電壓互感器鐵磁諧振故障原因分析與處理

武兆亮

摘要：近年來，隨著經濟的發展和科學技術的不斷進步，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。

關鍵詞：電磁式電壓互感器;鐵磁諧振;過電壓;治理措施

引言

在鐵路10kV的電力系統中，大多數采用中性點不接地的方式。為了監測鐵路電力系統的運行狀態，設置了大量的電磁式電壓互感器。因外界的擾動（例如線路的接地，倒閘操作等）導致互感器產生鐵磁諧振，激發出持續的過電壓和過電流，這種內部過電壓，輕則造成電壓互感器一次側熔斷器燒毀，重則燒毀電壓互感器或炸毀絕緣子，嚴重威脅電力系統的安全運行。

1電壓互感器鐵磁諧振產生機理及激發因素

1.1鐵磁諧振產生機理

在中性點不接地的系統中，出于保護的需要，電壓互感器的中性點是直接接地的。正常運行情況下三相阻抗對稱，系統中性點位移基本接近于零，電壓互感器的勵磁感抗很大，勵磁電流很小。此時勵磁感抗大于線路對地電容的容抗。當出現一個激發條件，電壓互感器的三相鐵芯出現不同程度的飽和，使得互感器勵磁電感L變小，勵磁阻抗發生變化，中性點發生位移。當參數配合恰當，就會產生鐵磁諧振。

1.2鐵磁諧振激發因素

鐵磁諧振激發因素包括：①單相接地;②線路斷線;③線路非同期合閘操作;④電力系統瞬間過電壓;⑤電磁式電壓互感器突然投入運行。

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鐵磁諧振故障案例分析及處理措施

2.1故障現象和原因分析

以京滬高鐵無錫東站為例，10kV配電所高壓室內某日突然發出“嘭、嘭”聲響，二號電源母互柜（N10）電壓互感器A相冒煙，與此同時二號電源斷路器柜（N8）的斷路器跳閘，經查找發現是由于供電局線路單相接地造成。具體分析如下。（1）供電局線路C相接地，其饋出至無錫東站10kV配電所電源線A、B相電壓上升為線電壓，使得電壓互感器鐵芯飽和，產生鐵磁諧振過電壓致使電壓互感器炸裂。（2）設計缺陷。該電壓互感器在京滬高鐵開通之前曾發生過同樣的問題，后加裝了20Ω 600W普通的消諧電阻沒有效果;電壓互感器（半絕緣）抗過載能力差，在供電系統為10kV不接地系統且線路發生單相接地故障時，對地電壓數值會由相電壓升高為線電壓;電源進線柜未設母線零序過壓保護，使其既不能報警也不能出口跳閘。

2.2處理措施

（1）將電壓互感器的工作電壓等級提高到12kV，并采用全絕緣。（2）一次側加高壓熔絲保護。磁飽和時電壓互感器一次側電流會劇增至原幾十倍乃至上百倍，因此采取一次側镕絲保護。（3）設置2分頻的二次消諧器。考慮到電壓互感器鐵磁諧振的基波不是工頻而是2分頻，因此針對2分頻配置二次消諧器。

3常用鐵磁諧振消諧措施

3.1電壓互感器一次側中性點經電阻接地

中性點接入電阻接地，稱之為一次消諧，電阻也稱為消諧器。這個電阻可以是線性的，也可以是非線性的，中性點串入電阻后，在線路發生單相接地時，可以降低非故障相的對地電壓，抑制涌流，減小電壓互感器繞組的飽和度，降低鐵磁諧振的可能性。消諧電阻越大，消諧效果越好。一次消諧器只能保護本互感器，對電網中其他互感器消諧不起作用。采用這種消諧方式要考慮消諧器的熱容量，如果熱容量選擇不當，容易導致引線燒斷、消諧器燒毀等故障，從而失去消諧作用。另外，單相接地故障時，消諧電阻承擔了大部分的零序電壓，使得開口三角形處電壓降低，影響繼電保護的靈敏度。再者，在中性點不直接接地的情況下，在發生單相接地時電壓互感器的中性點對地電壓或達到數千伏，對電壓互感器的絕緣要求高，因此，不能使用半絕緣的電壓互感器，應采用全絕緣的互感器。

3.2電壓互感器二次側三角形開口處裝設電阻

在電壓互感器二次側的開口三角形處裝設電阻，稱為二次消諧。在正常情況下，開口三角形兩端電壓為零，電阻呈現高阻態。當發生單相接地時，開口三角形兩端有電壓，電阻呈低阻可以消耗諧振的能量，可以抑制鐵磁諧振過電壓，其電阻越小，消耗諧振能量的效果越顯著。但是由于流過較大的電流，電壓互感器容易過載，在諧振時間較長時，甚至會導致互感器镕絲熔斷或者互感器燒損。現在普遍采用微機消諧器來進行二次消諧，微機二次消諧器的工作原理是：在開口三角形處并聯2只反向晶閘管，2只晶閘管由單片機控制，正常運行或單相接地時，裝置不動作。一旦判斷出發生鐵磁諧振，2只晶閘管交替觸發導通，開口三角形處被短接，此時通過消耗能量來消除諧振，諧振消除后，晶閘管恢復阻斷狀態。開口三角形處短接時間較短，一般不會對互感器造成影響，但是，消諧器一旦晶閘管關斷失效，開口三角形處將始終處于短路狀態，如果發生單相接地時，大電流會燒毀互感器。

3.3采用消弧線圈

消弧線圈的感抗遠遠小于電壓互感器的感抗值，在系統中性點上接入消弧線圈，相當于電壓互感器并聯了1個線圈，改變了系統中電感L的數量，破壞了諧振條件，并且在有了消弧線圈之后，減小了流過電壓互感器的電流，防止了電壓互感器事故的發生。

3.4采用勵磁特性好的電壓互感器

伏安特性好的電壓互感器，在一般過電壓下不會進入飽和區，不易構成參數匹配而引發諧振。從某種程度來說，這是一個治本的措施。

結語

綜上所述，受變電站電壓互感器電壓突然變化的影響，極容易誘發鐵磁諧振現象，開關合閘、對地電容以及鐵芯特性均是鐵磁諧振的影響因素。一旦產生鐵磁諧振，會導致電壓和電流在瞬間急速升高，對電網的安全運行形成了挑戰。因此，應注重改選具有性能優勢的電壓互感器元件，合理設定高壓側接地方式，裝設消弧線圈，促進電力系統操作規范化，從根源上防范鐵磁諧振的產生。

參考文獻

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