小電流接地系統(tǒng)鐵磁諧振原因及消除

蔣文芳

(四川省電力公司內(nèi)江隆昌供電局，四川 內(nèi)江 642150）

一 鐵磁諧振的原因

圖1 電容和鐵芯線圈并聯(lián)

在小電流接地系統(tǒng)中，電源變壓器中性點(diǎn)不接地，母線上接有中性點(diǎn)接地的電磁式電壓互感器和出線。電壓互感器相當(dāng)于一個(gè)非線性電感線圈，而母線和出線存在一定的對(duì)地電容，母線系統(tǒng)的對(duì)地電容與母線電壓互感器的電感組成電感和電容并聯(lián)回路。如圖1 所示：電容與鐵芯線圈并聯(lián)回路及向量圖。也可畫出U 與I 的變化關(guān)系曲線，如圖2，圖(a)中，曲線1 代表Ic 與U 的關(guān)系U＝f（IC），曲線2 代表IL 與U 的關(guān)系曲線，曲線3 表示總電流與U 的關(guān)系，曲線3 中的a、d 兩點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于曲線1、2 中的n、m 兩點(diǎn)。為方便分析，也可以畫出U 與I 的變化關(guān)系曲線如圖2 所示：

圖2 并聯(lián)時(shí)電壓與電流的關(guān)系

（a）U=f (Ic)、U=f (IL)和U=f (I) (b)變換后的U=f (I)把曲線3 的彎曲部分oad 畫到縱坐標(biāo)的右側(cè)，如圖2（b）所示，d 點(diǎn)的總電流I 為零，它是共振點(diǎn)，這時(shí)產(chǎn)生電流共振。電壓低于這一點(diǎn)時(shí)，電流是容性的，電壓高于這一點(diǎn)時(shí)，電流是感性的。oa 段是穩(wěn)定區(qū)，ab 段是不穩(wěn)定區(qū)，當(dāng)電流逐漸增加到a 點(diǎn)時(shí)，電壓就有"飛躍"現(xiàn)象，由a 點(diǎn)到b 點(diǎn)的同時(shí)總電流的相位也翻轉(zhuǎn)180°，由原來(lái)的容性變?yōu)楦行缘?，電流沿著bc 繼續(xù)上升，到達(dá)d 點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生諧振。

正常運(yùn)行時(shí)，電源電壓較低，一般Ug

鐵磁諧振是因電壓互感器鐵芯在波動(dòng)高電壓飽和而引起"躍變"過(guò)程。在鐵芯未飽和時(shí)，電感大，電路中電感起主要作用；飽和后，電感變小，電路中容抗起主要作用，所以有電流的相位起變化。

二、小電流接地系統(tǒng)鐵磁諧振

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)引起鐵磁諧振過(guò)電壓，從本質(zhì)上來(lái)講，是因電磁式電壓互感器的非線性電感與系統(tǒng)中的對(duì)地電容構(gòu)成的鐵磁諧振引起的。當(dāng)諧振發(fā)生時(shí)，中性點(diǎn)出現(xiàn)顯著的位移，此時(shí)相電壓將發(fā)生變動(dòng)，電網(wǎng)的對(duì)地電容與互感器的勵(lì)磁電感相匹配，且初始感抗應(yīng)大于容抗。這是因在鐵芯電感與電容的并聯(lián)回路中，如在初始狀態(tài)（較低電壓下）XL >Xc，即二者并聯(lián)后相當(dāng)于容性阻抗（C′），當(dāng)在一定的外界"激發(fā)" 條件下，使電源電壓升高，鐵芯趨于飽和，XL 下降導(dǎo)致中性點(diǎn)位移。激發(fā)條件有：

1.帶有電壓互感器的空母線或者空載線路突然合閘充電，在這種情況下，即使三相斷路器同期，但是由于三相電壓相差120°，它們不可能在同時(shí)在同樣的條件下合閘，可能有的相過(guò)零電流時(shí)最大時(shí)合閘，這樣會(huì)在互感器繞組中流過(guò)幅值很大的不平衡涌流，導(dǎo)致鐵芯飽和。

