四压变在抑制铁磁谐振过电压上的运用浅析*

朱家立，王 琪，马 赟，左文力，平建荣，吴建强

（国网浙江省电力公司湖州供电公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

目前，鉴于对中性点不接地系统诸多优点的考虑，在我国3～35 k V系统中，很大一部分采用了中性点不接地方式.在中性点不接地系统中，当发生单相接地故障时，线电压仍然对称，且稳态工频电流较小；当发生弧光接地时，故障可以自动清除，无需跳闸；当发生金属性单相接地时，系统可单相接地运行一段时间，保证了电网不间断供电，提高供电可靠性.然而当中性点不接地系统发生单相接地故障时，非故障相电压升高为线电压，在实际运行中可能由于过电压引发电力设备爆炸、烧毁等事故；在间歇性电弧接地故障时产生的高频振荡电流大，达数百安培，可能引发相间短路.因此，迅速确定系统接地点并消除单相接地故障对系统的安全运行有着十分重要的意义.

电压互感器（PT）是一、二次系统的联络元件.在35 k V及以下系统中，铁磁谐振是一种长期困扰电力系统安全的非线性共振现象.电压互感器具有一定的电感，而线路导线对地、相间、补偿用的电容器等都具有一定的电容.因此，当发生单相接地故障时，这些电容、电感的组合就可能构成一系列不同自振频率的振荡回路，与外加电源一起产生谐振现象，导致系统中的电压互感器出现严重的谐振过电压和涌流，引起运行中电压互感器烧毁及一次高压熔丝频繁烧断、一相或两相限流电阻爆炸等事故，导致不小的经济损失.

本文着重分析中性点不接地系统发生单相故障时产生铁磁谐振的机理，在此基础上探讨消除铁磁谐振的措施，以便在实际工作中有针对性的预防、消除铁磁谐振故障.

1 产生铁磁谐振的实例

在35 k V及以下系统中，由电磁式电压互感器引起铁磁谐振过电压的情况时有发生，容易造成设备事故.某市市区在运行的35 k V变电站就有12座，在实际运行中，经常发生电压互感器烧毁事故.2012年3月10日，35 k V某变电站1＃主变10kV侧两台PT发生烧毁事故.1＃主变10kV侧避雷器C相发生击穿，导致系统单相接地，后引发A相和C相的PT烧毁（见图1、图2）.

图1 1#主#10kV侧避雷器C相击穿

图2 1#主#10kV侧A避雷C避PT器相

2 接地故障对PT影响的理论分析

2.1 单相接地时PT的工作情况

在中性点不接地系统中，系统正常运行时，三相电压U˙A、U˙B、U˙C大小相等，相位差120°当发生单相接地故障时（C相单相接地），A相和B相电压升为线电压，PT接地点瞬间流过的电流为该接线三相对地电容的容性电流之和.计算分析过程如下：

C相发生金属性接地时，

由于三相分布电容几乎相等，那么式（3）两边同除容抗得：

由于系统中性点不接地，Y0接线的电压互感器高压绕组就成为系统三相对地的唯一金属通道.系统单相接地有两个过渡过程：一是接地时；二是接地消失时.当系统发生C相接地时，故障点会流过电容电流，未接地相（A相、B相）的电压升高到线电压，其对地电容C0上充以与线电压相应的电荷.在接地故障期间，此电荷产生的电容电流，以接地点为通路，在电源－导线－大地间流通.由于电压互感器的励磁阻抗很大，其中流过的电流很小，就是说发生接地时电压互感器高压绕组中不会产生涌流，因为已有某相固定对地电位，也就不会发生铁磁谐振.但是当接地消失时，固定的地电位消失，三相对地的金属通道只能为电压互感器高压绕组，此时非接地相在接地期间已经充电至线电压下的电荷，只有通过电压互感器高压绕组的中性点流入大地.在这一瞬变过程中，电压互感器高压绕组中将会流过一个幅值很高的低频饱和电流，使电压互感器铁心严重饱和，电压互感器的高压熔断器瞬间被熔断.

图3 电磁式电压互感器的非线性特性曲线

2.2 单相接地引起PT铁磁谐振

在电力系统的振荡回路中，PT是铁芯电感元件，如果有某种大扰动或操作，PT的非线性铁芯就可能饱和，从而与线路和设备的对地电容形成特殊的单相或三相共振回路，激起持续的、较高幅值的过电压，这就是铁磁谐振过电压［1］.运行表明，在35 k V及以下的中性点不接地系统中，铁磁谐振是一种常见的故障，经常引起运行中的PT烧毁和一次高压熔丝频繁熔断和一相或两相限流电阻爆炸等事故，严重威胁电网安全运行.

三相PT为三相五柱式或三个单相PT构成，其非线性特性如图3所示.由图3可知，当通过铁芯线圈的电流较小时，可近似认为通过铁芯的磁链φ和电流I成正比，反应这一关系的励磁电感L＝φ／I基本保持不变为一固定常数，这时励磁电感L可看成线性电感［2］.当线圈中的电流I增大到超过某一数值时，铁芯中的磁链φ不再继续随电流I线性增大，铁芯开始饱和，φ和I的关系呈现非线性，线圈励磁电感L不再是一个固定常数，而是随着电流的增大而逐渐减少.

PT在系统中的接线方式如图4（a）所示，正常运行时PT铁心不饱和，各相电路的XC＜XL，系统呈容性，每相可等效为电容C′.当系统出现单相（如C相）接地时，其他两相（A、B相）的相电压会升高为倍，使其PT的铁心饱和.此时A、B两相的负荷将发生反倾，即由容性变为感性，系统变为感性（XC＞XL），则可用一个等效电感L′表示，而C相仍然等效为C′.其等效电路如图4（b）所示.进一步化简，整个电路可等效为图4（c），其中R为线路的等效电阻.

