电磁式电压互感器谐振过电压分析

邓敏

【摘 要】本文结合电磁式电压互感器引起铁磁谐振的原理，就两起铁磁谐振现象做了分析，并提出了一些限制措施。

【关键词】电压互感器；谐振过电压；措施

0 前言

在中性点不接地系统中，母线上一般装设中性点接地的电磁式电压互感器，由于电磁式电压互感器低压侧的负荷很小，接近空载，高压侧具有很高的励磁阻抗，在某些倒闸操作时，或者在接地故障消失之后，它与导线对地电容或其它设备的杂散电容间形成特殊的三相或单相谐振回路，并能激发起各种谐波的铁磁谐振过电压。

1 电磁式电压互感器引起铁磁谐振的原理

电压互感器通常接在变电站或发电机的母线上，其一次绕组接成星型，中性点直接接地，因此各相对地励磁电感L1，L2，L3与母线对地电容C0间各自组成独立的振荡回路。中性点绝缘系统中，接有电磁式电压互感器的母线接线等值电路，见图1，其中EA，EB，EC为三相电源电势。

在正常运行条件下，励磁电感L1=L2=L3=L0，故各相对地导纳Y1=Y2=Y3=Y0，三相对地负荷是平衡的，电网的中性点处在零电位，即不发生位移现象。

当电网发生冲击扰动时，例如开关突然合闸，或母线发生瞬间弧光接地现象等，都可能是一相或两相的对地电压瞬间提高。由于扰动，若A相对地电压瞬间提高，使得A相互感器的励磁电流突然增大而发生饱和，其等值励磁电感L1相应减小，以致Y1≠Y0，这样，三相对地负荷不平衡，中性点发生位移电压。如果参数配合不当，恰好使总导纳接近为零就会产生串联谐振现象，中性点位移电压急剧上升。此时，三相导线的对地电压等于各相电源电势和位移电压量的向量和，向量叠加的结果，通常是两相对地电压升高，一相对地电压降低，这就是基波谐振的表现形式。

图2中H.A.Peterson曲线研究了产生各种谐波振荡的条件，其中Xc为系统每相的容抗；XL为电压互感器的单相绕组在额定线电压作用下的对地励磁电抗；U是电压互感器事故前的运行相电压；是电压互感器的铭牌线电压，U△为铁芯电感的额定线电压。从图2可以看出，随着Xc/XL比值的增大，依次发生1/2分次谐波（曲线1）、基波（曲线2）和高次谐波（曲线3）的谐振，同时所需的U也逐渐增大。当小于0.01或远大于1时，便消除了谐振的条件。所以在考虑运行方式和系统操作时，力求改变电力网中的电感电容之比，以避免形成谐振条件。

2 电磁式电压互感器引起铁磁谐振的实例及分析

2.1 故障现象1及谐振分析

2.1.1 故障现象1

某钢厂35/6kV变电站，三台主变，三段母线带三个PT，6kV I段母线上接有1组电容器、1组电抗器、三条架空出线线路及母线PT。该站曾发生一起谐振过电压。当时A、B、C三相电压同时升高，分别为4.7～5.3kV、4.6～6.5kV、1.8～4.8kV。现场值班人员通过拉出线，并对6kV系统一二次设备进行了详细的检查，发现二次设备及表计无异常，一次设备A、C相一次熔断器熔断。检修人员在开口三角并接500W灯泡，仍未消除谐振，后来通过拉路来改变网络的参数，谐振消失。

2.1.2 谐振分析

通过实测该站3台PT的励磁特性为3.464kV，50mA；4.8kV，100mA；5.4kV，107mA；3.464kV，50mA；6kV，120mA；6.6kV，130mA；计算单台PT在线电压下的励磁电抗6000/120=50kΩ，三相PT总的电抗为XL=50/3kΩ，该变电所总对地电容为0.1μF， 用二次负荷测试仪测得6kV母线对地电容为1.46μF，Xc=31500Ω， 因此，Xc/XL=1.9，落在Peterson曲线高频谐振区，应是高频谐振，当拉线时，则Xc由原31500 Ω，因此，Xc/XL=2.45>2.28，落在Peterson曲线谐振区外，谐振消失。

用500W灯泡并接在PT的开口三角端口上，因白炽灯钨丝电阻值冷热态差异极大，现场试验的消谐效果也不佳，因此只有用瞬时短接PT的开口三角才起到消谐效果。

2.2 故障现象2及谐振分析

2.2.1 故障现象2

某水电站的35kV中性点为不接地系统，电源侧和负荷侧的35kV 母线电压互感器都采用4组中性点接地的电磁型PT。35kV系统某次出现瞬时单相接地，三相对地电压依次轮流升高，表计指示在28kV左右，且三相电压表指针有明显的摆动现象，主变声音时高时低，有一台PT的熔丝熔断，根据现象可判断本次谐振为分频谐振。

2.2.2 谐振分析

该水电站35kV线路总长为28km，系统单相接地时电容电流为Ic=2.8A，所以Xc=21.14kΩ。通过查阅相关资料，在额定线电压下每组PT的感抗为1.75 MΩ， 4组的并联电抗为XL=450kΩ， 所以Xc/XL=0.047， 落在Peterson曲线分频谐振区内。

3 限制谐振过电压的措施

谐振的危害是很大的，因此必须进行限制。在中性点不接地系统中，可采用下列措施消除PT饱和引起的过电压：

3.1 选用伏安特性不易饱和的PT。

3.2 将母线电磁式电压互感器更换为电容式电压互感器，其对地呈现容性，不存在饱和的问题，从而防止了铁磁谐振现象的发生。

3.3 给母线充电前先切除PT，充电后再投入PT，停母线时先切除PT，再拉开开关。

3.4 在电磁式电压互感器的开口三角形中接入阻尼电阻或消谐器，加装R≤0.4Xm（Xm为互感器在线电压下单相换算到辅助绕组的励磁电抗），或当中性点位移电压超过一定值时，以零序过电压继电器将电阻投入1min，然后再自动切除。

3.5 在母线上加装一定的对地电容，可以破坏谐振条件，使对地容抗Xc0满足：Xc0/Xm<0.01。

3.6 操作中注意监视母线电压，如电压过高则立即改变方式，合上或拉开引起谐振的开关。

4 结论

电磁式PT与系统对地电容之间在电网有扰动情况下，构成串联谐振电路，引起铁磁谐振，引发分频、基频、高频谐波谐振，造成电压升高，电流增大等现象，对电力设备的安全稳定运行造成极大危害。因此在一定条件下应考虑采用电容式电压互感器，并在操作中做好防止电压互感器发生铁磁谐振的措施，当谐振发生时应立即采取相应措施，消除谐振。

【参考文献】

[1]水利电力部西北电力设计院，编.电力工程电气设计手册[M].中国电力出版社.

[2]电力系统内部过电压保护及实例分析[M].中国电力出版社.

[责任编辑：汤静]