电压互感器铁磁谐振原因与对策

福建龙海市供电有限公司 曾宝琼

电压互感器铁磁谐振原因与对策

福建龙海市供电有限公司 曾宝琼

铁磁谐振是电力系统中常见的故障现象，如何正确分析、判断和处理谐振故障仍然是今后要继续深入探讨的问题。采取有效措施使谐振危害降低到最低限度，是电网的安全运行的保证。

我国35 kV 及以下电力系统一般采用中性点不接地系统，为了监视对地绝缘及测量仪表，通常将电压互感器（Potential Transformer，简称PT）的中性点直接接地。在正常状态下运行时，不会产生严重的振荡。但当系统发生故障或者由于某种原因(如雷电、大风、导线接地短路、合空载母线)使电网参数发生变化时，如果不采取适当的措施，就会激发谐振，引起过电压。PT在正常工作电压下，通常铁芯磁通密度不高，铁芯并不饱和，如在过电压下铁芯饱和了，电感会迅速降低，从而与电容产生谐振，这时的谐振被称为铁磁谐振。电力系统出现铁磁谐振时，将出现高于额定电压几倍至几十倍的过电压和过电流，导致PT高压熔断器熔断、瓷绝缘闪络、避雷器爆炸、PT烧毁等事故发生，严重威胁电网的安全运行。

一、铁磁谐振的产生机理

在中性点非有效接地系统中，为了测量三相对地电压和监视对地绝缘，PT 的中性点直接接地。图1 为一个典型的变电站母线接线图，其中L0、C0为导线的电感和对地电容，L 为互感器的励磁电感。

发生谐振时，互感器一相、两相或三相绕组电压升高，进而引起各相导线对地电压发生变动，在整个系统内，对地电压的变动表现为电源变压器的中性点“O”的位移，被称为电网中性点的位移。中性点的位移电压就是电网的对地零序电压，因此谐振现象是在零序回路内产生的。正常情况下，PT的铁芯不会饱和，线圈感抗大于线路容抗。遇故障消失或合空载母线、雷击、线路接地时导线对地电位发生突然变化，三相电位有升有降，电容的涌流流经PT线圈，电流大增,PT的线圈由不饱和变成饱和。当涌流增大到一定数值后，就构成谐振的条件，产生了谐振，在一定条件下激发产生持续的较高幅值的铁磁谐振过电压。电力系统中经常会发生铁磁谐振过电压现象，铁磁谐振不仅可在基频下发生，也可在高频和低频下发生。当谐振发生时PT的铁芯处于高度饱和状态，其表现形式有：偶相对地电压升高，励磁电流过大，或以低频摆动，引起绝缘闪络、避雷器炸裂、高值零序电压分量产生、虚幻接地现象出现和不正确的接地指示动作,严重时还可能诱发保护误动作或在PT中出现过电流，导致PT烧坏。

二、各种消谐措施及分析

1. 改变PT 参数。选用励磁特性较好的PT，使之不容易发生磁饱和。为此，应减小铁芯磁通密度，即增大铁芯的截面积，但考虑生产成本等问题，这是不现实的。可在同一间隔安装同厂家同批次生产的PT，这样可消除三相电压不平衡现象，从客观上增强PT 自身的免疫能力。

2. 采用PT 二次侧消谐措施。在PT 开口三角加装线性阻尼电阻或灯泡，此种方法简单、易于实施，在PT 的励磁特性较好时，可起到零序阻尼作用。当系统发生间歇性弧光放电接地故障时，由于电阻的接入，将使PT 一次侧绕组的电流显著增大，增加了PT 烧损的可能性。当发生持续稳定的单相接地故障时，电阻的容量难以满足要求，而且PT 的容量也难以满足要求。在PT 开口三角绕组加装可控硅多功能消谐装置，当PT 发生各种谐振时，能瞬时多次短接PT开口三角绕组，进行消谐，具有较好的消谐效果。但其不能限制PT一次涌流，PT 爆保险得不到有效控制。而且如果遇到由于线路断线等原因造成的谐振，则很容易误判为PT 饱和引起的谐振，可控硅导通后谐振无法消除，如果不及时退出消谐，则会烧损PT。

3.采用 PT 一次侧消谐措施。高压侧中性点经非线性电阻接地或加装LXQ型消谐器，等价于每相对地串接电阻，能起到消耗能量、阻尼和抑制谐振的作用，还能限制PT中的电流，特别是限制断续弧光接地时流过PT的高幅值过电流，相应地也能减小每相PT的电压，也就相当于改善它的伏安特性。采取这种措施虽基本满足了系统的消谐要求，但在过渡过程的前几个周波内，流过PT的一次侧励磁电流仍较大，而且还使中性点位移，进而使三相电压不平衡。在单项接地故障消失、系统恢复正常运行后，开口三角上仍输出较高的零序电压，可能会使所接电压继电器动作，或迷惑运行人员造成误判断。福建龙海市供电有限公司在2005年开始在10 kV及35 kV电压等级试用LXQ型消谐器，但运行中发生多次消谐器过热断裂及中性点位移引起三相电压不平衡问题，试用效果并不理想。

4. 高压侧中性点串单相PT。将PT 开口三角绕组短接，并在三相PT 的中性点和大地之间串接一个单相PT。这种接线的零序特性曲线为三相PT零序特性和单相PT伏安特性叠加，即单相PT接入后，每相的伏安特性比三相PT高陡，使得引发铁磁谐振的最低动作电压提高到极大的数值，就不容易产生谐振。但采取此种措施一次侧会流过较大幅值的暂态电流，而且闭口三角形绕组中的零序电流也很大，存在一次绕组和剩余绕组过热等问题，有可能引起严重发热，甚至热击穿。

5. PT 一次中性点串接热敏电阻型一次限流消谐器。热敏电阻在低温下呈现低阻，串联安装在PT一次绕组中性点与地之间，当PT 发生谐振时，零序电压升高，电流流过热敏电阻，其电阻会上升。因此可选择热敏电阻制作PT 一次消谐器。一次限流消谐器串联安装在PT 与地之间，正常运行状态下电阻为40 kΩ，而PT 一次绕组的阻抗则为“MΩ”级，因此不会对PT 的各项性能产生影响，同时也未明显改变系统的各项参数。在3.5倍工频过电压作用下，限流消谐器能够将PT 激磁电流限制在100 mA以下，不会导致因PT 一次熔断器熔断后不能熄弧引发的母线短路事故。

三、结论

传统消谐措施虽能起到一定的消谐作用，但都存在一些局限性。如能综合以上的几种消谐方式，则可以提高消谐效果及设备可靠性。采用热敏电阻型消谐器，更加符合PT消谐的原则。同时热敏电阻型一次限流消谐器具有显著的限流作用，能够有效防止因熔断器不能可靠熔断而引发的母线短路故障。