電壓互感器引起的諧振過電壓及防范措施

趙 融 上海鐵路局供電處

鐵路10 kV電力系統(tǒng)中由電壓互感器鐵芯深度飽和引起鐵磁諧振過電壓的情況時有發(fā)生。它持續(xù)時間長，能長時間自保持，是電壓互感器燒損甚至爆炸的重要原因，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。近年來隨著鐵路客運專線的相繼開通，供信號用電的高壓線路大范圍應(yīng)用電纜，配電網(wǎng)線路對地電容顯著增加，系統(tǒng)中發(fā)生單相接地或弧光接地故障時，極易引發(fā)系統(tǒng)內(nèi)電壓互感器的飽和，激發(fā)諧振過電壓，導(dǎo)致電壓互感器燒損現(xiàn)象的發(fā)生。

1 故障現(xiàn)象及相關(guān)數(shù)據(jù)

京滬高鐵無錫東10 kV配電所自開通以來，間隔4次發(fā)生電壓互感器燒損的現(xiàn)象，以下為典型案例。2011年8月11日14：34左右，京滬高鐵無錫東10 kV配電所高壓室里有"嘭、嘭"聲響，隨后發(fā)現(xiàn)電源二N10母互二柜A相電壓互感器炸裂，接著N8柜電源二柜斷路器跳閘。隨即詢問供電局得知：14：20無錫供電局團結(jié)變10 kV張村線125保護(hù)動作跳閘，重合閘成功，同時10 kV一段母線接地，電壓A相10.3 kV；B相10.45 kV；C相 0.1 kV。

無錫東10 kV配電所內(nèi)電源二受電柜毛刺曲線圖數(shù)據(jù)得知：

① 14：20，A 相 8.94 kV；B 相 9.91 kV；C相 1.48 kV。

② 14：26，A 相 9.07 kV；B 相 9.93 kV；C相 1.23 kV。

③ 14：36，A 相 0.07 kV；B 相 0.08 kV；C相 0.05 kV。

事故報文：

故障時，A相電壓 0.089 kV；B相電壓 6.648 kV；C相電壓 0.045 kV。

故障時，系統(tǒng)頻率為21.85 Hz。

14 h36 min18 s425 ms，電源二欠壓保護(hù)。

2 故障原因剖析

14:20無錫供電局團結(jié)變高壓饋出回路張村線C相接地，由于無錫東10 kV所電源二團結(jié)線與供電局故障回路張村線為同一母線，所內(nèi)主母互二A、B相電壓上升為線電壓，C相電壓基本為0。故障時，系統(tǒng)頻率為21.85 Hz，從故障現(xiàn)象和故障時各相電壓的數(shù)據(jù)判斷電壓互感器鐵磁諧振的基波不是工頻，而是1/2分頻。因為頻率減半，電壓互感器鐵芯中磁密要比額定時大1倍，使鐵芯飽和，勵磁感抗急劇下降，而高壓繞組流過極大的過電流，導(dǎo)致電壓互感器一次電流劇增至原幾十倍乃至上百倍。A相PT嚴(yán)重過載造成無錫東10 kV所電源二團結(jié)線N10主母互二柜A相電壓互感器炸裂。后因供電局試?yán)伋龉收匣芈罚聼o錫東10 kV所電源二柜低電壓保護(hù)跳閘。

3 諧振過電壓理論分析

10 kV系統(tǒng)電壓互感器頻繁燒損嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)安全運行。通過對京滬高鐵無錫東10 kV配電所一系列故障的全面剖析，得出諧振隨著對地電容和電壓互感器起始勵磁電感的增大，依次發(fā)生高頻、基頻和分頻諧振。電壓互感器電感與系統(tǒng)對地電容并聯(lián)，構(gòu)成如圖1所示的等值電路。

