電壓互感器鐵磁諧振故障原因分析與處理

陳立極

摘要：在鐵路10kV的電力系統(tǒng)中，大多數(shù)采用中性點(diǎn)不接地的方式。為了監(jiān)測鐵路電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置了大量的電磁式電壓互感器。因外界的擾動（例如線路的接地，倒閘操作等）導(dǎo)致電壓互感器產(chǎn)生鐵磁諧振，激發(fā)出持續(xù)的過電壓和過電流，這種內(nèi)部過電壓，輕則造成電壓互感器一次側(cè)熔斷器燒毀，重則燒毀電壓互感器或炸毀絕緣子，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。本文基于電壓互感器鐵磁諧振故障原因分析與處理展開論述。

關(guān)鍵詞：電壓互感器;鐵磁諧振;故障原因分析與處理

引言

隨著工業(yè)的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電網(wǎng)中各類非線性負(fù)荷呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長，同時電網(wǎng)中各種復(fù)雜的、精密的用電設(shè)備也越來越多，電網(wǎng)的諧波問題愈發(fā)受到重視。故近年來各省市供電公司開始大力推進(jìn)電網(wǎng)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，并開展一系列的電能質(zhì)量普測工作，目前，10kV系統(tǒng)中的PT主要采用電磁式電壓互感器，其接線方式易造成3次諧波測量結(jié)果的異常已引起工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。

1鐵磁諧振產(chǎn)生機(jī)理

以圖1為例，分析鐵磁諧振產(chǎn)生機(jī)理。Xm是電壓互感器PT一次側(cè)繞組L的感抗值，Xc0是系統(tǒng)對地電容C0的容抗值。在中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)中，出于保護(hù)的需要，電壓互感器的中性點(diǎn)是直接接地的。正常運(yùn)行情況下三相阻抗對稱，系統(tǒng)中性點(diǎn)位移基本接近于零，電壓互感器的勵磁感抗很大，勵磁電流很小。此時勵磁感抗大于線路對地電容的容抗，即Xm>Xc0。當(dāng)出現(xiàn)一個激發(fā)條件，電壓互感器的三相鐵芯出現(xiàn)不同程度的飽和，使得互感器勵磁電感L變小，勵磁阻抗發(fā)生變化，中性點(diǎn)發(fā)生位移。當(dāng)參數(shù)配合恰當(dāng)，就會產(chǎn)生鐵磁諧振。其主要特點(diǎn)有：①鐵磁諧振回路中需存在非線性鐵芯電感;②鐵磁諧振需要一定的激發(fā)條件;③諧振一旦形成，會產(chǎn)生“自保持”，會存在很長時間，除非諧振條件被破壞才會被消除。

2電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振的機(jī)理

諧振是交流電路當(dāng)中獨(dú)有的一種現(xiàn)象，通常情況下，交流電路當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yán)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與電壓互感器在一次中性接地點(diǎn)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(dāng)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(dāng)中，鐵磁電壓諧振出現(xiàn)最為頻繁，同時影響力也最大。由于鐵磁諧振會對電網(wǎng)的正常運(yùn)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(guān)突然合閘或者弧光接地的影響，則會對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成沖擊，使得感抗降低，產(chǎn)生諧振。

3鐵磁諧振分類

電磁式電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振一般可表現(xiàn)為兩種形式：一種情況下由于系統(tǒng)發(fā)生斷線、間歇性弧光接地故障時，因鐵芯飽和導(dǎo)致的鐵磁諧振及過電壓;另一種情況下當(dāng)變壓器空載合閘對母線充電時，電磁式電壓互感器的一次側(cè)繞組同母線對地電容之間形成振蕩諧振條件，從而導(dǎo)致過電壓。不接地系統(tǒng)正常運(yùn)行，線路對地電容與電磁式電壓互感器一次繞組之間感抗形成并聯(lián)回路，由于等效感抗一般均較大，電網(wǎng)對地阻抗主要表現(xiàn)為線路對地電容的容抗，此時三相較為平衡，諧振條件不成立。當(dāng)出現(xiàn)空載合閘或者間歇性弧光接地故障時，由于互感器三相繞組之間不同飽和度，中性點(diǎn)會出現(xiàn)較大偏移電壓，滿足諧振條件時，將會引起諧振過電壓。根據(jù)鐵磁諧振發(fā)生頻率不同，可分為基波諧振以及諧波諧振。

