电压互感器引起铁磁谐振的原因及防止措施

电压互感器引起铁磁谐振的原因分析

电力系统中存在着许多储能元件，当系统进行操作或发生故障时，变压器、互感器等含铁芯元件的非线性电感元件与系统中电容串联可能引起铁磁谐振，对电力系统安全运行构成危害。

在中性点不接地的非直接接地系统中，铁磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压是常见的，是造成事故较多的一种内部过电压。

这种过电压轻则使电压互感器一次熔丝熔断，重则烧毁电压互感器，甚至炸毁瓷绝缘子及避雷器造成系统停运。在一定的电源作用下会产生串联谐振现象，导致系统中出现严重的谐振过电压。

在中性点不接地系统中，为了监视对地绝缘，母线上常接有Y接线的电磁式电压互感器，如图1所示，图中u0为电源电势，C为线路等设备的对地电容，L为电压互感器激磁电感，R0为中性点串联消谐电阻。

在正常运行状态下电压互感器励磁感抗很大，其数值范围在兆殴级以上且各相对称。C数值视线路长短而定，线路愈长容抗愈小，即以1km线路而言，其每相对地电容约0.004μF，故其容抗小于1MΩ。

因此，整个网络对地仍呈容性且基本对称，电网中性点的位移电压很小，接近地电位。但电压互感器的励磁电感随通过的电流大小而变化，其U-I特性如图2所示。

由图2可见，曲线的起始一段接近直线，其电感相应地保持常数。当激磁电流过大时，铁芯饱和，则L值随之大大降低。正常运行时铁芯工作在直线范围，当系统中出现某些波动，如电压互感器突然合闸的巨大涌流、线路瞬间单相弧光接地等，使电压互感器发生三相不同程度的饱和，以至破坏了电网的对称，电网中性点就出现较高的位移电压，造成工频谐振或激发分频谐振。

防止铁磁谐振的措施

电网的不断发展使线路参数发生变化，铁磁式电压互感器的大量使用，使电网产生铁磁谐振的可能性增大。所以，为了使电网安全可靠供电，必须采取有效措施防止铁磁谐振的发生。

防止铁磁谐振的产生，应从改变供电系统电气参数着手，破坏回路中发生铁磁谐振的参数匹配。这样既可防止电压互感器发生磁饱和，又可预防电压互感器铁磁谐振过电压的产生。

4.1改变电气参数

4.1.1装设继电保护设备

当电网发生单相接地故障时，为改变电压互感器的谐振参数，可通过装设一套继电保护设备来实现。该装置是利用单相接地时所产生的较大谐振电流，启动电流继电器投入，将电压互感器二次侧开口三角处绕组短接。当故障排除后，保护装置恢复原状，电压互感器恢复正常运行。

4.1.2选用不易饱和的或三相五柱式电压互感器

10kV系统中使用的电压互感器，应选用励磁感抗大于1.5MΩ的电压互感器。

4.1.3减少电压互感器台数

在同一电网中，应尽量减少电压互感器的台数，尤其是限制中性点接地电压互感器的台数。如变电所的电压互感器，只作为测量仪表和保护用时，其中性点不允许接地。

4.1.4串接单相互感器

在三相电压互感器一次侧中性点串接单相互感器，使三相电压互感器等值电抗显著增大，以满足Xc0/Xm≤0.01的条件，可避免因深度饱和而引起的谐振。

4.1.5每相对地加装电容器

此法可使网络等值电容变小，网络等值电抗不能与之匹配，从而消除谐振。

4.1.6在中性点装设消弧线圈

在10kV系统中发生谐振，且单相接地电流值较大或接近30A时，可将中性点通过消弧线圈接地。

4.1.7投入备用线路

当系统中只有一组电压互感器投入的情况下，若供电线路总长度较短时，可投入部分备用线路，以增加分布电容来防止谐振的发生。

4.2消耗谐振能量

4.2.1在TV开口三角形侧并联阻尼电阻

当电网运行正常时，电压互感器二次侧开口三角处绕组两端没有电压，或仅有极小的不对称电压。当电网发生单相接地故障时，由于此电阻阻值较小，故绕组两端近似于短接，起到了改变电压互感器参数的作用。这一措施不仅能防止电压互感器发生磁饱和，而且能有效地消耗谐振能量，防止产生谐振过电压。此方法常用在要求不太高的变电站，如消谐电阻采用电灯泡或电阻丝，当其损坏后将不会有消谐作用；当系统发生单相接地时，在开口三角侧将产生100V的电压，而由于电灯泡或电阻丝的冷态电阻是较小的，这将在TV开口三角侧流过较大的电流引起TV损坏。

4.2.2在电压互感器一次侧中性点与地之间串接消谐电阻R0

此电阻可用以削弱或消除引起系统谐振的高次谐波。模拟试验表明：当R0/Xm≥5．51×10－3时，即使系统发生单相接地故障，也不会激发分频铁磁谐振。但阻值太大，则会影响系统接地保护的灵敏度。

消谐电阻R0的计算。先测出各电压互感器二次侧的励磁感抗Xm，求出各电压互感器并联后的Xm值，再折算至一次侧，即为系统总的Xm。R0的值应在0.0088～0.0500Xm间选择。R0的容量可按P0＝U20/R0=（3R0Uφ/Xm）2/R0来选择。

消谐电阻应按电压互感器中性点处串接R0后，用开口三角处电压UΔ的变化量ΔUΔ％来校验。

ΔUΔ％=（-ΔU％）＞5%

UΔ％=1/6（3R0/Xm）2（1＋2Xm/Xj）×100％

式中Xj——电压互感器在Uj下的励磁电抗。

4.2.3装设消谐装置

可在电压互感器的开口三角绕组处直接装设消谐装置，当发生谐振时，电压在设计周波下达到动作值时，装置的鉴频系统自动投入“消谐电阻”吸收谐振能量，消除铁磁谐振。消谐装置动作较可靠，还可以记录故障时的电压、振荡频率等参数，利于事故分析，现采用此方法较多。

10～35kV电压等级电网产生铁磁谐振，是导致电压互感器烧损，引起停电，危及安全供电的原因之一。

当供电线路各相对地电容的容抗与线路上所接入的电压互感器各相综合感抗数值相近或相等时，就会发生铁磁谐振，使三相电压严重不平衡，电压互感器二次侧开口三角处感应出很高的电压。

采取改变供电系统电容、电感参数，破坏谐振条件，以及在电压互感器开口三角处并接阻尼电阻，可有效地消除铁磁谐振。