鐵芯飽和引起的電壓互感器過電壓機理分析

【摘要】10kV系統中由于電壓互感器鐵心飽和引起鐵磁諧振過電壓的情況時有發生，它持續時間長甚至能長時間自保持，是導致電壓互感器高壓熔絲熔斷和電壓互感器燒損甚至爆炸的重要原因，對電力系統的安全運行威脅極大，文章通過對其產生機理進行分析，并且采用一定的措施對過電壓進行了抑制。

【關鍵詞】電壓互感器；鐵芯飽和；過電壓

1.引言

10kV系統中由于電壓互感器鐵心飽和引起鐵磁諧振過電壓的情況時有發生，它持續時間長甚至能長時間自保持，是導致電壓互感器高壓熔絲熔斷和電壓互感器燒損甚至爆炸的重要原因，對電力系統的安全運行威脅極大。近年來隨著城網改造的進行，大范圍應用電纜，配電網線路對地電容顯著增加，系統參數已遠遠超出了諧振區域，較少發生鐵磁諧振。但系統中發生單相接地或弧光接地等故障時，仍發生電壓互感器高壓熔絲頻繁熔斷甚至電壓互感器燒毀現象。

2.鐵磁諧振過電壓產生機理

在中性點不接地系統中，為了監視三相對地電壓，變電站內10kV母線常接有YO接線的電壓互感器，未裝消諧裝置時電氣原理見圖1。

電力系統中具有許多鐵心電感設備，例如發電機、變壓器、電流互感器、消弧線圈和并聯補償電抗器等。這些設備大都呈非線性，它和系統的容性負荷組成許多復雜的振蕩回路。如果滿足一定條件，就有可能激發持續時間較長的諧振過電壓。諧振是一種穩態現象，諧振過電壓的持續時間可能很長，因此，這種過電壓一旦發生，往往造成較嚴重的后果。諧振過電壓是電力系統內部過電壓較為典型的一種，它包括線性諧振過電壓、參數諧振過電壓和鐵磁諧振過電壓。

在正常運行條件下，正常時電壓互感器的勵磁阻抗很大，電壓互感器的勵磁阻抗、線路及母線對地容抗串聯回路中一般感抗要大于容抗，電力網絡對地阻抗呈容性，三相基本平衡，中性點O的位移電壓很小，但在某些擾動下，如單相接地的發生和消失，因三相電壓互感器伏安特性不一致或特性不好都會導致電壓互感器鐵心飽和，或因開關突然的合閘，或線路中發生瞬間的弧光接地現象等，使一或兩相的對地電壓升高，使其電壓互感器鐵心飽和，于是三相電感值有所不同，中性點O出現零序電壓，在數值上等于電源中性點和電壓互感器中性點的電位差。另外，若出現電壓互感器的勵磁阻抗和線路及母線對地容抗相等，將引起鐵磁諧振。

設L0為電壓互感器單相零值電抗，C0為線路及母線對地的電容量，則電壓互感器的三相并聯零值電抗為L0/3，線路及母線三相并聯對地電容量為3C0，當L0/3與3C0回路達到固定振蕩頻率ω0時，將會在系統中產生諧振現象。隨著線路的延長，即隨著C0的逐漸增大，依次發生高次（3、2次）、基極、1/2次分頻諧振。

1）基波諧振的諧振頻率等于工頻。此時過電流并不大，過電壓較高，其現象一般是兩相電壓升高，一相電壓降低。

2）高次諧振的諧振頻率等于工頻的整數倍。此時一般過電流不大，過電壓很高，經常使設備絕緣損壞，其現象是三相電壓同時升高。

3）分次諧振的諧振頻率等于工頻的分數倍。當發生分頻諧振時，此時過電壓并不高，由于互感器感抗顯著下降，勵磁電流急劇增大，可達到額定值的數十倍，造成互感器的燒毀或保險絲熔斷。

有關的研究證明：當線路對地容抗XCO/Xm ≤0.01時，將不會產生諧振。

3.抗諧振型電壓互感器消諧措施分析

采用抗諧振型電壓互感器的原理，如圖2所示，假設電壓互感器的勵磁電抗X=XLA=XLB= XLC=XL0，當C相發生單相金屬接地時，等效電路圖及向量圖見圖2。

等效電路圖及向量圖

根據諾頓定理：

則等效電流源：

，即：

所以：

UA0`′=10∠60°-U0`

UB0`′=10∠120°-U0`

UC0`=-U0`

故開口三角繞組輸出電壓：

考慮中性點直接接地時：

通過計算表明，假設電壓互感器的勵磁電抗X=XLA=XLB=XLC=XL0，當C相發生單相金屬接地時，抗諧振型電壓互感器與中性點直接接地的電壓互感器開口三角繞組輸出電壓比值U'Δ/UΔ=25%，故抗諧振型電壓互感器對接地指示裝置的影響非常大。為了解決以上問題，將零序電壓互感器的二次繞組與開口三角繞組相串聯，如圖3所示，當三相電壓平衡時，da-dn的輸出電壓只有幾伏，當三相電壓不平衡時（如單相接地故障），da-dn的輸出電壓為100V±幾伏，能夠滿足接地指示裝置的要求。

抗諧振型電壓互感器的勵磁電抗Xm=X+XL0，所以L0的接入主要有以下三個優點：

a）Xm顯著增大，比較易實現XC0/Xm≤0.01這個條件，使系統擾動時，電壓互感器不易發生鐵磁諧振。

b）如前所推導U0′的公式知，L0接入后：U0′=4.33，Ua0′=6.6，Ub0′=6.6，亦即加在非故障相電壓互感器繞組的電壓下降至接近相電壓，不易飽和，從而有效避免了諧振的發生。

若中性點串入的電壓互感器勵磁電抗XL0遠大于X值，則效果更佳。此時加在非接地相LA和LB、故障相LC、中性點電壓互感器的L0繞組的電壓全部等于相電壓5.77kV，鐵心更不易飽和。

通過前面的討論，采用抗諧振型電壓互感器，在線路單相接地時能夠使電壓互感器各相繞組電壓均能保持在正常相電壓附近而不會飽和，從而很好地抑制鐵磁諧振，降低電壓互感器一次側電流，有效避免了電壓互感器高壓熔絲熔斷和電壓互感器燒損甚至爆炸的事故。

4.現狀調查

部分電壓互感器為抗諧振型電壓互感器，且容量較大。一些安裝諧振型電壓互感器的變電站，電壓互感器燒毀甚至爆炸現象已出現多次。此外，一些安裝諧振型電壓互感器的變電站常常出現電壓互感器高壓熔絲熔斷現象。

5.結論

文章分析了由于電壓互感器鐵心飽和引起鐵磁諧振過電壓的原因，研究表明過電壓持續時間長，是導致電壓互感器高壓熔絲熔斷和電壓互感器燒損甚至爆炸的重要原因，對電力系統的安全運行威脅極大。通過對其產的原因進行深入分析，可以采取抗諧振型電壓互感器，在線路單相接地時能夠使電壓互感器各相繞組電壓均能保持在正常相電壓附近而不會飽和，從而很好地抑制鐵磁諧振，降低電壓互感器一次側電流，有效避免了電壓互感器高壓熔絲熔斷和電壓互感器燒損甚至爆炸的事故。

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