電壓互感器鐵磁諧振原因與對策

福建龍海市供電有限公司 曾寶瓊

電壓互感器鐵磁諧振原因與對策

福建龍海市供電有限公司 曾寶瓊

鐵磁諧振是電力系統(tǒng)中常見的故障現(xiàn)象，如何正確分析、判斷和處理諧振故障仍然是今后要繼續(xù)深入探討的問題。采取有效措施使諧振危害降低到最低限度，是電網(wǎng)的安全運(yùn)行的保證。

我國35 kV 及以下電力系統(tǒng)一般采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，為了監(jiān)視對地絕緣及測量儀表，通常將電壓互感器（Potential Transformer，簡稱PT）的中性點(diǎn)直接接地。在正常狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，不會產(chǎn)生嚴(yán)重的振蕩。但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或者由于某種原因(如雷電、大風(fēng)、導(dǎo)線接地短路、合空載母線)使電網(wǎng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧?，就會激發(fā)諧振，引起過電壓。PT在正常工作電壓下，通常鐵芯磁通密度不高，鐵芯并不飽和，如在過電壓下鐵芯飽和了，電感會迅速降低，從而與電容產(chǎn)生諧振，這時(shí)的諧振被稱為鐵磁諧振。電力系統(tǒng)出現(xiàn)鐵磁諧振時(shí)，將出現(xiàn)高于額定電壓幾倍至幾十倍的過電壓和過電流，導(dǎo)致PT高壓熔斷器熔斷、瓷絕緣閃絡(luò)、避雷器爆炸、PT燒毀等事故發(fā)生，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

一、鐵磁諧振的產(chǎn)生機(jī)理

在中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)中，為了測量三相對地電壓和監(jiān)視對地絕緣，PT 的中性點(diǎn)直接接地。圖1 為一個(gè)典型的變電站母線接線圖，其中L0、C0為導(dǎo)線的電感和對地電容，L 為互感器的勵(lì)磁電感。

發(fā)生諧振時(shí)，互感器一相、兩相或三相繞組電壓升高，進(jìn)而引起各相導(dǎo)線對地電壓發(fā)生變動，在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，對地電壓的變動表現(xiàn)為電源變壓器的中性點(diǎn)“O”的位移，被稱為電網(wǎng)中性點(diǎn)的位移。中性點(diǎn)的位移電壓就是電網(wǎng)的對地零序電壓，因此諧振現(xiàn)象是在零序回路內(nèi)產(chǎn)生的。正常情況下，PT的鐵芯不會飽和，線圈感抗大于線路容抗。遇故障消失或合空載母線、雷擊、線路接地時(shí)導(dǎo)線對地電位發(fā)生突然變化，三相電位有升有降，電容的涌流流經(jīng)PT線圈，電流大增,PT的線圈由不飽和變成飽和。當(dāng)涌流增大到一定數(shù)值后，就構(gòu)成諧振的條件，產(chǎn)生了諧振，在一定條件下激發(fā)產(chǎn)生持續(xù)的較高幅值的鐵磁諧振過電壓。電力系統(tǒng)中經(jīng)常會發(fā)生鐵磁諧振過電壓現(xiàn)象，鐵磁諧振不僅可在基頻下發(fā)生，也可在高頻和低頻下發(fā)生。當(dāng)諧振發(fā)生時(shí)PT的鐵芯處于高度飽和狀態(tài)，其表現(xiàn)形式有：偶相對地電壓升高，勵(lì)磁電流過大，或以低頻擺動，引起絕緣閃絡(luò)、避雷器炸裂、高值零序電壓分量產(chǎn)生、虛幻接地現(xiàn)象出現(xiàn)和不正確的接地指示動作,嚴(yán)重時(shí)還可能誘發(fā)保護(hù)誤動作或在PT中出現(xiàn)過電流，導(dǎo)致PT燒壞。

二、各種消諧措施及分析

1. 改變PT 參數(shù)。選用勵(lì)磁特性較好的PT，使之不容易發(fā)生磁飽和。為此，應(yīng)減小鐵芯磁通密度，即增大鐵芯的截面積，但考慮生產(chǎn)成本等問題，這是不現(xiàn)實(shí)的?？稍谕婚g隔安裝同廠家同批次生產(chǎn)的PT，這樣可消除三相電壓不平衡現(xiàn)象，從客觀上增強(qiáng)PT 自身的免疫能力。

