浅析电压互感器铁磁谐振过电压防范措施
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【摘 要】长期以来，电力系统谐振过电压严重威胁着电网的安全。特别是对中性点不接地系统，铁磁谐振所占的比例较大。随着电网的日益发展，中性点不接地系统的铁磁谐振问题越来越严重，出现的概率也越来越大。基于此，本论文对电压互感器铁磁谐振过电压防范措施进行探讨。
【关键词】电压互感器；铁磁谐振；过电压
电力系统接地系统为直接接地系统和不接地系统。直接接地系统易发生并联谐振，不接地系统在单相接地时易发生串联谐振，有并联电容器的断路器易发生串联谐振。长期以来，电力系统谐振过电压严重威胁着电网的安全。特别是对中性点不接地系统，铁磁谐振所占的比例较大。[1]随着电网的日益发展，中性点直接接地系统的铁磁谐振问题越来越严重，出现的概率也越来越大。近年，在四川发生过多次铁磁谐振引起过电压的案例，应引起高度重视。本文将介绍产生铁磁谐振的机理、原因、现象以及应采取的措施。
1 铁磁谐振产生机理
由于电压互感器的中性点位移现象，常常在中性点不接地绝缘系统中引起铁磁谐振过电压。在正常运行条件下，励磁电感三相相等，三相负荷相等，电网的中性点电位为零。当线路中出现瞬时单相故障时，其它两相电压升高，三相电压互感器两相电压升高而饱和，其励磁电感相应减小，电网中性点出现位移电压，当三相总导纳之和为零时，便会发生串联谐振，中性点电压将急剧上升。由于铁芯的磁饱和会引起电流、电压波形的畸变，即产生了谐波，使上述谐振回路还会对谐波产生谐振。当线路很长，对地电容很大，或者励磁互感器的励磁电抗较大时，自振频率较低，容易发生分次（通常为1/2次）谐振，产生过电压；反之，当线路较短，对地电容很小，或者励磁互感器的励磁电抗较小时，自振频率较高，容易发生高次谐振，产生过电压。其表现形式均为三相电压同时升高，但在分次谐波谐振时，过电压忽低忽高作低频摆动。 [2]
当XC/XT≤0.01时，谐振不会发生。随着XC/XT的增加，依次发生1/2次谐波、基波、三次谐波的谐振，同时所需的电压值也逐渐增大。因此1/2次谐波所需的电压最低，最容易发生谐振。基波和高次谐波谐振过电压一般不超过3倍电压。1/2次谐波谐振过电压，由于受到电磁互感器严重饱和的影响，励磁电流急剧增加，可高达励磁电流的几十倍以上，常常引起高压保险丝熔断，或者造成互感器烧损。
2 铁磁谐振过电压危害
谐振时，电压互感器一次线圈通过电流较大，一次侧熔断器尚未熔断时，可能使电压互感器喷油、线圈烧毁甚至爆炸，从而引起开关跳闸造成大范围停电，破坏系统的正常工作，给电网的安全运行带来极大的威胁。
引起母线三相、二相及单相对地电压升高，形成过电压使母线绝缘套管或其他设备发生闪络和损坏，避雷器爆炸等事故。
谐振时，电压互感器一次侧熔断器熔断后可能造成母线低电压保护误动，母线负荷误跳闸或厂用电误动，联动不成功时，将造成发电厂被迫停机、停炉等严重事故。
3 铁磁谐振过电压的防范措施
3.1 选用励磁特性较好的电压互感器
要彻底解决铁磁谐振问题，最根本的是选用励磁伏安特性好的电压互感器，在一般过电压水平下不足以进入深度饱和区，因而够不成谐振的匹配参数。3—10kV系统中使用的三相五柱式电压互感器和110kV及以上系统采用的电容式电压互感器，均因好的伏安特性而不易激发铁磁谐振。[3]
3.2 减少同一网络中并联电压互感器台数
同一电网中，并联运行的电压互感器台数越多，总的伏安特性会变得越差，总体等值感抗也越小，如电网中电容电流越大，则容易发生铁磁谐振。所以变电所母线并联运行时，只需投入一台作绝缘监视用，其余退出。若不能退出时，可将其高压侧接地的中性点断开。用户变电所的电压互感器中性点应不接地，只作为测量仪表和保护用。
