電壓互感器引起鐵磁諧振的原因分析

電力系統(tǒng)中存在著許多儲(chǔ)能元件，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí)，變壓器、互感器等含鐵芯元件的非線性電感元件與系統(tǒng)中電容串聯(lián)可能引起鐵磁諧振，對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行構(gòu)成危害。

在中性點(diǎn)不接地的非直接接地系統(tǒng)中，鐵磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓是常見的，是造成事故較多的一種內(nèi)部過電壓。

這種過電壓輕則使電壓互感器一次熔絲熔斷，重則燒毀電壓互感器，甚至炸毀瓷絕緣子及避雷器造成系統(tǒng)停運(yùn)。在一定的電源作用下會(huì)產(chǎn)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)嚴(yán)重的諧振過電壓。

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，為了監(jiān)視對(duì)地絕緣，母線上常接有Y接線的電磁式電壓互感器，如圖1所示，圖中u0為電源電勢(shì)，C為線路等設(shè)備的對(duì)地電容，L為電壓互感器激磁電感，R0為中性點(diǎn)串聯(lián)消諧電阻。

在正常運(yùn)行狀態(tài)下電壓互感器勵(lì)磁感抗很大，其數(shù)值范圍在兆毆級(jí)以上且各相對(duì)稱。C數(shù)值視線路長(zhǎng)短而定，線路愈長(zhǎng)容抗愈小，即以1km線路而言，其每相對(duì)地電容約0.004μF，故其容抗小于1MΩ。

因此，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)地仍呈容性且基本對(duì)稱，電網(wǎng)中性點(diǎn)的位移電壓很小，接近地電位。但電壓互感器的勵(lì)磁電感隨通過的電流大小而變化，其U-I特性如圖2所示。

由圖2可見，曲線的起始一段接近直線，其電感相應(yīng)地保持常數(shù)。當(dāng)激磁電流過大時(shí)，鐵芯飽和，則L值隨之大大降低。正常運(yùn)行時(shí)鐵芯工作在直線范圍，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)某些波動(dòng)，如電壓互感器突然合閘的巨大涌流、線路瞬間單相弧光接地等，使電壓互感器發(fā)生三相不同程度的飽和，以至破壞了電網(wǎng)的對(duì)稱，電網(wǎng)中性點(diǎn)就出現(xiàn)較高的位移電壓，造成工頻諧振或激發(fā)分頻諧振。

防止鐵磁諧振的措施

電網(wǎng)的不斷發(fā)展使線路參數(shù)發(fā)生變化，鐵磁式電壓互感器的大量使用，使電網(wǎng)產(chǎn)生鐵磁諧振的可能性增大。所以，為了使電網(wǎng)安全可靠供電，必須采取有效措施防止鐵磁諧振的發(fā)生。

防止鐵磁諧振的產(chǎn)生，應(yīng)從改變供電系統(tǒng)電氣參數(shù)著手，破壞回路中發(fā)生鐵磁諧振的參數(shù)匹配。這樣既可防止電壓互感器發(fā)生磁飽和，又可預(yù)防電壓互感器鐵磁諧振過電壓的產(chǎn)生。

4.1改變電氣參數(shù)

4.1.1裝設(shè)繼電保護(hù)設(shè)備

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，為改變電壓互感器的諧振參數(shù)，可通過裝設(shè)一套繼電保護(hù)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。該裝置是利用單相接地時(shí)所產(chǎn)生的較大諧振電流，啟動(dòng)電流繼電器投入，將電壓互感器二次側(cè)開口三角處繞組短接。當(dāng)故障排除后，保護(hù)裝置恢復(fù)原狀，電壓互感器恢復(fù)正常運(yùn)行。

4.1.2選用不易飽和的或三相五柱式電壓互感器

10kV系統(tǒng)中使用的電壓互感器，應(yīng)選用勵(lì)磁感抗大于1.5MΩ的電壓互感器。

4.1.3減少電壓互感器臺(tái)數(shù)

在同一電網(wǎng)中，應(yīng)盡量減少電壓互感器的臺(tái)數(shù)，尤其是限制中性點(diǎn)接地電壓互感器的臺(tái)數(shù)。如變電所的電壓互感器，只作為測(cè)量?jī)x表和保護(hù)用時(shí)，其中性點(diǎn)不允許接地。