2. 采用PT 二次側(cè)消諧措施。在PT 開口三角加裝線性阻尼電阻或燈泡，此種方法簡單、易于實(shí)施，在PT 的勵(lì)磁特性較好時(shí)，可起到零序阻尼作用。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生間歇性弧光放電接地故障時(shí)，由于電阻的接入，將使PT 一次側(cè)繞組的電流顯著增大，增加了PT 燒損的可能性。當(dāng)發(fā)生持續(xù)穩(wěn)定的單相接地故障時(shí)，電阻的容量難以滿足要求，而且PT 的容量也難以滿足要求。在PT 開口三角繞組加裝可控硅多功能消諧裝置，當(dāng)PT 發(fā)生各種諧振時(shí)，能瞬時(shí)多次短接PT開口三角繞組，進(jìn)行消諧，具有較好的消諧效果。但其不能限制PT一次涌流，PT 爆保險(xiǎn)得不到有效控制。而且如果遇到由于線路斷線等原因造成的諧振，則很容易誤判為PT 飽和引起的諧振，可控硅導(dǎo)通后諧振無法消除，如果不及時(shí)退出消諧，則會燒損PT。

3.采用 PT 一次側(cè)消諧措施。高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)非線性電阻接地或加裝LXQ型消諧器，等價(jià)于每相對地串接電阻，能起到消耗能量、阻尼和抑制諧振的作用，還能限制PT中的電流，特別是限制斷續(xù)弧光接地時(shí)流過PT的高幅值過電流，相應(yīng)地也能減小每相PT的電壓，也就相當(dāng)于改善它的伏安特性。采取這種措施雖基本滿足了系統(tǒng)的消諧要求，但在過渡過程的前幾個(gè)周波內(nèi)，流過PT的一次側(cè)勵(lì)磁電流仍較大，而且還使中性點(diǎn)位移，進(jìn)而使三相電壓不平衡。在單項(xiàng)接地故障消失、系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行后，開口三角上仍輸出較高的零序電壓，可能會使所接電壓繼電器動作，或迷惑運(yùn)行人員造成誤判斷。福建龍海市供電有限公司在2005年開始在10 kV及35 kV電壓等級試用LXQ型消諧器，但運(yùn)行中發(fā)生多次消諧器過熱斷裂及中性點(diǎn)位移引起三相電壓不平衡問題，試用效果并不理想。

4. 高壓側(cè)中性點(diǎn)串單相PT。將PT 開口三角繞組短接，并在三相PT 的中性點(diǎn)和大地之間串接一個(gè)單相PT。這種接線的零序特性曲線為三相PT零序特性和單相PT伏安特性疊加，即單相PT接入后，每相的伏安特性比三相PT高陡，使得引發(fā)鐵磁諧振的最低動作電壓提高到極大的數(shù)值，就不容易產(chǎn)生諧振。但采取此種措施一次側(cè)會流過較大幅值的暫態(tài)電流，而且閉口三角形繞組中的零序電流也很大，存在一次繞組和剩余繞組過熱等問題，有可能引起嚴(yán)重發(fā)熱，甚至熱擊穿。

5. PT 一次中性點(diǎn)串接熱敏電阻型一次限流消諧器。熱敏電阻在低溫下呈現(xiàn)低阻，串聯(lián)安裝在PT一次繞組中性點(diǎn)與地之間，當(dāng)PT 發(fā)生諧振時(shí)，零序電壓升高，電流流過熱敏電阻，其電阻會上升。因此可選擇熱敏電阻制作PT 一次消諧器。一次限流消諧器串聯(lián)安裝在PT 與地之間，正常運(yùn)行狀態(tài)下電阻為40 kΩ，而PT 一次繞組的阻抗則為“MΩ”級，因此不會對PT 的各項(xiàng)性能產(chǎn)生影響，同時(shí)也未明顯改變系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)。在3.5倍工頻過電壓作用下，限流消諧器能夠?qū)T 激磁電流限制在100 mA以下，不會導(dǎo)致因PT 一次熔斷器熔斷后不能熄弧引發(fā)的母線短路事故。

三、結(jié)論

傳統(tǒng)消諧措施雖能起到一定的消諧作用，但都存在一些局限性。如能綜合以上的幾種消諧方式，則可以提高消諧效果及設(shè)備可靠性。采用熱敏電阻型消諧器，更加符合PT消諧的原則。同時(shí)熱敏電阻型一次限流消諧器具有顯著的限流作用，能夠有效防止因熔斷器不能可靠熔斷而引發(fā)的母線短路故障。