淺析電壓互感器鐵磁諧振過電壓防范措施

焦斌剛 舒勤

【摘 要】長期以來，電力系統諧振過電壓嚴重威脅著電網的安全。特別是對中性點不接地系統，鐵磁諧振所占的比例較大。隨著電網的日益發展，中性點不接地系統的鐵磁諧振問題越來越嚴重，出現的概率也越來越大。基于此，本論文對電壓互感器鐵磁諧振過電壓防范措施進行探討。

【關鍵詞】電壓互感器；鐵磁諧振；過電壓

電力系統接地系統為直接接地系統和不接地系統。直接接地系統易發生并聯諧振，不接地系統在單相接地時易發生串聯諧振，有并聯電容器的斷路器易發生串聯諧振。長期以來，電力系統諧振過電壓嚴重威脅著電網的安全。特別是對中性點不接地系統，鐵磁諧振所占的比例較大。[1]隨著電網的日益發展，中性點直接接地系統的鐵磁諧振問題越來越嚴重，出現的概率也越來越大。近年，在四川發生過多次鐵磁諧振引起過電壓的案例，應引起高度重視。本文將介紹產生鐵磁諧振的機理、原因、現象以及應采取的措施。

1 鐵磁諧振產生機理

由于電壓互感器的中性點位移現象，常常在中性點不接地絕緣系統中引起鐵磁諧振過電壓。在正常運行條件下，勵磁電感三相相等，三相負荷相等，電網的中性點電位為零。當線路中出現瞬時單相故障時，其它兩相電壓升高，三相電壓互感器兩相電壓升高而飽和，其勵磁電感相應減小，電網中性點出現位移電壓，當三相總導納之和為零時，便會發生串聯諧振，中性點電壓將急劇上升。由于鐵芯的磁飽和會引起電流、電壓波形的畸變，即產生了諧波，使上述諧振回路還會對諧波產生諧振。當線路很長，對地電容很大，或者勵磁互感器的勵磁電抗較大時，自振頻率較低，容易發生分次（通常為1/2次）諧振，產生過電壓；反之，當線路較短，對地電容很小，或者勵磁互感器的勵磁電抗較小時，自振頻率較高，容易發生高次諧振，產生過電壓。其表現形式均為三相電壓同時升高，但在分次諧波諧振時，過電壓忽低忽高作低頻擺動。 [2]

當XC/XT≤0.01時，諧振不會發生。隨著XC/XT的增加，依次發生1/2次諧波、基波、三次諧波的諧振，同時所需的電壓值也逐漸增大。因此1/2次諧波所需的電壓最低，最容易發生諧振。基波和高次諧波諧振過電壓一般不超過3倍電壓。1/2次諧波諧振過電壓，由于受到電磁互感器嚴重飽和的影響，勵磁電流急劇增加，可高達勵磁電流的幾十倍以上，常常引起高壓保險絲熔斷，或者造成互感器燒損。

2 鐵磁諧振過電壓危害

諧振時，電壓互感器一次線圈通過電流較大，一次側熔斷器尚未熔斷時，可能使電壓互感器噴油、線圈燒毀甚至爆炸，從而引起開關跳閘造成大范圍停電，破壞系統的正常工作，給電網的安全運行帶來極大的威脅。

引起母線三相、二相及單相對地電壓升高，形成過電壓使母線絕緣套管或其他設備發生閃絡和損壞，避雷器爆炸等事故。

諧振時，電壓互感器一次側熔斷器熔斷后可能造成母線低電壓保護誤動，母線負荷誤跳閘或廠用電誤動，聯動不成功時，將造成發電廠被迫停機、停爐等嚴重事故。

3 鐵磁諧振過電壓的防范措施

3.1 選用勵磁特性較好的電壓互感器

要徹底解決鐵磁諧振問題，最根本的是選用勵磁伏安特性好的電壓互感器，在一般過電壓水平下不足以進入深度飽和區，因而夠不成諧振的匹配參數。3—10kV系統中使用的三相五柱式電壓互感器和110kV及以上系統采用的電容式電壓互感器，均因好的伏安特性而不易激發鐵磁諧振。[3]

3.2 減少同一網絡中并聯電壓互感器臺數

同一電網中，并聯運行的電壓互感器臺數越多，總的伏安特性會變得越差，總體等值感抗也越小，如電網中電容電流越大，則容易發生鐵磁諧振。所以變電所母線并聯運行時，只需投入一臺作絕緣監視用，其余退出。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中性點應不接地，只作為測量儀表和保護用。