4電磁式電壓互感器接線方式

PT廣泛應(yīng)用于10kV系統(tǒng)，其具有非線性的電磁特性，在外部操作或系統(tǒng)故障時，互感器與系統(tǒng)內(nèi)的容性元件極易發(fā)生鐵磁諧振，產(chǎn)生極高的諧振過電壓，進(jìn)而導(dǎo)致高壓熔斷器熔斷、互感器絕緣擊穿損壞、繞組過熱燒毀甚至爆炸，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。為了有效防止PT發(fā)生鐵磁諧振，10kV系統(tǒng)中廣泛采用如圖1所示的三相四線制接線方式。

圖2中的三相PT由三臺單相PT通過組合而成，一次側(cè)繞組和二次側(cè)的一組繞組按Y0y0接線，另一組二次繞組（又稱剩余繞組）接成開口三角形，接線方式是Y0y0Δ（開口）。一般在PT一次繞組Y0接線中性點(diǎn)與地之間安裝高容量非線性電阻消諧器，起阻尼與限流的作用，從抑制鐵磁諧振的角度考慮，消諧器的阻值越大越好，此時一次側(cè)繞組零序阻抗也人為增大。

5電容式電壓互感器的結(jié)構(gòu)

電容式電壓互感器（CVT，CapacitanceTypeVoltageTransformer）主要由分壓電容器、補(bǔ)償電抗器、中間變壓器和阻尼器組成。（1）分壓電容器。分壓電容是變壓器入口端的降壓單元，可將高電壓降低到較低的振幅電壓，作為中間變壓器的輸入端，可顯著降低中間變壓器的絕緣要求。（2）補(bǔ)償反應(yīng)器。如果在電容式電壓互感器中添加了分壓電容器，導(dǎo)致主側(cè)回路的阻抗發(fā)生變化，使變壓器無法準(zhǔn)確反映訪問的電壓值，則需要添加補(bǔ)償電抗器。（3）中間變壓器。中間變壓器主要是電壓變壓器的關(guān)鍵組件，能夠?qū)⑤斎腚妷鹤儔浩鞯母唠妷恨D(zhuǎn)換為二次測量測量或保護(hù)裝置所需的低電壓。（4）阻尼器。變壓器內(nèi)部有一個中間變壓器，當(dāng)內(nèi)核飽和時會產(chǎn)生鐵磁共振（鐵磁共振是由變壓器、電壓變壓器等鐵磁電感飽和引起的持續(xù)高振幅共振過電壓現(xiàn)象），勵磁電流增加了幾倍，鐵心溫度升高，變壓器損壞。添加阻尼器可以在一定程度上減少鐵磁共振對設(shè)備的不利影響。

6電容式電壓互感器的優(yōu)缺點(diǎn)

相比于電磁式電壓互感器，電容式電壓互感器的一次側(cè)為電容分壓器，不易與線路的電容形成諧振。此外，CVT的絕緣強(qiáng)度更高、制作簡單、體積小、重量輕，它的分壓電容器還可作為信號回路的耦合電容器。而它的缺點(diǎn)是輸出容量小，誤差特性和暫態(tài)特性較差。

結(jié)束語

隨著新型電力機(jī)車，尤其是在鐵路上的普及，電氣鐵路的諧波問題受到學(xué)者們的極大關(guān)注。電氣參數(shù)計量是保障鐵路安全穩(wěn)定運(yùn)營的重要環(huán)節(jié)，也關(guān)系到國家的經(jīng)濟(jì)利益和社會發(fā)展。使用電容式電壓互感器代替電磁式電壓互感器能夠大幅度減少鐵路電力系統(tǒng)中的鐵磁諧振，優(yōu)化鐵路電力系統(tǒng)，增強(qiáng)了其可靠性和安全性。

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