10kV厂用电系统谐振及限制新措施

陈玉东（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

10kV厂用电系统谐振及限制新措施

陈玉东
（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

摘要：主要论述10kV厂用电系统铁磁谐振产生的主要原因及其危害，同时，对传统消谐措施的利弊进行简单分析，提出采用氧化锌压敏电阻并联于电压互感器两端快速消除谐振的方法。并在仿真软件EMTP中建立了简化仿真模型，仿真结果证明了该方法消除谐振过电压的有效性。

关键词：铁磁谐振；中性点不接地系统；压敏电阻；过电压；电容；电感

1　引言

近年来由于水电厂10kV厂用电系统出线回路数增多、线路增长，电缆线路的逐渐增多，对地电容电流亦大幅度增加，以前少有发生的铁磁谐振现象，现在时有发生，由于谐振时会产生较高的过电压，给厂用电安全造成了极大的威胁，如不采取有效的消除措施，可能会造成设备损坏、甚至还会诱发产生更为严重的电力系统事故。目前，消谐的方法及设备很多，但都存在一定的局限性，特别是对谐振过电压的危害，无法根除，下面就系统中的铁磁谐振产生的原因、危害进行简单的阐述，同时，对常见的传统消谐措施也进行了罗列，并就其利弊进行简单分析比较，提出一种采用氧化锌压敏电阻并联于电压互感器两端进行消谐的新措施。

2　谐振产生的机理及危害

在10kV厂用电系统中（中性点不接地系统），为了监视三相对地电压，母线常接有Yo接线的电磁式电压互感器，电气接线见图1。

图1中性点不接地系统铁磁谐振原理图

正常运行时PT的励磁阻抗很大，网络对地阻抗呈容性，三相基本平衡，中性点的位移电压很小，但在某些扰动下，如单相接地的发生和消失，这些都会使PT中暂态励磁电流急剧增大，电感值下降，因三相电感值有所不同，使中性点出现零序电压。

（1）基波谐振：一相对地电压降低，另两相对地电压升高并超过线电压；或两相电压降低、一相电压升高超过线电压、有接地信号发出（虚幻接地现象）。

（2）分次谐波：三相对地电压同时升高（过电压倍数较低，一般不超过2.5倍）、低频周期性变动。当发生分频谐振时，由于互感器感抗显著下降，励磁电流急剧增大，可达到额定值的数十倍，造成互感器的烧毁或保险丝熔断。

（3）高次谐波：三相对地电压同时升高超过线电压。这时的过电压倍数较高，造成系统中绝缘薄弱点的击穿和避雷器的爆炸。

铁磁谐振产生的主要原因为：

（1）线路接地、断线、断路器非同期合闸等引起的系统冲击。

（2）切、合空母线或系统扰动激发谐振。

（3）系统在某种特殊运行方式下，参数匹配，达到了谐振条件。

（4）由于雷击或其他原因，线路中发生瞬间单相弧光接地，使得其他两相瞬间升至线电压，而故障相在接地消失后又瞬间恢复至相电压，造成暂态励磁电流的急剧增大和铁芯的饱和。

电压互感器的铁磁谐振必须由工频电源供给能量才能维持下去，如果抑制或消耗这部分能量，铁磁谐振就可以抑制或消除。在我国6～35kV配电网内，发生互感器引起的谐振过电压情况甚为频繁，尤其是雷雨季节，熔断电压互感器保险的情况频繁发生。

3　抑制谐振过电压的措施

根据谐振发生的机理，抑制和消除谐振的基本方法有：降低电压、吸收和泄放谐振能量、改变零序回路谐振参数。

目前最常见的消谐措施有：

（1）采用励磁特性较好的电压互感器

励磁特性较好的电压互感器在一般的过电压下还不会进入饱和区，从而不易因构成参数匹配而出现谐振。从某种意义上来说，这是治本的措施。电压互感器的励磁特性越好，产生电压互感器谐振的电容参数范围就越小。虽可降低谐振发生的概率，但一旦发生，过电压、过电流将更大。

（2）在母线上装设中性点接地的三相星形电容器组，增加对地电容

这种方法可避免电压互感器谐振。但是增大对地电容后，单相接地电流增加，有可能引起弧光接地过电压，且电容0折算至电压互感器开口三角绕组两端的电容很大，容抗很小，当发生单相接地时，将引起过流而烧坏电压互感器。

（3）电压互感器高压侧中性点经电阻接地

（4）电压互感器一次侧中性点经零序电压互感器接地

该方式能消除PT饱和引起的谐振过电压，使电压稳定。但可能会出现闭口三角环流过大，导致一次绕组烧毁和剩余绕组过热的现象，甚至烧毁PT，尤其在线路电容电流较大时，情况更加严重。

（5）电压互感器二次侧开三角绕组接阻尼电阻

直接串接电阻（如白炽灯）稳定性差，已被接入阻尼电阻或分频消谐装置替代，该方法因判断和投入时间较长，同时增加PT负荷，会造成高压熔断器熔断或PT烧毁等事故。

4　新型氧化锌压敏电阻并联于PT的消谐原理

综合上述，各种消谐措施，都具有一定的效果，但也存在一定的局限性，现提出一种采用氧化锌压敏电阻并联于PT两端的新型消谐措施，该方法不仅消谐速度快，而且具有良好的过电压限制功能，同时可以很好的保护电压互感器和高压熔断器，适用范围广。氧化锌压敏电阻的伏安特性曲线如图2所示。

