電壓互感器鐵磁諧振故障原因分析與處理

吳智萍 中國鐵路上海局集團有限公司杭州職工培訓基地

在鐵路10 kV的電力系統(tǒng)中，大多數(shù)采用中性點不接地的方式。為了監(jiān)測鐵路電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，設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）導致互感器產(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熔斷器燒毀，重則燒毀電壓互感器或炸毀絕緣子，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。

1 電壓互感器鐵磁諧振產(chǎn)生機理及激發(fā)因素

1.1 鐵磁諧振產(chǎn)生機理

以圖1為例，分析鐵磁諧振產(chǎn)生機理。

圖1 中性點不接地系統(tǒng)鐵磁諧振簡化電路圖

Xm是電壓互感器PT一次側繞組L的感抗值，Xc0是系統(tǒng)對地電容C0的容抗值。在中性點不接地的系統(tǒng)中，出于保護的需要，電壓互感器的中性點是直接接地的。正常運行情況下三相阻抗對稱，系統(tǒng)中性點位移基本接近于零，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，中性點發(fā)生位移。當參數(shù)配合恰當，就會產(chǎn)生鐵磁諧振。其主要特點有：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。

1.2 鐵磁諧振激發(fā)因素

鐵磁諧振激發(fā)因素包括：①單相接地；②線路斷線；③線路非同期合閘操作；④電力系統(tǒng)瞬間過電壓；⑤電磁式電壓互感器突然投入運行。其中單相接地是最常見的激發(fā)因素。

2 鐵磁諧振現(xiàn)象分析

針對諧振過電壓，H.A.Peterson曾進行了專門的模擬實驗，圖2為模擬試驗得到的2種勵磁電感伏安特性曲線（圖2中1#、2#兩條曲線），圖2中，U為實驗電源電壓，為鐵芯電感的額定線電壓。以作為電壓基準值，此時時的勵磁電流為電流基準值。

模擬實驗發(fā)現(xiàn)，無論對于基波、分次諧波還是高次諧波，只有在一定的參數(shù)范圍和電源電壓下才會發(fā)生諧振過電壓現(xiàn)象。圖3為與圖2中1#、2#勵磁電感伏安特性曲線分別所對應的3種諧振區(qū)域（包括3種實線諧振和3種虛線諧振），3種諧振分別為分頻諧振（1/2次波）、基頻諧振和高頻諧諧振。當電源電壓U和阻抗比落Xc0/Xm在某一曲線范圍內(nèi)時，就會產(chǎn)生相應的諧振。結合圖2和圖3分析如下:

（1）當Xc0/Xm=0.01～0.07之間，為分頻諧振（主要是1/2次波）；當 Xc0/Xm=0.07～0.55之間，為基頻諧振；當 Xc0/Xm=0.45～2.8之間，為高頻諧振（主要是三次波）；當Xc0/Xm≤0.01或者Xc0/Xm≥2.8時，系統(tǒng)不會發(fā)生鐵磁諧振。

（2）在不同的諧振區(qū)域，外施的觸發(fā)電壓是不同的。分頻諧振區(qū)觸發(fā)電壓最低，在額定電壓下稍有波動即可達到觸發(fā)條件發(fā)生諧振，而高頻諧振的觸發(fā)電壓最高，所以電力系統(tǒng)中發(fā)生的比較多的是分頻諧振和基頻諧振。

經(jīng)過以上的分析，可以看出這3種諧振有如下特點:

（1）在分頻諧振區(qū)間，此時Xc0/Xm=0.01～0.07，比值較小，電感和電容能量振蕩時間較長，頻率比較低。此時表現(xiàn)為：①產(chǎn)生的過電壓倍數(shù)較低，一般不超過2倍的相電壓。從電壓表上看，三相相電壓同時升高或依次升高；②由于鐵芯深度飽和，勵磁電流大，可達額定電流的30～50倍，甚至可以達到百倍以上，并經(jīng)常導致電壓互感器的熔絲熔斷，嚴重時燒毀互感器。分析發(fā)現(xiàn)，單相接地故障消失后易激發(fā)分頻諧振。

（2）在基頻諧振區(qū)間，此時Xc0/Xm=0.07～0.55，發(fā)生諧振的頻率與電網(wǎng)額定頻率相同，主要表現(xiàn)為：①三相電壓有兩相升高，一相降低，一般過電壓的數(shù)值不超過2倍的相電壓；②此時會有接地信號發(fā)出，也稱為虛幻接地。分析發(fā)現(xiàn)，線路非同期合閘易激發(fā)基頻諧振。

（3）在高頻諧振區(qū)間，此時Xc0/Xm=0.45～2.8，線路的電容較小，振蕩能量交換較快，主要表現(xiàn)為：①過電壓倍數(shù)較高，三相電壓同時升高，過電壓倍數(shù)可達4～5倍相電壓；②諧振時過電流較小。分析發(fā)現(xiàn)，線路非同期合閘在適當?shù)耐饨鐥l件下可引發(fā)高頻諧振。

圖2 勵磁電感伏安特性曲線

圖3 不同勵磁伏安特性所對應的3種諧振區(qū)域

3 鐵磁諧振故障案例分析及處理措施

3.1 故障現(xiàn)象和原因分析

京滬高鐵無錫東站10 kV配電所高壓室內(nèi)某日突然發(fā)出“嘭、嘭”聲響，二號電源母互柜（N10）電壓互感器A相冒煙，與此同時二號電源斷路器柜（N8）的斷路器跳閘，經(jīng)查找發(fā)現(xiàn)是由于供電局線路單相接地造成。具體分析如下:

（1）供電局線路C相接地，其饋出至無錫東站10 kV所電源線A、B相電壓上升為線電壓，使得電壓互感器鐵芯飽和，產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓致使電壓互感器炸裂（見圖4）。

