電壓互感器鐵磁諧振原因分析與消除對策

王海峰

摘要：眾所周知，一旦電力系統(tǒng)發(fā)生諧振，會導致電壓互感器電流增大，嚴重時會損壞母線電壓互感器，甚至會導致電壓互感器爆炸。鐵磁諧振的發(fā)生時間較長，且無法采取保護措施，因此，應重視做好鐵磁諧振的預防工作，對選擇電壓互感器型號的過程中，對電壓值進行合理估算，并設置科學的消諧方案，防范串聯(lián)諧振現(xiàn)象的發(fā)生，形成電力系統(tǒng)正常運行的保障。因此，探討電壓互感器鐵磁諧振解決方案，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

關鍵詞：正鐵磁諧振；變壓器；電壓互感器；消除諧振

正鐵磁諧振是自激振蕩的一種形式，是由變壓器、電壓互感器等鐵磁電感的飽和作用引起諧振現(xiàn)象。本文在對電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振的機理進行綜合闡述的基礎上，提出了消除諧振的方法，以期為相關人士提供參考。

1 電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振的機理

諧振是交流電路當中獨有的一種現(xiàn)象，通常情況下，交流電路當中出現(xiàn)了電感以及電容的串聯(lián)現(xiàn)象，會出現(xiàn)感抗等于容抗，從而造成諧振。一般來說，電力系統(tǒng)當中，受到電容、電感等元件故障影響或者誤操作時，就會產(chǎn)生以諧振為代表的震蕩回路。諧振所具有的串諧特征，還會對某些系統(tǒng)元件產(chǎn)生不可逆的破壞性影響，其中電壓互感器在諧振影響下的表現(xiàn)十分明顯，這是由于電壓互感器作為鐵芯元件，而鐵芯在參與到回路當中所形成的飽和電路會表現(xiàn)為非線性的電感參數(shù)，從而造成其嚴重破壞。就目前的電力系統(tǒng)諧振問題影響特征來看，諧振問題一般可以依據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分為并聯(lián)諧振以及串聯(lián)諧振兩種諧振類型，前者表現(xiàn)在小接地單流系統(tǒng)內(nèi)部，并聯(lián)狀態(tài)下的鐵磁諧振會使得電容互感器與電壓互感器在一次中性接地點的非線性電感之上，構(gòu)成諧振回路；而后者則是在大接地電流系統(tǒng)當中產(chǎn)生。電磁式電壓互感器會通過非線性電感與斷路器斷口的電容共同構(gòu)成諧振回路。而在眾多諧振回路當中，鐵磁電壓諧振出現(xiàn)最為頻繁，同時影響力也最大。筆者將產(chǎn)生原因總結(jié)為接地線路當中的系統(tǒng)沖擊、空載線路擾動、斷路器三相不同期以及高壓保險熔斷等幾個方面。由于鐵磁諧振會對電網(wǎng)的正常運行產(chǎn)生損害，因此完善電壓互感器鐵磁諧振解決方案的制定，具有十足的必要性。通常情況下，與感抗相比，若電網(wǎng)容抗的數(shù)值較大，輕易不會產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象。若受開關突然合閘或者弧光接地的影響，則會對電網(wǎng)穩(wěn)定運行造成沖擊，使得感抗降低，產(chǎn)生諧振。圖 1 顯示，電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動，導致電流出現(xiàn)許多變化，由 I1 上升至 I2，這也在一定程度上導致了鐵芯飽和速率的增加，極容易對電壓互感器造成損害。除此之外，一旦電網(wǎng)的參數(shù)產(chǎn)生變化，也容易導致電網(wǎng)容量的降低，促進了容抗的增加，這也在一定程度上形成了對電壓值的擾動，進而為鐵磁諧振的發(fā)生提供了可能，誘發(fā)諧振現(xiàn)象。

2 電壓互感器鐵磁諧振的消除方法

2.1 改選具有性能優(yōu)勢的電壓互感器元件

通常情況下，電力系統(tǒng)當中所出現(xiàn)的諧振現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為單相接地以及空母線突然合閘等結(jié)構(gòu)環(huán)境，大部分勵磁性能較差的電壓互感器設備，在發(fā)生諧振環(huán)境的電路當中，會首先呈現(xiàn)出鐵芯工作點變化的趨勢，并快速進入到飽和區(qū)，此時如果系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)相當，就會發(fā)生大規(guī)模諧振。為了能夠改變電力系統(tǒng)環(huán)境，提高電壓互感器的應對能力，需要針對電壓互感器的勵磁性能進行調(diào)整。勵磁性能較高的電壓互感器能夠在電力系統(tǒng)當中對勵磁電感進行抑制，從而實現(xiàn)對于諧振過程中所產(chǎn)生電壓的控制。筆者建議，對于勵磁性能不佳的電壓互感器設備，可以更換為電容式電壓互感器，以此來提高其勵磁特性，防范鐵磁諧振事故的發(fā)生。

