電壓互感器的鐵磁諧振及消諧措施分析

摘 要：對電壓互感器鐵磁諧振產生的危害、原因、現象進行闡述，提出了各種有效的電壓互感器消諧措施，并對其原理和優缺點逐一進行分析、比較。

關鍵詞：電壓互感器；鐵磁諧振；消諧

1 概述

電力系統是一個復雜網絡，其中存在著許多感性或容性的元件，電感元件包括發電機、變壓器、消弧線圈、電抗器、電壓互感器等，電容元件包括輸電線路、電容補償、高壓設備的雜散電容等。各種電感、電容元件在電力系統中形成不同的LC振蕩回路。在正常工況下，電力系統穩定運行不會出現振蕩。在外界的激發條件下，比如進行某種倒閘操作或系統發生故障時，電網參數發生變化達到某種特定匹配，系統就可能發生諧振。例如中性點不接地系統中，由電壓互感器和線路對地電容之間、受電變壓器和相間電容之間構成的振蕩回路，在發生單相接地故障時都有可能激發諧振發生。電壓互感器這類帶鐵芯的電感元件，在正常工作電壓下鐵芯工作于線性區，磁通密度并不高，在過電壓下鐵心會迅速飽和，電感值隨之減小，從而與電容匹配發生諧振，這時的諧振稱作鐵磁諧振。

鐵磁諧振過電壓可以在3～220千伏的任何系統中發生，特別是在35千伏及以下的電網中，很多內部過電壓事故都是由鐵磁諧振引起的。鐵磁諧振引起的過電壓持續時間長，甚至可能長期存在，嚴重威脅系統安全。

2 鐵磁諧振產生原因及現象

電壓互感器諧振回路是由電壓互感器的非線性電感和電網對地電容構成的。電壓互感器帶有鐵芯，容易出現飽和現象，電感值會隨著電流或磁通的變化而變化。正常運行時，電壓互感器的感抗很大，遠大于電網對地電容的容抗，此時不具備諧振條件，系統保持穩定狀態。在外界的激發條件下，如單相接地故障突然消失、線路合閘、雷電沖擊等，可能造成互感器勵磁電感飽和，感抗降低，與電網對地電容匹配激發諧振。

由電壓互感器鐵磁諧振造成的過電壓，因為不同的網絡參數和外界激發條件，大致可分為三類：工頻諧振過電壓、高頻過電壓、分頻諧振過電壓。發生工頻諧振過電壓時，其現象表現為兩相（飽和相）對地電壓升高，一相（非飽和相）對地電壓降低，該現象類似于單相接地故障。對于高頻諧振或分頻諧振，其特點是三相對地電壓同時升高。

研究表明，工頻諧振和高頻諧振的過電壓幅值基本不超過3Un（額定相電壓），如果設備的絕緣良好，工頻諧振和高頻諧振一般不會對設備安全造成危害。對于分頻諧振而言，由于頻率比較低，互感器的勵磁電感隨之減小，勵磁電流急劇增大甚至可達數百倍的額定勵磁電流，使得互感器處于深度飽和狀態下，長時間的大電流流過互感器，會使高壓熔斷器熔斷，或者使電壓互感器因嚴重過熱而燒毀、爆炸。總體而言，分頻諧振過電壓的破壞力最強。

3 消除鐵磁諧振的措施

由以上分析可知，鐵磁諧振是電網系統受到某種沖擊，如空載母線合閘或單相接地故障消失時，電壓互感器鐵芯飽和，感抗與線路和設備的對地容抗匹配產生的。

迄今為止，用于防止中性點不接地系統中電壓互感器引起的鐵磁諧振的措施比較多。大致可分為兩類：一是改變電感、電容的參數，破壞鐵磁諧振的條件，從而不易激發諧振；另一類是采取阻尼措施消耗諧振的能量，抑制或消除諧振發生。

3.1 采用勵磁特性較好的電壓互感器

在選用電壓互感器時，應選用勵磁特性較好的互感器。若互感器的伏安特性比較好，在一般的過電壓下互感器不易進入較深的飽和區，感抗不會迅速減小激發諧振。電壓互感器的勵磁特性越好，產生鐵磁諧振的電容參數范圍就越小，諧振發生的概率就越小。從某種意義上來說，這是治本的措施，但作用也有限。互感器好的勵磁特性是建立在降低互感器額定磁密的基礎上，但是受互感器制造成本及容量、準確等級的制約，額定磁密不能降得很低，互感器的勵磁特性并不能無限提高。