圖1 電壓互感器電感和系統(tǒng)對地電容的等值電路

圖1中，各相電壓互感器勵磁特性相同，鐵芯不飽和時，L1=L2=L3=L0（L0為鐵芯未飽和時的電感），三相對地電容基本相等，電源電勢EA、EB和EC為三相對稱電源，中性點O的電位U0。

式（ 1） 中，Y1為相對地導(dǎo)納，Y1=-j·1/ωLi+jωC0

正常運行時，EA+EB+EC=0，Y1=Y2=Y3，系統(tǒng)中性點電位U0為零。一般情況下，1/ωLi＜ωC0， 各相導(dǎo)納均是容性導(dǎo)納，不會出現(xiàn)諧振。但當(dāng)系統(tǒng)受到某種干擾，如單相接地、雷擊、合閘操作等外部因素激發(fā)的情況下，使某一相或者幾相鐵芯飽和，恰好使Y1+Y2+Y3接近于零，便產(chǎn)生了諧振現(xiàn)象。

由式（1）得Y1+Y2+Y3接近于零的頻率就是回路的自振頻率，完全取決于系統(tǒng)對地電容 C0的大小和電壓互感器的勵磁特性 Li。 如果 C0·Li很大，回路的自振頻率ω就低，有可能出現(xiàn)分頻諧振。反之，如果C0·Li很小，回路的自振頻率ω就高，有可能出現(xiàn)高頻諧振。

根據(jù)Peterson試驗也得出結(jié)論：電壓互感器鐵心電感的伏安特性愈好越不易飽和，諧振所需阻抗參數(shù)Xco/XL越大(Xco是線路零序容抗，XL是電壓互感器額定線電壓下的感抗)。諧振區(qū)域與阻抗比Xco/XL有直接關(guān)系，1/2分頻諧振區(qū)域的Xco/XL約為0.01～0.08；基頻諧振區(qū)域的Xco/XL約為0.08～0.8；高頻諧振區(qū)域的Xco/XL約為0.6～3.0。當(dāng)改變電網(wǎng)零序電容時Xco/XL隨之改變，回路可能出現(xiàn)由一種諧振狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N諧振狀態(tài)。如果零序電容過大或過小就可脫離諧振區(qū)域即不發(fā)生諧振。

據(jù)相關(guān)試驗得到，分頻諧振電流為正常電流的240倍以上，工頻諧振電流為正常電流的40～60倍，高頻諧振電流更小。在這些諧振中，分頻諧振的破壞最大，如果電壓互感器的絕緣良好，工頻和高頻一般不會危及設(shè)備的安全，而分頻則能使電壓互感器燒損。由此，也間接推斷出京滬高鐵無錫東10 kV配電所電壓互感器鐵磁發(fā)生分頻諧振導(dǎo)致電壓互感器燒損的結(jié)論。

4 限制電壓互感器鐵磁諧振過電壓的防范措施

根據(jù)鐵磁諧振產(chǎn)生的原理，防止鐵磁諧振的發(fā)生，最有效的辦法是改變系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)法改變電壓互感器的電抗或電力系統(tǒng)對地的容抗，破壞諧振產(chǎn)生的條件。在鐵磁諧振發(fā)生后，要有效地阻尼諧振的發(fā)展，消除其帶來的危害。

4.1 在電壓互感器開口三角繞組端口接消諧電阻

電力系統(tǒng)正常運行時，開口三角兩端的不平衡電壓很小，而當(dāng)諧振發(fā)生時，中性點出現(xiàn)位移，開口三角兩端將出現(xiàn)較高的電壓，如果在開口三角兩端接上電阻，電阻將消耗能量，對諧振起到阻尼的作用。

但在單相接地故障時，開口三角兩端也出現(xiàn)較高的零序電壓，按規(guī)范規(guī)定允許系統(tǒng)繼續(xù)運行兩個小時，開口三角上的電阻過小，可能導(dǎo)致流過互感器的電流過大，持續(xù)時間過長而燒損。非線性消諧電阻就是通過對單相接地和鐵磁諧振的判別，選擇性地在鐵磁諧振時，在開口三角兩端接入不同電阻值，阻尼鐵磁諧振的發(fā)展，而在單相接地故障和其它不平衡電壓發(fā)生時不動作。