2.因雷擊或者其他原因，使線路發(fā)生瞬間弧光接地，健全相電壓突然升至線電壓。

3.由傳遞過(guò)電壓也可以使電壓互感器達(dá)到飽和。如在電源變壓器的高壓側(cè)發(fā)生瞬間單相接地或斷路器不同期操作時(shí)，其零序電壓也會(huì)傳遞到接有電磁式電壓互感器這一側(cè)，在此傳遞過(guò)電壓下，造成互感器鐵芯飽和。

鐵磁諧振可以是基波諧振，也可以是分次諧波諧振、高次諧波諧振。其表現(xiàn)形式可能是單相，兩相或者三相對(duì)地電壓升高，或以低頻擺動(dòng)，引起絕緣閃絡(luò)或避雷器爆炸；或產(chǎn)生零序電壓分量，出現(xiàn)虛幻接地現(xiàn)象和不正確的接地指示；或在電壓互感器中出現(xiàn)過(guò)電流，引起保險(xiǎn)熔斷或互感器燒毀。

例如1998 年7 月26 日，當(dāng)時(shí)大風(fēng)雷雨天氣，35kv 隆昌變電站10kv 母線B 相間歇性接地，隨后不久就出現(xiàn)10kvⅠ、Ⅱ段母線接地光字牌亮，中央信號(hào)發(fā)出告警信號(hào)，10kv 母線電壓互感器聲音不正常。檢查發(fā)現(xiàn)10kv 母線電壓三相不平衡而且升高，且伴隨有電壓指示有波動(dòng)，電壓表指針有顫抖現(xiàn)象，（A 相11.6KV、B 相6.8KV、C 相9.2KV），隨后就發(fā)生10KV 母線電壓互感器冒煙燒毀。從上面電壓互感器燒毀前、10KV 三相電壓有兩相電壓都同時(shí)升高，B 相電壓又沒(méi)降低，并發(fā)出10KV 接地信號(hào)來(lái)看，說(shuō)明10KV 回路處于諧振狀態(tài)。母線電壓互感器聲音異常也說(shuō)明當(dāng)時(shí)互感器可能處于在飽和狀態(tài)。

下面分析產(chǎn)生諧振的原因：

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，電源側(cè)中性點(diǎn)不接地，但是電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)是接地的，若Ca、Cb、Cc 為10KV 各相對(duì)地等值電容，La、Lb、Lc 為母線電壓互感器的一次側(cè)三相線圈對(duì)地阻抗（忽略線圈電阻），系統(tǒng)發(fā)生B 相弧光接地，此時(shí)，電壓互感器的鐵芯線圈相當(dāng)于與電容并聯(lián)，原理接線圖如下圖3 所示：

這樣就構(gòu)成了可能產(chǎn)生諧振的并聯(lián)回路，B相產(chǎn)生單相間隙弧光接地，產(chǎn)生間隙性過(guò)電壓，致使AC 兩相電壓升高，使得電壓互感器的鐵芯出現(xiàn)飽和或者接近飽和，阻抗變小，產(chǎn)生諧振的激發(fā)條件，從而產(chǎn)生諧振，此時(shí)，電壓互感器一次電流增大，磁通趨近飽和，有可能出現(xiàn)電壓互感器高壓側(cè)熔斷器熔斷，要么就會(huì)引起電壓互感器燒毀。由此看來(lái)，諧振引起的事故極為嚴(yán)重，故應(yīng)采取積極有效的措施避免和消除諧振，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

當(dāng)小電流接地系統(tǒng)中對(duì)地容抗與對(duì)地感抗的關(guān)系符合Xc/ XL<0.01 時(shí)，則系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生諧振，當(dāng)0.01≤Xc/ XL≤0.1 時(shí)，系統(tǒng)能發(fā)生分頻諧振，當(dāng)0.1≤Xc/ XL≤1 時(shí)，系統(tǒng)可能發(fā)生基波諧振，當(dāng)1≤Xc/ XL≤4 時(shí)，系統(tǒng)可能發(fā)生高頻諧振。改變電網(wǎng)電容，Xc/ XL 隨之改變，如果電容過(guò)大或過(guò)小，就可以脫離諧振區(qū)域，諧振就不會(huì)發(fā)生，阻抗參數(shù)Xc/ XL 落在諧振區(qū)域內(nèi)，也并不是每次都能激發(fā)起穩(wěn)定的諧振，因?yàn)橹C振的產(chǎn)生還與電壓沖擊，涌流大小等激發(fā)因素有關(guān)，因此，要避免鐵磁諧振的發(fā)生，應(yīng)該破壞諧振的條件，使系統(tǒng)容抗降低，電抗增大，從而使Xc/XL 小于0.01，同時(shí)也要防止過(guò)壓激發(fā)因素。