图2氧化锌压敏电阻的伏安特性曲线

氧化锌压敏电阻具有非常优异的压敏特性，其电气性能是在其两端施加的电压低于动作值时，呈高阻状态，流过其中的电流非常小，随着施加电压值的增大，其电阻值迅速减小，当电压到达一定值时，电压微小的增大，电流将增加几个数量级，电阻值快速下降，将电压限制在一定的水平，因此，氧化锌压敏电阻是一种很好的过电压保护元件。另外，氧化锌压敏电阻具有较大的能容量，可以有效吸收过电压能量，限制过电压进一步发展。

采用氧化锌压敏电阻作为消谐措施的等值电路如图3所示。

图3采用氧化锌压敏电阻消谐等值电路

该措施的工作原理如下：

系统正常运行时，高压开关K处于开断状态，由控制装置对系统零序电压的幅值和相位进行检测，判断是否发生谐振，当系统发生非线性谐振时，立即将氧化锌压敏电阻FR短时接入到母线对地之间，与电压互感器一次绕组并联。只要氧化锌压敏电阻的动作值选取的比谐振过电压低，FR就会立即开通，处于低阻状态，吸收和泄放谐振能量，这时将产生如下效果：

（1）降低并限制谐振过电压的发展

由于氧化锌压敏电阻具有良好的过电压限制性能，使谐振产生的过电压被限制在较低的水平，较低的电压使电压互感器自然退出饱和区域，恢复高阻抗状态，这时，零序回路的振荡将大大减弱，谐振会迅速衰减直至消失。因谐振过电压被限制，对系统中的电气设备绝缘起到良好的保护作用，极大地降低了设备事故率。

（2）吸收和泄放谐振能量

氧化锌压敏电阻是纯电阻特性材料，无论其两端的电压高低、阻值大小，基本物理特性不会发生变化，当其中有电流通过时，就会消耗能量。因此，氧化锌压敏电阻FR在限压的同时会吸收大量的电能，它是工作在零序回路中，消耗的能量主要是非线性谐振所产生的过电压能量，能量的衰减使谐振烈度减弱，谐振过电压也会随之减弱。这将对系统中的用电设备绝缘起到很好的保护作用，延长了系统安全运行周期。

（3）转移谐振产生的零序电流

由于氧化锌压敏电阻在工作时是与电压互感器并联的，而压敏电阻FR工作时的阻值要比电压互感器的电抗小许多，所以，由谐振产生的零序电流就由电压互感器一次侧的中性点转移到氧化锌压敏电阻中，大大减轻了PT的负担，有效避免了电压互感器和高压熔断器的损坏，提高了系统安全运行水平。

（4）改变谐振参数

氧化锌压敏电阻具有很好的非线性，其阻值随着电压的变化而变化，使整个零序回路的振荡参数无法稳定在某一频率。另外，由于氧化锌压敏电阻FR的投入，使电压降低，PT感抗增加，整个零序回路的谐振参数被彻底破坏，谐振根本无法维持。

5　仿真分析

本文的仿真软件采用EMTP。氧化锌电阻的非线性U-I特性是它在作为限压元件的实际应用中最为重要的性能。U-I特性曲线中有一个明显的转折点，即拐点。当作用在电阻片上的电压低于拐点电压时，流过阀片的电流密度很小，一般小于1μA/cm2，电压与电流接近线性关系；当电压高于拐点电压时，电流随电压的增加而急剧增大，电压与电流呈强非线性关系，这时，虽电压增加较小，但电流可以增加几个数量级。

根据以上分析，建立氧化锌压敏电阻的模型如图4所示。

图4氧化锌压敏电阻简化模型

设想理想压敏电阻的伏安特性如下所示。

铁磁谐振的仿真模型仿真波形如图5～图8。

根据仿真得出如下结论：

（1）电压互感器并联氧化锌压敏电阻后可有效地限制谐振过电压，稳定了中性点电位，谐振能量快速损耗，使谐振回路因阻尼过大而无法产生谐振。采用氧化锌并联于电压互感器的消谐措施具有能有效地降低过电压水平，故障消除快，对系统无暂态危害，供电可靠性高等优点，是较理想的消谐措施。

图5 1/2分频谐振三相电压波形

图6基波谐振三相电压波形

图7 1/2分频谐振中性点电压波形

图8氧化锌压敏电阻中的电流波形

（2）由图8可以看出，通过氧化锌压敏电阻的电流较小，元件的选取较为简单。通常只要能够满足1/2分频谐振即可满足其他谐振的能量要求。

（3）非线性电阻中允许通过大电流，且非线性电阻的阻值变化是无时延的，不会发生因阻值滞后变化而引发高幅值的位移电压，限制了电网的暂态过程和过电压的发展。

（4）氧化锌压敏电阻在过电压下电阻很小，残压很低，相当于中性点不接地电网于中性点经一小电阻或者是直接接地；一旦谐振故障消除，高压开关断开，电网恢复正常，电网的供电得以维持，由此可见，利用非线性电阻并联于电压互感器两端的消谐措施，具有传统消谐措施无法比拟的优势。

中图分类号：TM864

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）03-0025-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.007

收稿日期：2014-12-23

作者简介：陈玉东（1976-），男，高级工程师，从事水电站电气设计工作。