4.2 在電壓互感器高壓側(cè)中心點與地間接消諧電阻

電壓互感器高壓側(cè)中心點加裝消諧電阻，相當(dāng)于在電壓互感器零序回路增加電阻，一方面部分零序電壓將施加在消諧電阻上，使電壓互感器的飽和程度降低，不至于發(fā)生鐵磁諧振消，另一方面消諧電阻限制了流過電壓互感器的零序電流，避免過大的電流流過電壓互感器引起互感器燒損。從消諧角度來說，消諧電阻越大，分擔(dān)的電壓就越高，電壓互感器鐵芯越不容易飽和，可以有效地阻止鐵磁諧振的發(fā)生。但是電阻過大，電壓互感器開口三角輸出電壓就相應(yīng)降低，影響繼電保護(hù)裝置動作的靈敏性。消諧電阻采用非線性電阻，在電網(wǎng)正常運行時，消諧電阻上電壓不高，呈高阻值，防止鐵磁諧振的發(fā)生，而在單相接地時，消諧電阻上電壓升高，呈低阻值，可滿足電壓互感器開口三角電壓不小于80 V的要求，使其不影響接地保護(hù)裝置的工作。

4.3 系統(tǒng)中心點經(jīng)消弧線圈接地

由于大量應(yīng)用電纜，接地電容電流很大，發(fā)生接地后電弧不易熄滅，容易激發(fā)電壓互感器的飽和諧振過電壓和間歇性的弧光接地過電壓。系統(tǒng)中心點經(jīng)消弧線圈接地能使系統(tǒng)阻抗參數(shù)盡量避開諧振區(qū)，對發(fā)生諧振較頻繁的一級貫通、綜合貫通回路，還應(yīng)考慮將一貫?zāi)富?、綜貫?zāi)富ル妷夯ジ衅髦行渣c改為經(jīng)消弧線圈接地。諧振嚴(yán)重的變配電所可考慮在電源中性點裝設(shè)自動調(diào)諧接地補償裝置。

4.4 降低電壓互感器的磁通密度，改善其伏安特性

從Peterson的試驗可以看出，當(dāng)Xco/XL≤0.01時，可有效地避免諧振的發(fā)生，為此選用勵磁特性飽和點較高的抗諧振低磁密度全絕緣電壓互感器，通過XL增加，使電壓互感器可以在系統(tǒng)有接地時，能夠長時間運行而不燒損。

5 結(jié)束語

鐵路電力系統(tǒng)中引起電網(wǎng)過電壓的原因很多，其中諧振過電壓出現(xiàn)相對頻繁，其危害性較大。一旦發(fā)生，往往會造成電氣設(shè)備的損壞，甚至發(fā)生停電事故，嚴(yán)重影響鐵路運行的安全可靠。

通過探討，我們知道限制電壓互感器鐵磁諧振過電壓的防范措施有很多，各有優(yōu)缺點，鑒于京滬高鐵無錫東10kV配電所電壓互感器頻繁燒損的情況，第一種方案考慮到現(xiàn)場電壓互感器柜空間有限等因素，決定在電壓互感器開口三角繞組處接非線性消諧電阻，電壓互感器采用低磁密度互感器以及在電壓互感器高壓側(cè)增設(shè)高壓一次熔斷器的措施。第二種方案將主母互柜的電壓互感器加柜單獨引出，互感器使用全絕緣PT并加裝一次消諧器以及在電壓互感器高壓側(cè)增設(shè)高壓一次熔斷器的措施。所以在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)實際情況，合理選用切實可行的消諧措施，以達(dá)到最佳消諧效果，才能確保鐵路供電的安全可靠。