3.3 电压互感器高压侧中性点串接单相电压互感器
电压互感器高压侧中性点串接单相电压互感器（即零序电压互感器）。主电压互感器一次线圈接成星形，其中性点经零序电压互感器接地。该方案相当于中性点接入一个高阻抗，其结果使三相电压互感器的等值电感显著增大，从而易实现XC/XT≤0.01的条件，避免了由于饱和而引起的铁磁谐振。但同一电网中，如有多组电压互感器，则必须每组均按此接线方有效，且三相电压互感器中性点对地电压（零序电压）亦被抬高。
3.4 在电压互感器高压侧中性点串接电阻
该方法中串入的电阻实际上等价于每相对地串接，也就是在铁磁谐振的串联谐振回路中串入电阻.此电阻可增大系统阻尼，消耗谐振的幅度和能量.虽然电阻值越大，抑制谐振效果越好，但阻值太大会影响系统接地保护的灵敏度，电压互感器中性点电位要抬高，有可能超过半绝缘电压互感器中性点的绝缘水平。实用中一般为几十kΩ。
也可利用消谐器进行消谐，该装置由多个非线性电阻串联而成，接在TV一次侧绕组中性点与地之间，如LXQ型、RXQ型等消谐器。它是利用电阻来阻尼TV铁芯饱和引起的铁磁谐振。研究表明，当消谐器电阻R≥6%TV在线电压下的励磁阻抗时，基本上可以消除铁磁谐振。
3.5 在电磁式电压互感器的开口三角形绕组中加装阻尼绕组
在電磁式电压互感器的开口三角形绕组中加装阻尼绕组或白炽灯泡，使在谐振时开口三角形绕组中产生附加励磁电流，改变TV一次侧的等效电感。可消除各种谐波的谐振，R用于消耗电源供给谐振的能量，能够抑制铁磁谐振过电压。对于35kV及以下的电网一般要求R值为几欧至几十欧。理论上其电阻值越小，效果越好，R=0时相当于系统中性点直接接地。实际上经研究，R=1Ω时效果最佳。通常，用于消谐的开口三角的电阻R≤0.4XT（XT为电压互感器的励磁电抗换算到TV开口三角绕组两端值）。实用中一般为30Ω或300—500W灯泡。[4]
3.6 在母线上加装对地电容，使达到XC/XT≤0.01
XC/XT≤0.01不易发生铁磁谐振，因此在10kV以下的小变电站可加装中性点接地的电容组或用一般电缆代替架空线，也可利用母线上安装的补偿电容器（大部分配电站已安装，一般未投入），当发生谐振或倒闸后电压表显示混乱时，可把电容器投入，增大母线电容，待谐振消除后再切除电容器以避免过补偿。对大变电所连接有多台电压互感器的情况，因需增设电容量较大，不宜采用。对于空母条件下的铁磁谐振，可利用投入空载线路的办法消除。[5]
综上所述，TV开口三角短时接入阻尼电阻和TV一次侧中性点经非线性电阻接地两种措施效果最佳。
4 结束语
在电力系统中存在许多铁芯电感元件，在一定条件下，可能诱发铁磁谐振过电压，危及设备的安全运行。为了确保设备的安全运行，必须提前做好防范措施，防止铁磁谐振过电压的发生，杜绝或减轻铁磁谐振带来的危害。
参考文献：
[1]变电站母线PT二次空开跳闸原因分析[J].王金花，张红艳，崔红玲.通讯世界.2017（05）
[2]635kV PT高压熔断器熔断原因分析及解决措施[J].杨雨洁，李铁成.电工技术.2017（09）
[3]浅析电能计量中PT二次压降的危害及预防[J].范风梅，张保泽.通讯世界.2015（24）
[4]中性点不接地系统PT谐振过电压分析[J].陈纲.科技传播.2013（04）
[5]10kV PT铁磁谐振产生原因及预防措施探讨[J].郑世明.机电信息.2013（15）
（作者单位：四川大学电气信息学院）
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