三、消除諧振的措施

為防止和消除諧振，可以采取以下措施:

1.變參數(shù)躲開諧振區(qū)：（1）改變Xc，當(dāng)XL不變時(shí)，減小或增大Xc，以改變Xc/ XL，在變電站母線上增加出線數(shù)，或在母線上加裝集中電容等。（2）改變XL，增大XL，使Xc/ XL<0.01，同樣可以避免諧振的發(fā)生。a、選用伏安特性較好的電壓互感器，使其工作點(diǎn)在伏安特性線性部分，這樣電容伏安特性與電感伏安特性曲線交叉點(diǎn)將向后移動(dòng)，鐵芯不易飽和，提高諧振激發(fā)電壓，也就難于激發(fā)諧振。b、減少電壓互感器并聯(lián)臺(tái)數(shù)，這樣可以增大XL，另外減少電壓互感器的一次繞組中性點(diǎn)接地臺(tái)數(shù)，以增大系統(tǒng)中的感抗，使其Xc/ XL<0.01 成立。c、合理安排操作方式：對(duì)空母線合閘容易產(chǎn)生諧振的變電站在合閘前，可先投入母線上的一條空載出線，然后再向母線充電，以達(dá)到改變系統(tǒng)參數(shù)，躲開諧振區(qū)域的目的。d、裝設(shè)消弧線圈：中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，能幫助瞬間接地電弧熄滅，防止弧光接地過(guò)電壓，對(duì)10KV 單相接地電流大于30A，35KV 系統(tǒng)單相接地電流大于10A 的應(yīng)裝設(shè)消弧線圈。e、提高斷路器檢修質(zhì)量，保證開關(guān)三相合閘的同期性，消除開關(guān)三相不同期沖擊合閘引起的過(guò)電壓，激發(fā)諧振的可能性。

2.增大回路阻壓效應(yīng)

1）在電壓互感器開口三角繞組兩端接入阻尼電阻或短接。

2）在電壓互感器高壓繞組中性點(diǎn)接入適當(dāng)?shù)碾娮?，阻尼流過(guò)高壓繞組和中性點(diǎn)的沖擊振蕩電流，避免鐵芯飽和。

3）采用零序電壓互感器，在10KV 電網(wǎng)中，采用零序電壓互感器是防止電磁式電壓互感器燒損的有效辦法。

4）采用新型的消諧裝置：a 、在電壓互感器二次側(cè)的開口三角上加裝可控硅消諧裝置，此裝置消除鐵磁諧振過(guò)電壓十分有效。 b、采用目前廣泛使用的LQX 消諧器，它是在電壓互感器中性點(diǎn)上串接LQX 非線性電阻，限制諧振的產(chǎn)生，消諧效果明顯。

3、在發(fā)生諧振時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況，采用投入備用線路；解列雙母線或者單母線分段，也可以斷開某一條出線等等以達(dá)到破壞諧振條件，消除諧振。

結(jié)束語(yǔ)

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)產(chǎn)生諧振的本質(zhì)；由于母線電壓互感器的電感元件與母線、線路的對(duì)地電容組成并聯(lián)諧振回路，在外部激發(fā)條件的作用下，使鐵芯電感磁飽和而激發(fā)諧振，激發(fā)起持續(xù)的高電壓、大電流、使運(yùn)行設(shè)備損壞，甚至造成事故。實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)運(yùn)行方式采取適當(dāng)?shù)南C措施，防止諧振的產(chǎn)生。

【1】陳仕鋼，張開賢，程玉蘭. 電力設(shè)備運(yùn)行及事故處理[M].北京：中國(guó)水利水電出版社， 1991.

【2】楊傳箭. 電氣運(yùn)行工人技術(shù)問(wèn)答[J]. 北京：水利電力出版社1979.

【3】要煥年、曹梅月.電力系統(tǒng)諧振接地[J].北京：中國(guó)電力出版社2000.