3.2 在同一網絡中減少電壓互感器并聯臺數

在同一網絡中，電壓互感器并聯運行的臺數越多，網絡總的伏安特性越差，總體等值感抗也越小，諧振也越容易發生。因此在同一網絡中，除了監視絕緣而必須將電源側互感器的一次側中性點接地外，其余互感器應退出。若不能退出時，可將其高壓側接地的中性點斷開，用戶變電所的電壓互感器應盡可能不接地，只作為測量儀表和保護用。在實際應用中這個方法操作簡單，實施方便。

3.3 在電壓互感器二次開口三角處接入阻尼電阻

在電壓互感器二次開口三角處接入阻尼電阻，相當于在互感器高壓側繞組上并聯一個電阻。電阻越小，由互感器飽和而引起電感減小不會引起明顯的中性點位移電壓。當發生單相接地時，開口三角繞組兩端會出現工頻零序電壓，要求電阻容量足夠大，當電阻太小，一方面電阻本身可能因過熱而燒壞，另一方面，電壓互感器也可能因電流過大而燒損，所以現在一般采用微機消諧裝置。正常運行或者發生單相接地時，微機消諧裝置不動作，一旦判斷電網發生鐵磁諧振，便使正反并聯在開口三角兩端的兩只晶閘管交替過零觸發導通，限制和阻尼鐵磁諧振。由于短接時間短，不會給電壓互感器帶來負擔。

微機消諧裝置的主要缺點，是難以正確區分基波諧振和單相接地。此外，在持續時間較長的間歇電弧過電壓作用下，長時間多次激發、動作，使流過高壓繞組的電流顯著增大，熱能量累積效應，仍可能燒壞電壓互感器。

3.4 在電壓互感器一次側中性點經電阻接地

在電壓互感器一次繞組中性點處加裝阻尼電阻，被稱為一次消諧。在中性點非有效接地系統中，母線PT的一次繞組中性點接地是電網中唯一的金屬性對地通道。在單相接地故障消失時，電網對地電容通過互感器一次繞組中性點有一個充放電的過渡過程。試驗表明，該電流值非常大，可以達到電壓互感器勵磁電流的數百倍以上。該電流使互感器鐵芯飽和，激發鐵磁諧振，有可能使高壓熔斷器熔斷，或者燒毀電壓互感器。在中性點處安裝一次消諧器后，這種放電電流將得到有效抑制，高壓熔斷器不再因為這種涌流而熔斷，鐵磁諧振得到抑制。

在實際應用中，一次消諧器也存在著一定的局限性。一是容易導致電壓互感器三相電壓不平衡，電壓測量值誤差較大，對電壓測量精度要求高的場合不宜采用一次消諧。二是一次消諧器熱容量有一定限制，在持續時間較長的間歇電弧接地過電壓激發下，裝置容易損壞而失去消諧作用。

3.5 電壓互感器一次側中性點經零序電壓互感器接地

此種接線方式的電壓互感器稱為抗諧振電壓互感器。其原理是通過一次側中性點串接的零序互感器，增大電壓互感器的等值電抗，抑制單相接地故障消失過程中的放電電流，避免因互感器飽和而激發鐵磁諧振。但是需注意到，電壓互感器中性點仍承受了較高的電壓，且諧振發生時電壓互感器雖可能不致損壞，但諧振并未消失。

3.6 系統中性點裝設消弧線圈

在中性點經消弧線圈接地的系統中，與電壓互感器的勵磁電感相比較，消弧線圈的電感值要小很多，系統難以達到鐵磁諧振所需的參數匹配，使鐵磁諧振變為不可能。在運行過程中消弧線圈還能限制流過電壓互感器的大電流，使互感器熔斷器不被燒毀。現在35kv及以下電力系統中加裝消弧線圈，可基本消除系統中的互感器鐵磁諧振。在實際應用中，還需要避免由于某些倒閘操作不當，臨時造成局部電網的中性點不接地，進而激發鐵磁諧振。這種情況在實際運行中曾經發生。

4 結束語

鐵磁諧振是一種常見的故障，它嚴重地危害了電力系統的可靠性和安全性。為避免鐵磁諧振的產生，在設計和運行中可采取消諧措施，防止諧振的發生或者降低其幅值。

鐵磁元件的非線性是產生鐵磁諧振的根本原因，但其飽和特性本身又限制過電壓的幅值。此外，回路中的損耗會使過電壓降低，當回路電阻值大到一定數值時，也能一定程度的抑制鐵磁諧振。在實際應用中，應該根據電網的的具體情況綜合應用各種消諧措施，優勢互補，有效避免鐵磁諧振的發生，保障電網的安全運行。

作者簡介：胡成志（1979，8-），女，重慶合川，現職稱：工程師，學歷：碩士研究生，研究方向：電力系統及其自動化。