電磁式電壓互感器鐵磁諧振及治理方法

摘 要：針對小電流不接地系統故障特征，分析了電磁式電壓互感器鐵磁諧振的特點以及過電壓原理，闡述了諧振所引起的相關危害，并針對性提出了相關治理方法。

關鍵詞：電磁式電壓互感器；鐵磁諧振；過電壓；治理措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.174

1 引言

電磁式電壓互感器目前被廣泛應用于35kV以及以下電壓等級中性點不接地配電網中，其將一次側高電壓轉換為低電壓供保護系統、計量系統以及相關測控裝置使用。當系統中發生單相接地故障時，能夠允許最長帶接地運行2小時，有可能使得電壓互感器鐵芯飽和，從而滿足鐵磁諧振條件而產生過電壓，輕則導致高壓限流熔斷器故障，重則造成互感器絕緣損壞或過熱損毀。

2 鐵磁諧振產生機理

諧振本身屬于回路振蕩現象，同時伴隨過電壓，直到系統運行狀態發生改變，諧振條件受到破壞，否則可能長時間存在。根據諧振過電壓性質不同，一般分為線性諧振過電壓、參數諧振過電壓以及鐵磁諧振過電壓。對于不接地系統，由于電磁式電壓互感器的存在，使得鐵磁諧振發生最為頻繁，大量含鐵芯的電感在外加電壓作用下表現出非線性運行狀態。

在系統發生單相接地故障時，在故障點會流過較大的電容電流，非故障相對地電容則在線電壓的作用下，充滿大量電荷。而在單相接地故障消失的瞬間，故障點的電流通道被切斷，而非故障相電壓需要從線電壓下降至相電壓，此時非故障相對地電容積累的電荷只能從互感器一次側繞組對地進行放電，也就是互感器一次側繞組中性點。這一過程中會對互感器一次繞組產生較大的沖擊電流，對于勵磁特性不好的互感器來說，會導致鐵芯短時內嚴重飽和，進而引發鐵磁諧振并產生高電壓，嚴重則會造成互感器與避雷器擊炸，對電網設備、人身安全以及可靠供電造成較大影響[1]。

3 鐵磁諧振分類

電磁式電壓互感器發生鐵磁諧振一般可表現為兩種形式：一種情況下由于系統發生斷線、間歇性弧光接地故障時，因鐵芯飽和導致的鐵磁諧振及過電壓；另一種情況下當變壓器空載合閘對母線充電時，電磁式電壓互感器的一次側繞組同母線對地電容之間形成振蕩諧振條件，從而導致過電壓。

不接地系統正常運行，線路對地電容與電磁式電壓互感器一次繞組之間感抗形成并聯回路，由于等效感抗一般均較大，電網對地阻抗主要表現為線路對地電容的容抗，此時三相較為平衡，諧振條件不成立。當出現空載合閘或者間歇性弧光接地故障時，由于互感器三相繞組之間不同飽和度，中性點會出現較大偏移電壓，滿足諧振條件時，將會引起諧振過電壓。

根據鐵磁諧振發生頻率不同，可分為基波諧振以及諧波諧振。其中基波諧振也稱為工頻諧振，諧波諧振又可分為分頻諧振與高頻諧振，分頻諧振主要是1/2、1/3、1/5次諧波引發，高頻諧振主要為2、3、5次諧波引發。系統發生工頻諧振時，中性點出現偏移電壓，且該偏移電壓為工頻電壓，此時系統電壓出現一相或兩相電壓升高并伴隨一相電壓降低。當發生諧波諧振時，系統中性點偏移電壓為諧波電壓，會出現三相電壓同時升高的異常現象[2]。此外，當電磁式電壓互感器發生鐵磁諧振時，不僅會造成設備過電壓，還會導致互感器開口三角兩側出現較大的零序電壓，從而形成接地告警，也就是常見的“虛假接地”現象，對電網正常運行造成較大影響。

已有研究分析得出相應的諧振分類分區，也就是針對系統對地電容容抗與互感器等效感抗之間對應關系，從而表征出系統可能出現的諧振類型，即為H.A.peterson諧振分區理論 [3]。

4 鐵磁諧振的治理方法

鐵磁諧振的發生與系統初始參數、互感器鐵芯飽和特性、激磁電源頻率以及電容與互感器繞組接線方式均有關。因此針對諧振產生機理，可分析出相應的防范措施。

（1）選用勵磁特性較好互感器。當互感器勵磁特性不好時，鐵磁諧振情況下鐵芯飽和或導致等效電感急劇下降同時零序電流急速上升，對設備絕緣形成較大沖擊。在投運電磁式電壓互感器之前應進行勵磁特性試驗，并保證三相互感器均保持勵磁特性的一致性，或者選用電容型電壓互感器。同時針對小電流接地系統可帶單相接地故障運行2小時的特征，選用接地型互感器應要求滿足“在1.9倍額定電壓的過電壓情況下，能夠連續運行8小時”特性。

（2）盡量減少負荷側電磁式電壓互感器的運行數量。從諧振分區理論來看，限制鐵磁諧振的直接途徑是改變諧振條件，在保證系統電壓參數獲取前提下，保證等效感抗值應越大越好，此時應保證系統運行較少的電磁式電壓互感器。在單臺互感器勵磁特性較好時，若并列運行數量較多，同樣會使得綜合勵磁特性較差，鐵磁諧振仍然會出現 。

（3）互感器一次側加裝消諧器。消諧器本質上為一種非線性電阻，其工作原理是串聯在互感器一次側中性點上，在兩端低電壓情況下設備呈現高阻狀態。通過直接改變系統感抗值，使得處于非諧振范圍。同時在系統發生單相接地故障時，消諧器承受高電壓，非線性電阻下降，不會影響接地保護裝置的判斷與操作。

（4）小電流系統安裝消弧線圈。在系統母線上加裝消弧線圈的本質相當于對電磁式互感器的勵磁電感上并聯消弧線圈等效電感，一般情況下由于消弧線圈等效電感要小很多，并聯等效結果相當于將互感器等效電感短路，間接破壞諧振條件，起到抑制鐵磁諧振的作用。

5 結論

通過分析鐵磁諧振的機理以及分類，治理鐵磁諧振的根本措施在于分析鐵磁諧振發生原因，并針對性改變諧振發生條件，列舉了互感器選擇建議、減少鐵磁式電壓互感器運行數量、一次側加裝消諧器＼加裝消弧線圈等治理措施建議，給配電網安全可靠運行提供有效參考。

參考文獻：

[1]周默，孫巖洲.電網中性點不同接地方式下鐵磁諧振的消諧研究[J].高壓電器，2015（01）：80-85.

[2]王盛陽.配電網鐵磁諧振過電壓的研究[D].浙江大學，2016.

[3]郭鳳儀，鄭龍飛，張建飛.電磁式電壓互感器鐵磁諧振特征[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2015，34（06）：750-753.

作者簡介：馬榮亮（1983-），男，河北隆化人，本科，工程師，從事電廠電氣一次設備檢修管理工作。