3.3 電壓互感器高壓側中性點串接單相電壓互感器

電壓互感器高壓側中性點串接單相電壓互感器（即零序電壓互感器）。主電壓互感器一次線圈接成星形，其中性點經零序電壓互感器接地。該方案相當于中性點接入一個高阻抗，其結果使三相電壓互感器的等值電感顯著增大，從而易實現XC/XT≤0.01的條件，避免了由于飽和而引起的鐵磁諧振。但同一電網中，如有多組電壓互感器，則必須每組均按此接線方有效，且三相電壓互感器中性點對地電壓（零序電壓）亦被抬高。

3.4 在電壓互感器高壓側中性點串接電阻

該方法中串入的電阻實際上等價于每相對地串接，也就是在鐵磁諧振的串聯諧振回路中串入電阻.此電阻可增大系統阻尼，消耗諧振的幅度和能量.雖然電阻值越大，抑制諧振效果越好，但阻值太大會影響系統接地保護的靈敏度，電壓互感器中性點電位要抬高，有可能超過半絕緣電壓互感器中性點的絕緣水平。實用中一般為幾十kΩ。

也可利用消諧器進行消諧，該裝置由多個非線性電阻串聯而成，接在TV一次側繞組中性點與地之間，如LXQ型、RXQ型等消諧器。它是利用電阻來阻尼TV鐵芯飽和引起的鐵磁諧振。研究表明，當消諧器電阻R≥6%TV在線電壓下的勵磁阻抗時，基本上可以消除鐵磁諧振。

3.5 在電磁式電壓互感器的開口三角形繞組中加裝阻尼繞組

在電磁式電壓互感器的開口三角形繞組中加裝阻尼繞組或白熾燈泡，使在諧振時開口三角形繞組中產生附加勵磁電流，改變TV一次側的等效電感。可消除各種諧波的諧振，R用于消耗電源供給諧振的能量，能夠抑制鐵磁諧振過電壓。對于35kV及以下的電網一般要求R值為幾歐至幾十歐。理論上其電阻值越小，效果越好，R=0時相當于系統中性點直接接地。實際上經研究，R=1Ω時效果最佳。通常，用于消諧的開口三角的電阻R≤0.4XT（XT為電壓互感器的勵磁電抗換算到TV開口三角繞組兩端值）。實用中一般為30Ω或300—500W燈泡。[4]

3.6 在母線上加裝對地電容，使達到XC/XT≤0.01

XC/XT≤0.01不易發生鐵磁諧振，因此在10kV以下的小變電站可加裝中性點接地的電容組或用一般電纜代替架空線，也可利用母線上安裝的補償電容器（大部分配電站已安裝，一般未投入），當發生諧振或倒閘后電壓表顯示混亂時，可把電容器投入，增大母線電容，待諧振消除后再切除電容器以避免過補償。對大變電所連接有多臺電壓互感器的情況，因需增設電容量較大，不宜采用。對于空母條件下的鐵磁諧振，可利用投入空載線路的辦法消除。[5]

綜上所述，TV開口三角短時接入阻尼電阻和TV一次側中性點經非線性電阻接地兩種措施效果最佳。

4 結束語

在電力系統中存在許多鐵芯電感元件，在一定條件下，可能誘發鐵磁諧振過電壓，危及設備的安全運行。為了確保設備的安全運行，必須提前做好防范措施，防止鐵磁諧振過電壓的發生，杜絕或減輕鐵磁諧振帶來的危害。

參考文獻：

[1]變電站母線PT二次空開跳閘原因分析[J].王金花，張紅艷，崔紅玲.通訊世界.2017（05）

[2]635kV PT高壓熔斷器熔斷原因分析及解決措施[J].楊雨潔，李鐵成.電工技術.2017（09）

[3]淺析電能計量中PT二次壓降的危害及預防[J].范風梅，張保澤.通訊世界.2015（24）

[4]中性點不接地系統PT諧振過電壓分析[J].陳綱.科技傳播.2013（04）

[5]10kV PT鐵磁諧振產生原因及預防措施探討[J].鄭世明.機電信息.2013（15）

（作者單位：四川大學電氣信息學院）