淺析電壓互感器鐵磁諧振過電壓防范措施

焦斌剛 舒勤

【摘 要】長期以來，電力系統(tǒng)諧振過電壓嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)的安全。特別是對中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，鐵磁諧振所占的比例較大。隨著電網(wǎng)的日益發(fā)展，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的鐵磁諧振問題越來越嚴(yán)重，出現(xiàn)的概率也越來越大?；诖耍菊撐膶﹄妷夯ジ衅麒F磁諧振過電壓防范措施進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】電壓互感器；鐵磁諧振；過電壓

電力系統(tǒng)接地系統(tǒng)為直接接地系統(tǒng)和不接地系統(tǒng)。直接接地系統(tǒng)易發(fā)生并聯(lián)諧振，不接地系統(tǒng)在單相接地時易發(fā)生串聯(lián)諧振，有并聯(lián)電容器的斷路器易發(fā)生串聯(lián)諧振。長期以來，電力系統(tǒng)諧振過電壓嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)的安全。特別是對中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，鐵磁諧振所占的比例較大。[1]隨著電網(wǎng)的日益發(fā)展，中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)的鐵磁諧振問題越來越嚴(yán)重，出現(xiàn)的概率也越來越大。近年，在四川發(fā)生過多次鐵磁諧振引起過電壓的案例，應(yīng)引起高度重視。本文將介紹產(chǎn)生鐵磁諧振的機(jī)理、原因、現(xiàn)象以及應(yīng)采取的措施。

1 鐵磁諧振產(chǎn)生機(jī)理

由于電壓互感器的中性點(diǎn)位移現(xiàn)象，常常在中性點(diǎn)不接地絕緣系統(tǒng)中引起鐵磁諧振過電壓。在正常運(yùn)行條件下，勵磁電感三相相等，三相負(fù)荷相等，電網(wǎng)的中性點(diǎn)電位為零。當(dāng)線路中出現(xiàn)瞬時單相故障時，其它兩相電壓升高，三相電壓互感器兩相電壓升高而飽和，其勵磁電感相應(yīng)減小，電網(wǎng)中性點(diǎn)出現(xiàn)位移電壓，當(dāng)三相總導(dǎo)納之和為零時，便會發(fā)生串聯(lián)諧振，中性點(diǎn)電壓將急劇上升。由于鐵芯的磁飽和會引起電流、電壓波形的畸變，即產(chǎn)生了諧波，使上述諧振回路還會對諧波產(chǎn)生諧振。當(dāng)線路很長，對地電容很大，或者勵磁互感器的勵磁電抗較大時，自振頻率較低，容易發(fā)生分次（通常為1/2次）諧振，產(chǎn)生過電壓；反之，當(dāng)線路較短，對地電容很小，或者勵磁互感器的勵磁電抗較小時，自振頻率較高，容易發(fā)生高次諧振，產(chǎn)生過電壓。其表現(xiàn)形式均為三相電壓同時升高，但在分次諧波諧振時，過電壓忽低忽高作低頻擺動。 [2]

當(dāng)XC/XT≤0.01時，諧振不會發(fā)生。隨著XC/XT的增加，依次發(fā)生1/2次諧波、基波、三次諧波的諧振，同時所需的電壓值也逐漸增大。因此1/2次諧波所需的電壓最低，最容易發(fā)生諧振?；ê透叽沃C波諧振過電壓一般不超過3倍電壓。1/2次諧波諧振過電壓，由于受到電磁互感器嚴(yán)重飽和的影響，勵磁電流急劇增加，可高達(dá)勵磁電流的幾十倍以上，常常引起高壓保險(xiǎn)絲熔斷，或者造成互感器燒損。

2 鐵磁諧振過電壓危害

諧振時，電壓互感器一次線圈通過電流較大，一次側(cè)熔斷器尚未熔斷時，可能使電壓互感器噴油、線圈燒毀甚至爆炸，從而引起開關(guān)跳閘造成大范圍停電，破壞系統(tǒng)的正常工作，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來極大的威脅。

引起母線三相、二相及單相對地電壓升高，形成過電壓使母線絕緣套管或其他設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)和損壞，避雷器爆炸等事故。

諧振時，電壓互感器一次側(cè)熔斷器熔斷后可能造成母線低電壓保護(hù)誤動，母線負(fù)荷誤跳閘或廠用電誤動，聯(lián)動不成功時，將造成發(fā)電廠被迫停機(jī)、停爐等嚴(yán)重事故。

3 鐵磁諧振過電壓的防范措施

3.1 選用勵磁特性較好的電壓互感器

要徹底解決鐵磁諧振問題，最根本的是選用勵磁伏安特性好的電壓互感器，在一般過電壓水平下不足以進(jìn)入深度飽和區(qū)，因而夠不成諧振的匹配參數(shù)。3—10kV系統(tǒng)中使用的三相五柱式電壓互感器和110kV及以上系統(tǒng)采用的電容式電壓互感器，均因好的伏安特性而不易激發(fā)鐵磁諧振。[3]

3.2 減少同一網(wǎng)絡(luò)中并聯(lián)電壓互感器臺數(shù)

