可能形成电感电容的串联谐振回路，其中电感是指空载或轻负载变压器的励磁电感等，电容是指导线的对地电容和相间电容，或电感线圈的对地杂散电容等。

在中性点不接地的配电网络中，断线谐振出现的比较频繁，并且造成各种后果，即在绕组两端和导线对地间出现过电压；负载变压器的相序反倾；中性点位移和虚幻接地；绕组铁芯发出异常响声和导线对地出现电晕声。

在严重情况下，甚至瓷瓶闪络，避雷器爆炸和击毁电气设备。

4.2传递过电压

当高压线路中发生不对称接地或断路器的不同期操作时，将会出现零序电压和零序电流分量，通过静电和电磁耦合，能在近旁的低压平行线路中感应出瞬间的或持续性的传递过电压；同样，变压器高压绕组侧的零序电压通过绕组间的杂散电容传递至低压侧，危急后者的电气绝缘。

如果低压侧接有铁芯电感元件（消弧线圈、空载变压器或电压互感器等），则可能产生铁磁谐振过电压。

4.3电磁式电压互感器引起的铁磁谐振

在电力系统中，发、变电所母线上接有电压互感器，并且其一次绕组接成星形，中性点直接接地。

这样，当进行某些操作时（例如中性点绝缘系统非同期合闸，或接地故障消失之后），电压互感器的激磁阻抗与系统的对地电容形成非线性谐振回路，由于回路参数及外界激发条件的不同，可能造成分频、工频或高频铁磁谐振过电压。

统计表明，电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压是中性点不接地系统中最常见、且造成事故最多的一种内部过电压，严重地影响供电安全，必须予以重视。

在中性点直接接地的电网中，电网中性点电位已被固定，但高压断路器断口均压电容与电压互感器绕组电感形成的串联回路，在参数配合时，也有可能出现谐振过电压。

4.4串联电容补偿线路中的铁磁谐振

串联补偿装置是多个串、并联连接的三相电容器组，串联在输电线路的首端、中间或者末端，其目的是使容抗补偿线路的正序感抗。

在中、低压配电线路中，串补主要用来提高线路末端电压。

当串补线路末端接有空载或轻载变压器时，其励磁电感很大，它与线路正序电抗相加，并与串补电容组成很低的自振角频率，在线路合闸或投入串补时将会产生分频铁磁谐振，使得压降和电流波形发生畸变。

在超高压线路中，投入串补的目的是为了提高线路的传输能力。

与中低压配电线路一样，如在线路末端接有空载变压器，则会产生同样的分频谐振。

5．消除铁磁谐振应采取的措施

消除铁磁谐振应采取的措施归纳起来主要有三方面：

改变电容、电感，使其不具备谐振条件，不易激发引起谐振；消耗谐振能量、增大系统阻尼，抑制或消除谐振的发生；在电力系统设计方面采取不同的接地方式或运行时采取临时到闸措施。

5.1选用励磁特性较好的电压互感器；

要彻底解决铁磁谐振问题，最根本的是选用励磁伏安特性好的电压互感器，在一般过电压水平下不足以进入深度饱和区，因而够不成谐振的匹配参数。

3—10kV系统中使用的三相五柱式电压互感器和110kV及以上系统采用的电容式电压互感器，均因好的伏安特性而不易激发铁磁谐振。

5.2减少同一网络中并联电压互感器台数

同一电网中，并联运行的电压互感器台数越多，总的伏安特性会变得越差，总体等值感抗也越小，如电网中电容电流越大，则容易发生铁磁谐振。

所以变电所母线并联运行时，只需投入一台作绝缘监视用，其余退出。

若不能退出时，可将其高压侧接地的中性点断开。

用户变电所的电压互感器中性点应不接地，只作为测量仪表和保护用。

5.3电压互感器高压侧中性点串接单相电压互感器

电压互感器高压侧中性点串接单相电压互感器（即零序电压互感器）。

主电压互感器一次线圈接成星形，其中性点经零序电压互感器接地。

该方案相当于中性点接入一个高阻抗，其结果使三相电压互感器的等值电感显著增大，从而易实现XC/XT≤0.01的条件，避免了由于饱和而引起的铁磁谐振。

但同一电网中，如有多组电压互感器，则必须每组均按此接线方有效，且三相电压互感器中性点对地电压（零序电压）亦被抬高。

5.4在电压互感器高压侧中性点串接电阻

该方法中串入的电阻实际上等价于每相对地串接,也就是在铁磁谐振的串联谐振回路中串入电阻.此电阻可增大系统阻尼,消耗谐振的幅度和能量.虽然电阻值越大,抑制谐振效果越好,但阻值太大会影响系统接地保护的灵敏度,电压互感器中性点电位要抬高,有可能超过半绝缘电压互感器中性点的绝缘水平。