谐振回路是由带铁芯的电感元件（如空载变压器、电压互感器）和系统的电容元件组成.因铁芯元件的饱和现象，使得回路的电感参数是非线性的，电感值不是常数，在交流电源作用下会发生波形畸变现象，因此回路没有固定的谐振频率［3］.同样在回路中，可以是基波谐振、高频谐波谐振，也可以是分频谐波谐振.这种含有非线性的电感元件回路在满足一定谐振条件时，会产生铁磁谐振（非线性谐振）.

如图4（c）所示，发生串联谐振的条件是其容抗与感抗相等，则有：即当单相接地后，系统的参数满足式（5），则发生串联谐振.谐振的频率为固有频率，由式（5）求得：

2.3 接地故障消失瞬间的涌流

在接地故障期间，对地等效电容存储的电荷产生的电容电流以接地点为通路.由于电压互感器的励磁阻抗很大，其中流过的电流很小.但是在接地故障消失时，经接地故障点到大地的这个电流通路则被切断，

图4 系统运行的等效电路

而非接地相必须由线电压瞬间恢复到正常相电压，故障相也由零电位瞬间抬升到相电压.非接地相在接地期间已经充电至线电压下的电量为：

式中：QA、QB、QC分别是A、B、C三相接地时分布在电容上的电量；Uφ为电源相电压瞬时最大值；CA、CB、CC分别为非接地系统中A、B、C相对地分布电容总和；Q∑ 为整个非接地系统中存在的电量.

当接地故障消除后，电荷就只有通过电压互感器的一次绕组中性点进行放电.同理，故障相则通过电压互感器一次侧接地点进行充电.接地故障消除后，各相电压对应存储的电量为：

式中：Q′A、Q′B、Q′C分别是接地故障消除后A、B、C三相对应存储的电量.可得接地消失前后各相上电量差值为：

从以上计算分析知，非中性点接地系统中存在的－3Uφsin（100πt）×CC的电量和接地消除时有关，理论上最小值是0，最大值是3Uφ×CC；这些电量通过电压互感器中性点进行充放电，最终过渡到零状态［4］.

在这一瞬变过程中，电压互感器一次绕组中将会流过一个幅值很高的低频饱和电流，使铁心严重饱和，可能使电压互感器熔丝熔断或烧毁.

3 铁磁谐振产生的危害及解决方案

铁磁谐振是一种长期困扰电力系统安全的非线性共振现象.由于电磁式电压互感器在额定电压下铁芯就工作在磁饱和曲线附近.单相金属性接地造成的电压升高就可能使铁芯趋近饱和，电压互感器的参数会发生变化.这就给铁磁谐振过电压的发生创造了条件.电力系统发生铁磁谐振时会产生严重的过电压或过电流，过电压危及电力元件的绝缘甚至导致电力元件的绝缘泄露，过电流会熔断PT高压侧保险丝甚至导致PT爆炸.现考虑用以下方法消除铁磁谐振：

在压变高压侧中性点串接单相PT（将3PT改成4PT），原电压互感器接线方式为3PT形式，无法更好的消除电网电压谐振.针对变电站的运行特点，现把3PT接线方式改为4PT形式，4PT接线形式即在三相PT高压侧中性点串接单相PT，其中3台为主电压互感器，一次侧接成星形，中性点通过1台零序PT接地，主电压互感器的二次开口三角绕组短接，零序PT的二次侧接零序电压继电器（图5、图6所示）.这时，单相接地故障发生时，线路电压由主、副PT共同承担，PT励磁电抗XT显著增加，相当于改善了PT的励磁特性，使PT不易饱和，不致于产生铁磁谐振.PT开口三角侧的短接起到了阻尼作用；副PT本身的直流电阻相当于在3PT中性点串接消谐器，起到限流和消谐的作用.

图5 10kVI段母线4PT

图6 4PT的接线形式

4 结语

在中性点不接地系统中，由于电磁式电压互感器励磁电感的非线性特性，当系统发生单相接地故障时，在一定条件下容易产生铁磁谐振过电压，同时，电压互感器在没有采取保护措施的情况下会流过很大的涌流，致使PT熔丝熔断或烧毁，进而严重影响系统的安全运行.

目前，针对此类故障可采取的措施很多.然而，由于系统结构的复杂性和运行方式的灵活性，造成运行参数具有随机性；同时，各种消谐措施也都存在局限性，使得只能在某些特定情况下消除谐振，还没有经济有效的根治措施.因此，我们有必要研究单相接地故障对中性点不接地系统中PT的影响，并探讨更有效的消谐、限流措施.

本文利用在中性点不接地系统中将3PT更换成4PT来消除谐振和限制流经PT的涌流，旨在保证系统的正常运行，提高供电可靠性，减少经济损失.

［1］王晓云，李宝树，庞承宗.电力系统铁磁谐振研究现状分析［J］.电力科学与工程，2002（4）：49－51.

［2］范孝远.电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压及对其防止措施的几点认识［J］.电气开关，1998（4）：37－40.

［3］刘新东.10～35 k V配网铁磁谐振过电压的表现形式及消除措施［J］.电工技术杂志，2000（6）：45－46.

［4］姜涛，柏建良.中性点不接地系统发生单相接地故障对Y0－Y0接线方式电压互感器的影响［J］.湖州师范学院学报，2010（增刊）.