鐵磁諧振的防止與加裝消諧TV的接線分析

唐海燕

（余杭供電局，杭州 311100）

由于技術和成本的原因，電磁式電壓互感器（TV）廣泛應用在35 kV及以下非直接接地系統。為測量各相對地電壓，TV的一次側中性點均直接接地。在單相接地、雷擊、倒閘操作等外部因素激發的情況下，系統的穩定性和對稱性被破壞，引起電網中性點位移，電網對地阻抗差異較大，TV三相勵磁電感飽和程度不一樣，極易與系統對地電容構成諧振回路，引起鐵磁諧振，導致對地電壓升高，流過繞組的電流增大，TV熔絲熔斷，甚至是避雷器爆炸、TV燒毀，嚴重威脅電網的安全運行。

1 TV鐵磁諧振的產生機理

在35 kV及以下中性點非直接接地系統中，為監視系統各相對地絕緣情況，TV一次側通常采用星形接線，中性點直接接地。TV電感與系統對地電容并聯，構成如圖1所示的等值電路。

圖1 TV與線路對地電容構成的等值電路

圖1中，各相TV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，EC為三相對稱電源，中性點O的電位U0：

式中：Yi為相對地導納，

正常運行時，EA+EB+EC=0，Y1=Y2=Y3，系統中性點電位U0為零。

2 TV鐵磁諧振的危害及其防止

2.1 鐵磁諧振的危害

從鐵磁諧振產生的機理來看，諧振出現時中性點電位U0升高，出現較高的零序電壓，產生諧振過電壓，特別是高頻諧振，過電壓倍數較高，引起電氣設備絕緣損壞。基頻諧振時，兩相電壓升高，一相電壓降低，線電壓正常，造成虛幻接地的假象，引起繼電保護設備誤動。

在出現基頻諧振和分頻諧振時，由于TV的電感急速下降，勵磁電流很大，產生較大的諧振過電流。特別是分頻諧振，因其頻率低，TV繞組感抗小，過電流甚至達到額定電流的上百倍，往往導致TV熔絲熔斷，互感器燒毀。

防止鐵磁諧振的發生，最有效的辦法是改變系統參數，破壞諧振產生的條件；在鐵磁諧振發生后，要有效地阻尼諧振的發展，消除其帶來的危害。

2.2 在開口三角加裝微機消諧裝置

在電網正常運行時，開口三角兩端的不平衡電壓很小，而當諧振發生時中性點出現位移，開口三角兩端將出現較高的電壓，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。微機型消諧裝置就是在鐵磁諧振時將開口三角短時短接，對鐵磁諧振產生強烈的阻尼作用，阻尼鐵磁諧振的發展。

微機型消諧裝置必須區別單相接地故障和鐵磁諧振故障，單相接地時，消諧裝置不能動作。受TV頻帶帶寬、諧振性質以及微機消諧裝置性能等因素的影響，微機消諧裝置對單相接地和鐵磁諧振的準確判別還有待完善，特別是基頻諧振，其特點與單相接地很相似，如消諧裝置不動作，故障不能及時消除，則可能會引起嚴重后果。

2.3 在一次側中性點加裝消諧器

在中性點串接消諧器，一方面部分零序電壓將施加在消諧器上，使TV的飽和程度降低，不至于發生鐵磁諧振，另一方面消諧器電阻限制了流過互感器的零序電流，避免過大電流引起TV燒毀。

從消諧角度來說，消諧器電阻越大，分擔的電壓就越高，TV鐵芯越不容易飽和，可以有效地阻止鐵磁諧振的發生。但是電阻過大，TV開口三角輸出電壓就相應降低，影響繼電保護裝置動作的靈敏性；由于不是中性點直接接地，每相繞組的電壓也不是相對地的電壓，失去了TV中性點接地的意義。

2.4 在中性點經消諧TV接地

在中性點經消諧TV接地消諧的原理與中性點經電阻接地類似，如圖2所示，在三相電壓互感器中性點通過1個單相TV接地，相當于改善了TV鐵芯的勵磁特性，鐵芯不易出現飽和，零序電壓由消諧TV引出，各相對地電壓、相間電壓、零序電壓都能準確地傳遞。

3 加裝消諧TV的接線分析

在上述防止鐵磁諧振的措施中，在中性點加裝消諧TV的辦法受限制少，中性點不接地系統中均能采用，設備要求不高，選型容易，性能可靠，對正常運行無影響。

在圖2中，A相對地電壓UAN=UAO+UON，對應的二次繞組電壓uan=uao+uon，二次繞組的端電壓uan準確地傳遞了A相對地電壓。與消諧TV的阻抗無關，這一點與中性點加裝消諧器有很大的不同。B、C兩相也類似，而且測量電壓與對地電壓互不影響。