4.1.4串接單相互感器

在三相電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)串接單相互感器，使三相電壓互感器等值電抗顯著增大，以滿足Xc0/Xm≤0.01的條件，可避免因深度飽和而引起的諧振。

4.1.5每相對(duì)地加裝電容器

此法可使網(wǎng)絡(luò)等值電容變小，網(wǎng)絡(luò)等值電抗不能與之匹配，從而消除諧振。

4.1.6在中性點(diǎn)裝設(shè)消弧線圈

在10kV系統(tǒng)中發(fā)生諧振，且單相接地電流值較大或接近30A時(shí)，可將中性點(diǎn)通過消弧線圈接地。

4.1.7投入備用線路

當(dāng)系統(tǒng)中只有一組電壓互感器投入的情況下，若供電線路總長(zhǎng)度較短時(shí)，可投入部分備用線路，以增加分布電容來防止諧振的發(fā)生。

4.2消耗諧振能量

4.2.1在TV開口三角形側(cè)并聯(lián)阻尼電阻

當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行正常時(shí)，電壓互感器二次側(cè)開口三角處繞組兩端沒有電壓，或僅有極小的不對(duì)稱電壓。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于此電阻阻值較小，故繞組兩端近似于短接，起到了改變電壓互感器參數(shù)的作用。這一措施不僅能防止電壓互感器發(fā)生磁飽和，而且能有效地消耗諧振能量，防止產(chǎn)生諧振過電壓。此方法常用在要求不太高的變電站，如消諧電阻采用電燈泡或電阻絲，當(dāng)其損壞后將不會(huì)有消諧作用；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，在開口三角側(cè)將產(chǎn)生100V的電壓，而由于電燈泡或電阻絲的冷態(tài)電阻是較小的，這將在TV開口三角側(cè)流過較大的電流引起TV損壞。

4.2.2在電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)與地之間串接消諧電阻R0

此電阻可用以削弱或消除引起系統(tǒng)諧振的高次諧波。模擬試驗(yàn)表明：當(dāng)R0/Xm≥5．51×10－3時(shí)，即使系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，也不會(huì)激發(fā)分頻鐵磁諧振。但阻值太大，則會(huì)影響系統(tǒng)接地保護(hù)的靈敏度。

消諧電阻R0的計(jì)算。先測(cè)出各電壓互感器二次側(cè)的勵(lì)磁感抗Xm，求出各電壓互感器并聯(lián)后的Xm值，再折算至一次側(cè)，即為系統(tǒng)總的Xm。R0的值應(yīng)在0.0088～0.0500Xm間選擇。R0的容量可按P0＝U20/R0=（3R0Uφ/Xm）2/R0來選擇。

消諧電阻應(yīng)按電壓互感器中性點(diǎn)處串接R0后，用開口三角處電壓UΔ的變化量ΔUΔ％來校驗(yàn)。

ΔUΔ％=（-ΔU％）＞5%

UΔ％=1/6（3R0/Xm）2（1＋2Xm/Xj）×100％

式中Xj——電壓互感器在Uj下的勵(lì)磁電抗。

4.2.3裝設(shè)消諧裝置

可在電壓互感器的開口三角繞組處直接裝設(shè)消諧裝置，當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，電壓在設(shè)計(jì)周波下達(dá)到動(dòng)作值時(shí)，裝置的鑒頻系統(tǒng)自動(dòng)投入“消諧電阻”吸收諧振能量，消除鐵磁諧振。消諧裝置動(dòng)作較可靠，還可以記錄故障時(shí)的電壓、振蕩頻率等參數(shù)，利于事故分析，現(xiàn)采用此方法較多。

10～35kV電壓等級(jí)電網(wǎng)產(chǎn)生鐵磁諧振，是導(dǎo)致電壓互感器燒損，引起停電，危及安全供電的原因之一。

當(dāng)供電線路各相對(duì)地電容的容抗與線路上所接入的電壓互感器各相綜合感抗數(shù)值相近或相等時(shí)，就會(huì)發(fā)生鐵磁諧振，使三相電壓嚴(yán)重不平衡，電壓互感器二次側(cè)開口三角處感應(yīng)出很高的電壓。

采取改變供電系統(tǒng)電容、電感參數(shù)，破壞諧振條件，以及在電壓互感器開口三角處并接阻尼電阻，可有效地消除鐵磁諧振。