实用中一般为几十kΩ。

也可利用消谐器进行消谐，该装置由多个非线性电阻串联而成，接在TV一次侧绕组中性点与地之间，如LXQ型、RXQ型等消谐器。

它是利用电阻来阻尼TV铁芯饱和引起的铁磁谐振。

研究表明，当消谐器电阻R≥6%TV在线电压下的励磁阻抗时，基本上可以消除铁磁谐振。

5.5在电磁式电压互感器的开口三角形绕组中加装阻尼绕组

在电磁式电压互感器的开口三角形绕组中加装阻尼绕组或白炽灯泡，使在谐振时开口三角形绕组中产生附加励磁电流，改变TV一次侧的等效电感。

可消除各种谐波的谐振，R用于消耗电源供给谐振的能量，能够抑制铁磁谐振过电压。

对于35kV及以下的电网一般要求R值为几欧至几十欧。

理论上其电阻值越小，效果越好，R=0时相当于系统中性点直接接地。

实际上经研究，R=1Ω时效果最佳。

通常，用于消谐的开口三角的电阻R≤0.4XT（XT为电压互感器的励磁电抗换算到TV开口三角绕组两端值）。

实用中一般为30Ω或300—500W灯泡。

如果将阻尼电阻长期接在开口三角形绕组中，则由于其容量的限制，阻值不能过小，否则当系统发生持续性单相接地故障时在开口三角形绕组两端将出现100V工频零序电压，从而造成电压互感器的严重过载。

最好采用一种非线性电阻，其冷态电阻仅几欧，经过2—3秒后电阻值将缓慢上升到100欧左右，既能满足可靠消谐又能满足互感器的容量要求。

不少厂家对引入的阻尼电阻进行了改进，利用晶闸管制造了自动改变电阻值的自动消谐装置，由晶闸管和鉴频电路组成，如KFX型消谐器。

在正常运行时，晶闸管截止，开口三角间电阻为数百兆欧的高阻状态，一旦发生铁磁谐振，当开口处出现约25Hz的电压时，鉴频电路向晶闸管门极输出一个大于0.7V的电压信号，晶闸管导通短接开口三角形绕组，达到消除谐振的作用。

谐振消除后切除阻尼电阻，恢复系统正常接线。

消谐器对消谐装置的控制回路要求非常高，要求能够准确判断消谐产生时间，投入阻尼电阻，若判断失误，过早将阻尼绕组投入，此时就会在阻尼电阻上流过过电流。

5.6在母线上加装对地电容，使达到XC/XT≤0.01。

XC/XT≤0.01不易发生铁磁谐振，因此在10kV以下的小变电站可加装中性点接地的电容组或用一般电缆代替架空线,也可利用母线上安装的补偿电容器（大部分配电站已安装，一般未投入），当发生谐振或倒闸后电压表显示混乱时，可把电容器投入，增大母线电容，待谐振消除后再切除电容器以避免过补偿。

对大变电所连接有多台电压互感器的情况，因需增设电容量较大，不宜采用。

对于空母条件下的铁磁谐振，可利用投入空载线路的办法消除。

5.7系统中性点经消弧线圈接地

系统中性点经消弧线圈接地相当于在TV每一相励磁电感上并联一个电感,由于消弧线圈的电感值比TV励磁电感小得多,相当于将TV等效零序电感短路,打破了参数匹配关系,使谐振不易产生。

但对于对地电容较小的系统，由于电容电流较小所需采用消弧线圈电感值较大，虽然能抑制谐振的产生，但过大的电感会使得暂态震荡更加剧烈。

5.8采用电容式电压互感器

电容式电压互感器由电容分压器和一个较低电压等级的中间电磁式电压互感器2个部分组成，基本能防止谐振，但容易出现自振现象。

电容式电压互感器测量精度比电磁式电压互感器差，次极容量较小，且价格较贵。

5.9取消断路器断口的电容器，可避免该电容器引起的谐振。

应注意取消断路器断路器的灭弧能力有所下降，其开断容量降低到原来的70%左右，若容量不够，应重新更换。

5.10采用临时的倒闸措施来消除谐振

如投入消弧线圈，将变压器中性点临时接地以及投入事先规定的某些线路或设备等。

综上所述，TV开口三角短时接入阻尼电阻和TV一次侧中性点经非线性电阻接地两种措施效果最佳。

6．建议意见

在中性点不接地系统里，由于TV特性不好，铁芯易饱和，极易发生铁磁谐振。

统计资料表明，铁磁谐振的2/3以上属于分次谐波谐振，其余1/3属于基波或高次谐波谐振。

这些谐振的发生均给电力系统及TV带来带来不良后果，造成内电压或TV烧损，为此：

1）TV的励磁特性最好在电压互感器标准中分两种规格明确的规定。

特性好的TV用于绝缘监视和测量，一次中性点引出接地，特性要求不那么高的TV仅用于测量，一次中性点不接地，也不引出。

2）制造厂在设计用于绝缘监视的TV时，要降低磁密。

目前按铁芯正常最大工作磁密应降低至1/1.732倍以下。

3）当XC/XT≤0.01，铁磁谐振就可避免。

为此，新机投产时，最好实测XC及XT，以判断是否有产生铁磁谐振的可能，并提前采取措施。

4）在TV的伏安特性达不到规定时，凡是承担中性点不接地系统绝缘监视任务的TV一次中性点接地，在设计时尽可能在开口三角形处配置消谐装置。

5）没有监视绝缘任务的三芯五柱TV，一次中性点应不接地。