2.2 設定高壓側(cè)接地方式

在電力系統(tǒng)內(nèi)部，單相接地需要經(jīng)過接地開始和接地消失兩個過程，其中系統(tǒng)接地的開始需要經(jīng)由與地面聯(lián)通的方式，保證未完成接地的兩相電源電路形成通道，而在接地完成之后，整個電力系統(tǒng)的充放電過程，電路無法通過電壓互感器內(nèi)部的高壓繞組實現(xiàn)流通。因此，這種接地方式就能夠有效避免電壓互感器的鐵磁諧振問題。筆者認為通過重新設定高壓側(cè)接地方式，可以引導中性點經(jīng)電阻完成接地，從而實現(xiàn)對于諧振產(chǎn)生條件的抑制。在接地消失之后，原有的金屬通道將不復存在，電流的流通則無法借助原有的流通途徑完成，此時電流會直接進入到電壓互感器的高壓繞組當中，受電的高壓繞組內(nèi)部，會依據(jù)三相儲電電荷進行放電，此時高壓繞組會作為直流源直接與電感線圈進行連接，并發(fā)生作用。電壓互感器鐵芯則會出現(xiàn)深度飽和。這種情況下，其所形成的接地相環(huán)境，等同于變壓器空載下的突然合閘，并出現(xiàn)了暫態(tài)涌流的疊加。為了對其加以處理，可以嘗試在高壓側(cè)中性點位置安裝 RO 電阻器，借助電阻器實現(xiàn)對于電壓互感器產(chǎn)生的電壓的分擔，避免諧振的產(chǎn)生。

2.3 裝設消弧線圈

一般的 10kV 電力系統(tǒng)當中，針對出現(xiàn)的諧振問題以及電壓互感器鐵磁諧振影響問題，通?？梢圆捎眉友b消弧線圈裝置來實現(xiàn)抑制。在系統(tǒng)當中，系統(tǒng)內(nèi)部的中性點通過加裝消弧線圈裝置的方式，可以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部電感并聯(lián)，并作用于每一相勵磁電感當中，同時，消弧線圈設備本身的電感值相比 PT 勵磁電感為低，因此 PT 等效下所出現(xiàn)的零序電感短路現(xiàn)象，可以實現(xiàn)對于參數(shù)匹配關系的打破，從而實現(xiàn)在源頭遏制諧振的產(chǎn)生。在實際應用當中，筆者更傾向于采用補償法進行消弧線圈的安裝，這是由于消弧線圈本身具有較大的電感，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)當中比較復雜，而電感還會造成對于電力系統(tǒng)自身的影響。不過必須強調(diào)的是，消弧線圈裝置只適用于 10kV 電力系統(tǒng)，對于 35kV 以上的電力系統(tǒng)來說，消弧線圈裝置的安裝不但不會起到飽和庇振效果，甚至還會造成對于回路的破壞，需要選擇其他控制方式。

2.4 電力系統(tǒng)操作規(guī)范化

規(guī)范化的操作也是避免諧振問題影響擴大的重要舉措，通過前文的產(chǎn)生原因分析，總結(jié)出電壓互感器鐵磁諧振的出現(xiàn)除了有電力系統(tǒng)自身裝置的問題之外，也包括部分人為因素的影響。因此在進行諧振控制策略的研究時，提出了基于操作規(guī)范化的控制要求。具體來說，操作人員應當注重電路斷路器端口、電氣元件之間的關系。首先，電容器內(nèi)部的回路刀閘由于其帶斷口，因此操作人員不可以對其進行電壓互感器母線合閘；其次，該類型的電容器，還不可以直接進行空載母線的切斷。在必須進行切斷的場合中，操作人員必須首先拉開電壓互感器設備，隨后在進行母線的偷空。此時，母線偷空可以直接實現(xiàn)對于 TV 的斷開，并在切斷作業(yè)最終完成后進行基于母線的送電。

綜上所述，受變電站電壓互感器電壓突然變化的影響，極容易誘發(fā)鐵磁諧振現(xiàn)象，開關合閘、對地電容以及鐵芯特性均是鐵磁諧振的影響因素。一旦產(chǎn)生鐵磁諧振，會導致電壓和電流在瞬間急速升高，對電網(wǎng)的安全運行形成了挑戰(zhàn)。因此，應注重改選具有性能優(yōu)勢的電壓互感器元件，合理設定高壓側(cè)接地方式，裝設消弧線圈，促進電力系統(tǒng)操作規(guī)范化，從根源上防范鐵磁諧振的產(chǎn)生。

參考文獻

[1] 電磁式電壓互感器鐵磁諧振抑制方法分析[J]. 戴欽來，蘇文宇，周洪剛，熊華維. 電工技術(shù). 2017（08）

（作者單位：勝利油田北方實業(yè)集團有限責任公司）