（2）設計缺陷。該電壓互感器在京滬高鐵開通之前曾發(fā)生過同樣的問題，后加裝了20 Ω 600 W普通的消諧電阻沒有效果；電壓互感器（半絕緣）抗過載能力差，在供電系統(tǒng)為10 kV不接地系統(tǒng)且線路發(fā)生單相接地故障時，對地電壓數(shù)值會由相電壓會升高為線電壓；電源進線柜未設母線零序過壓保護，使其既不能報警也不能出口跳閘。

圖4 故障現(xiàn)場圖

3.2 處理措施

（1）將電壓互感器的工作電壓等級提高到12 kV，并采用全絕緣。

（2）一次側加高壓熔絲保護。磁飽和時電壓互感器一次電流會劇增至原幾十倍乃至上百倍，因此采取配置一次側镕絲保護。

（3）設置2分頻的二次消諧器。考慮到電壓互感器鐵磁諧振的基波不是工頻而是2分頻，因此針對2分頻配置二次消諧器。

4 常用鐵磁諧振消諧措施

（1）電壓互感器一次側中性點經(jīng)電阻接地，如圖5所示。中性點接入電阻接地，稱之為一次消諧，電阻也稱為消諧器。這個電阻可以是線性的，也可以是非線性的，中性點串入電阻后，在線路發(fā)生單相接地時，可以降低非故障相的對地電壓，抑制涌流，減小電壓互感器繞組的飽和度，降低鐵磁諧振的可能性。消諧電阻越大，消諧效果越好。一次消諧器只能保護本互感器，對電網(wǎng)中其他互感器消諧不起作用。

采用這種消諧方式要考慮消諧器的熱容量，如果熱容量選擇不當，容易導致引線燒斷、消諧器燒毀等故障，從而失去消諧作用。另外，單相接地故障時，消諧電阻承擔了大部分的零序電壓，使得開口三角形處電壓降低，影響繼電保護的靈敏度。再者，在這中性點不直接接地的情況下，在發(fā)生單相接地時電壓互感器的中性點對地電壓或達到數(shù)千伏，對電壓互感器的絕緣要求高，因此，不能使用半絕緣的電壓互感器，應采用全絕緣的互感器。

圖5 互感器一次側中性點經(jīng)電阻接地電路圖

（2）電壓互感器二次側三角形開口處裝設電阻，如圖6所示。在電壓互感器二次側的開口三角形處裝設電阻，稱為二次消諧。在正常情況下，開口三角形兩端電壓為零，電阻呈現(xiàn)高阻態(tài)。當發(fā)生單相接地時，開口三角形兩端有電壓，電阻呈低阻可以消耗諧振的能量，可以抑制鐵磁諧振過電壓，其電阻越小，消耗諧振能量的效果越顯著。但是由于流過較大的電流，電壓互感器容易過載，在諧振時間較長時，甚至會導致互感器镕絲熔斷或者互感器燒損。

現(xiàn)在普遍采用微機消諧器來進行二次消諧，微機二次消諧器的工作原理是：在開口三角形處并聯(lián)2只反向晶閘管，2只晶閘管由單片機控制，正常運行或單相接地時，裝置不動作。一旦判斷出發(fā)生鐵磁諧振，2只晶閘管交替觸發(fā)導通，開口三角形處被短接，通過消耗能量來消除諧振，諧振消除后，晶閘管恢復阻斷狀態(tài)。開口三角形處短接時間較短，一般不會對互感器造成影響，但是，消諧器一旦晶閘管關斷失效，開口三角形處將始終處于短路狀態(tài)，如果發(fā)生單相接地時，大電流會燒毀互感器。

圖6 二次消諧器接線電路圖

（3）采用消弧線圈。消弧線圈的感抗遠遠小于電壓互感器的感抗值，在系統(tǒng)中性點上接入消弧線圈，相當于電壓互感器并聯(lián)了1個線圈，改變了系統(tǒng)中電感L的數(shù)量，破壞了諧振條件，并且在有了消弧線圈之后，減小了流過電壓互感器的電流，防止了電壓互感器事故的發(fā)生。

（4）采用勵磁特性好的電壓互感器。伏安特性好的電壓互感器，在一般過電壓下不會進入飽和區(qū)，不易構成參數(shù)匹配而引發(fā)諧振。從某種程度來說，這是一個治本的措施。

（5）在三相互感器的中性點接入零序互感器，如圖7所示。這種方法也稱為4PT法，零序互感器接在三相互感器一次側中性點和地之間。這種方法把零序電壓大部分降落在零序互感器上，使得三相互感器不易出現(xiàn)飽和。接入零序互感器后，不影響正常的電壓指示、計量和保護。在電網(wǎng)發(fā)生單相接地后，零序互感器二次側繼電器動作。另外，串入的零序互感器的勵磁感抗很大，會使得三相互感器回路的勵磁感抗顯著增大，使得諧振最低動作電壓值大大提高，抑制了鐵磁諧振的發(fā)生。

圖7 中性點接入單相互感器接線電路圖

（6）采用電容式互感器，消除諧振發(fā)生的條件。

（7）維護好線路和設備，防止發(fā)生閃絡和單相接地的事故發(fā)生。

（8）盡量避免空母線和空載變壓器的投入。

5 結束語

從以上分析我們可以看到，在不接地電力系統(tǒng)中，存在著許多鐵芯電感元件，容易引發(fā)鐵磁諧振。消除諧振的方法主要從兩個方面著手：消耗諧振的能量和改變電力系統(tǒng)的參數(shù)。為了確保設備的安全運行，必須提前做好有針對性的防范措施，防止發(fā)生鐵磁諧振，消除或減輕由此帶來的危害。