圖2 消諧TV的接線

AB相的相間電壓UAB=UAO+UOB，對應二次繞組電壓uaB=uao+uab，相間電壓與是否加裝消諧TV無關系。UBC，UCA也類似。

在圖2中，開口三角反映的是三相TV電壓的矢量和，也就是施加在各相TV上的零序電壓，另外部分零序電壓施加在消諧TV上，所以零序電壓可以由消諧TV上的電壓和開口三角電壓串接得到。如果將開口三角的開口短接，構成1個三角環路通道，各相零序磁通在閉環三角形繞組內產生零序電動勢，此電動勢產生的零序電流在鐵芯中產生的磁通與各相零序磁通抵消，一方面使TV鐵芯更加不易飽和，另一方面相當于在各相TV一次繞組上施加零序電壓時將一次繞組短路，施加在各相繞組上的零序電壓幾乎為零。這樣，各相TV繞組承受了全部正序、負序電壓，中性點的消諧TV承受了全部零序電壓。一般而言，正序、負序電壓不會使相TV飽和，零序電壓也不會使消諧TV飽和，大大改善了整個TV組的勵磁特性。

圖3是帶消諧TV的電壓互感器組零序等值電路圖，各相TV的零序勵磁電抗x1m因互感器結構的不同而不同，相TV由3個單相TV組成時，零序勵磁電抗與正序、負序勵磁電抗相同。在正序、負序等值回路中，三相電壓完全對稱，所以施加在消諧TV上的電壓為零。而在零序等值回路中，三相電壓大小相等，方向相同，所以零序電壓將分別施加在各相TV和消諧TV上，如圖3。開口三角短路，對零序回路而言，就是二次側短路，在圖3中就是二次側阻抗z1II等于零，通常情況下，互感器漏抗x1I，x1II很小，所以相TV的總零序阻抗很小，消諧TV二次側接負荷很小，阻抗很大，相當于開路，單相TV的勵磁阻抗x0m遠遠大于漏抗，所以消諧TV的總零序阻抗很大，在圖3的串聯回路中，零序電壓將基本施加在消諧TV上。

圖3 消諧TV零序等值電路

上述分析可以看出，不管何種原因出現的不平衡電壓（零序電壓），只要將開口三角短路，零序電壓將只出現在消諧TV上，因此，從消諧TV二次繞組上引出的零序電壓正確地反映了電網的零序電壓。

有文獻提到，開口三角短接可以起到消除三次諧波的作用，事實上，三次諧波電壓是一種零序電壓，當系統出現三次諧波電壓時，電壓全部施加在消諧TV上，消諧TV自身的阻抗是很大的，互感器組中通過的三次諧波電流并不大，開口三角短接并不能起到消除三次諧波的作用。

加裝消諧TV后應注意開口三角必須是短接時，消諧TV才能正確反映零序電壓的大小，零序電壓可以用消諧TV的一個專用二次繞組引出，如圖2中的ULn-N。特別指出的是在采用這種接線方式時，TV的中性點不能直接接地，只能通過消諧TV接地。余杭電力局110 kV廟港變10 kV三個單相TV組成互感器組，中性點接消諧TV。由于二次回路中性點絕緣損壞，導致中性點直接接地而又未能及時發現，正常運行時，消諧TV上無電壓，相電壓、線電壓正常。當運行中10 kV東仁出線A相單相接地時，由于二次回路中性點接地，相當于圖3中短接，單相接地出現較大零序電壓時，對零序回路而言，開口三角短接相當于相TV短路，絕緣損壞又將消諧TV短路，零序阻抗只剩下漏抗，TV中出現較大的零序電流，導致B，C相TV和消諧TV燒毀。

4 結語

余杭電力局10 kV系統TV需要監視對地絕緣，目前全部采用3個單相TV組成互感器組，在中性點加裝消諧TV的4TV接線法，實際運行效果良好，沒有出現過由于鐵磁諧振而熔斷熔絲或引起設備損壞之類的事故。35 kV系統TV防止鐵磁諧振是在開口三角加裝微機消諧裝置，由于使用的裝置類型較多，效果不一，出現過熔絲熔斷的情況，加裝微機消諧裝置的效果還有待進一步驗證。比較而言，中性點加裝消諧TV更能有效地防止鐵磁諧振，但是從投資角度來看，同一系統需要監視對地絕緣的所有TV均要在中性點加裝消諧TV，與僅需在1組TV開口三角加裝微機消諧裝置相比，后者投資上似乎更節省。

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