同一電網(wǎng)中，并聯(lián)運(yùn)行的電壓互感器臺數(shù)越多，總的伏安特性會變得越差，總體等值感抗也越小，如電網(wǎng)中電容電流越大，則容易發(fā)生鐵磁諧振。所以變電所母線并聯(lián)運(yùn)行時，只需投入一臺作絕緣監(jiān)視用，其余退出。若不能退出時，可將其高壓側(cè)接地的中性點(diǎn)斷開。用戶變電所的電壓互感器中性點(diǎn)應(yīng)不接地，只作為測量儀表和保護(hù)用。

3.3 電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)串接單相電壓互感器

電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)串接單相電壓互感器（即零序電壓互感器）。主電壓互感器一次線圈接成星形，其中性點(diǎn)經(jīng)零序電壓互感器接地。該方案相當(dāng)于中性點(diǎn)接入一個高阻抗，其結(jié)果使三相電壓互感器的等值電感顯著增大，從而易實(shí)現(xiàn)XC/XT≤0.01的條件，避免了由于飽和而引起的鐵磁諧振。但同一電網(wǎng)中，如有多組電壓互感器，則必須每組均按此接線方有效，且三相電壓互感器中性點(diǎn)對地電壓（零序電壓）亦被抬高。

3.4 在電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)串接電阻

該方法中串入的電阻實(shí)際上等價(jià)于每相對地串接，也就是在鐵磁諧振的串聯(lián)諧振回路中串入電阻.此電阻可增大系統(tǒng)阻尼，消耗諧振的幅度和能量.雖然電阻值越大，抑制諧振效果越好，但阻值太大會影響系統(tǒng)接地保護(hù)的靈敏度，電壓互感器中性點(diǎn)電位要抬高，有可能超過半絕緣電壓互感器中性點(diǎn)的絕緣水平。實(shí)用中一般為幾十kΩ。

也可利用消諧器進(jìn)行消諧，該裝置由多個非線性電阻串聯(lián)而成，接在TV一次側(cè)繞組中性點(diǎn)與地之間，如LXQ型、RXQ型等消諧器。它是利用電阻來阻尼TV鐵芯飽和引起的鐵磁諧振。研究表明，當(dāng)消諧器電阻R≥6%TV在線電壓下的勵磁阻抗時，基本上可以消除鐵磁諧振。

3.5 在電磁式電壓互感器的開口三角形繞組中加裝阻尼繞組

在電磁式電壓互感器的開口三角形繞組中加裝阻尼繞組或白熾燈泡，使在諧振時開口三角形繞組中產(chǎn)生附加勵磁電流，改變TV一次側(cè)的等效電感?？上鞣N諧波的諧振，R用于消耗電源供給諧振的能量，能夠抑制鐵磁諧振過電壓。對于35kV及以下的電網(wǎng)一般要求R值為幾歐至幾十歐。理論上其電阻值越小，效果越好，R=0時相當(dāng)于系統(tǒng)中性點(diǎn)直接接地。實(shí)際上經(jīng)研究，R=1Ω時效果最佳。通常，用于消諧的開口三角的電阻R≤0.4XT（XT為電壓互感器的勵磁電抗換算到TV開口三角繞組兩端值）。實(shí)用中一般為30Ω或300—500W燈泡。[4]

3.6 在母線上加裝對地電容，使達(dá)到XC/XT≤0.01

XC/XT≤0.01不易發(fā)生鐵磁諧振，因此在10kV以下的小變電站可加裝中性點(diǎn)接地的電容組或用一般電纜代替架空線，也可利用母線上安裝的補(bǔ)償電容器（大部分配電站已安裝，一般未投入），當(dāng)發(fā)生諧振或倒閘后電壓表顯示混亂時，可把電容器投入，增大母線電容，待諧振消除后再切除電容器以避免過補(bǔ)償。對大變電所連接有多臺電壓互感器的情況，因需增設(shè)電容量較大，不宜采用。對于空母條件下的鐵磁諧振，可利用投入空載線路的辦法消除。[5]

綜上所述，TV開口三角短時接入阻尼電阻和TV一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)非線性電阻接地兩種措施效果最佳。

4 結(jié)束語

在電力系統(tǒng)中存在許多鐵芯電感元件，在一定條件下，可能誘發(fā)鐵磁諧振過電壓，危及設(shè)備的安全運(yùn)行。為了確保設(shè)備的安全運(yùn)行，必須提前做好防范措施，防止鐵磁諧振過電壓的發(fā)生，杜絕或減輕鐵磁諧振帶來的危害。

參考文獻(xiàn)：

[1]變電站母線PT二次空開跳閘原因分析[J].王金花，張紅艷，崔紅玲.通訊世界.2017（05）

[2]635kV PT高壓熔斷器熔斷原因分析及解決措施[J].楊雨潔，李鐵成.電工技術(shù).2017（09）

[3]淺析電能計(jì)量中PT二次壓降的危害及預(yù)防[J].范風(fēng)梅，張保澤.通訊世界.2015（24）

[4]中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)PT諧振過電壓分析[J].陳綱.科技傳播.2013（04）

[5]10kV PT鐵磁諧振產(chǎn)生原因及預(yù)防措施探討[J].鄭世明.機(jī)電信息.2013（15）

（作者單位：四川大學(xué)電氣信息學(xué)院）