電磁式電壓互感器的諧振及主要消諧措施

摘要 電磁式電壓互感器的鐵磁諧振是非有效接地系統(tǒng)中常見的一種現(xiàn)象，電磁式電壓互感器引起鐵磁諧振后，其介質(zhì)擊穿或爆炸都會(huì)導(dǎo)致母線故障。本文針對(duì)鐵磁諧振對(duì)中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)帶來的影響，對(duì)電磁式電壓互感器鐵磁原理及現(xiàn)有的消諧措施進(jìn)行分析，在各種情況下選擇合適的消諧方式。

關(guān)鍵詞 不接地系統(tǒng)；電壓互感器；鐵磁諧振；消諧措施

0 引言

在電力系統(tǒng)非有效接地系統(tǒng)中，由于技術(shù)和成本原因，廣泛采用電磁式電壓互感器（下面簡稱TV），電磁式電壓互感器在單相接地、操作等外部因素激發(fā)的條件下，易發(fā)生鐵磁諧振，使得TV受到諧振過電壓和過電流的沖擊。諧振過電壓一旦發(fā)生，往往會(huì)造成電氣設(shè)備的損壞或繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)生停電事故。為了盡可能地避免諧振過電壓的發(fā)生，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的參數(shù)計(jì)算，采取適當(dāng)?shù)姆乐怪C振的措施，在操作設(shè)備時(shí)應(yīng)有合理的調(diào)度安排，盡量避免形成諧振回路。本文從變電站實(shí)際發(fā)生的一系列諧振過電壓現(xiàn)象，對(duì)電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振及消除方法進(jìn)行討論。

1 電磁式電壓互感器鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生原理

在中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)中，母線上常采用Y型接線的電磁式電壓互感器，如圖1所示，圖中E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。

以圖1為例，分析中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)中電磁式TV諧振原理。

E1 + E2 + E3 =0，L1=L2=L3，故各相對(duì)地導(dǎo)納Y1=Y2=Y3，中性點(diǎn)處在零電位，不會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象。

當(dāng)系統(tǒng)受到某種干擾，例如單相接地故障、系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變或電氣設(shè)備的投切等，都可能出現(xiàn)相對(duì)地瞬間過電壓及勵(lì)磁電流的急劇增大，假設(shè)擾動(dòng)致使

A 相對(duì)地電壓瞬間提高，使得A相互感器的勵(lì)磁電流突然增大而發(fā)生飽和，其等值勵(lì)磁電感L1變小，以致三相勵(lì)磁電感不相等，導(dǎo)致中性點(diǎn)電壓發(fā)生偏移，由式（1）可知，如鐵心飽和，電感下降，式（1）中的分母變小，如果參數(shù)匹配，便能產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

2 鐵磁諧振的危害及主要消諧措施

由鐵磁諧振產(chǎn)生的原理可看出，當(dāng)諧振產(chǎn)生時(shí)，中性點(diǎn)電壓升高，產(chǎn)生零序諧振過電壓，過高的電壓可能導(dǎo)致設(shè)備結(jié)緣損壞、設(shè)備擊穿甚至爆炸及保護(hù)裝置誤動(dòng)等。

隨著供電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，特別是城區(qū)、開發(fā)區(qū)和大型工廠內(nèi)部等電纜線路的日益增多，系統(tǒng)單相接地電容電流不斷增加。當(dāng)發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)，流過故障點(diǎn)的短路電流為所有線路對(duì)地電容電流之和，造成故障點(diǎn)的電弧不易熄滅，導(dǎo)致過電壓，很可能破壞設(shè)備結(jié)緣，發(fā)展成相間短路，造成停電或損壞設(shè)備的事故。同時(shí)，系統(tǒng)震蕩時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高次諧波和分次諧波，由于鐵芯的磁特性的非線性，電感值會(huì)隨這外部電壓的變化而改變，由于頻率低，鐵芯磁通密度很高，TV線圈會(huì)產(chǎn)生很大的勵(lì)磁電流而燒壞TV。

消除鐵磁諧振的措施歸納起來主要有三方面：改變系統(tǒng)參數(shù)，使其不具備諧振條件，不易引起參數(shù)諧振；消耗諧振過程中產(chǎn)生的能量，消除諧振的發(fā)生；合理分配有功負(fù)荷，一般在輕載或空載條件下易發(fā)生諧振[1]。在電力系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)

用中，常采用下述四種消諧措施：

1）在開口三角繞組接電阻或加裝消諧裝置

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，TV開口三角輸出電壓為零。當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，中性點(diǎn)發(fā)生偏移，TV開口三角產(chǎn)生零序過電壓，在TV開口三角處接入電阻，消耗諧振產(chǎn)生的能量，限制諧振過電壓，電氣原理圖如圖2。電阻可按R≤0.4 Xm選取，Xm為電壓互感器在線電壓下單相繞組的勵(lì)磁電抗，電阻值越小，消耗諧振能量效果越顯著，越能抑制諧振過電壓，但電阻值太小的電阻并聯(lián)在開口三角上，會(huì)影響TV的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)�造成TV燒毀，因?yàn)殡娋W(wǎng)的鐵磁諧振頻率往往不是單一的，所以這種方法難于消除所有頻率的諧振。在實(shí)際應(yīng)用中，由于裝置性能欠佳等原因，TV開口三角接電阻消諧方法運(yùn)行的情況并不理想所以這種方法難于消除所有頻率的諧振。

實(shí)際應(yīng)用中通常采用微機(jī)消諧裝置消諧取代電阻，即在開口三角繞組并聯(lián)微機(jī)消諧裝置。正常運(yùn)行和出現(xiàn)單相接地時(shí)，消諧裝置不動(dòng)作，運(yùn)行正常無誤。在電網(wǎng)發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，微機(jī)消諧裝置導(dǎo)通，TV 開口三角被短接，諧振能量被消耗掉，當(dāng)諧振消失后，裝置恢復(fù)到斷開狀態(tài)。

但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在單相持續(xù)接地時(shí)，開口三角必須具備足夠大的容量，且微機(jī)消諧裝置在理論及制造上仍有不足，對(duì)單相接地故障及鐵磁諧振的判斷不夠準(zhǔn)確，如判斷不準(zhǔn)確，裝置拒動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致諧振過電壓燒毀設(shè)備等事故。

2）電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)消諧電阻接地

一次中性點(diǎn)串入電阻相當(dāng)于每相對(duì)地接入一個(gè)電阻，消諧電阻限制TV一次繞組中產(chǎn)生的勵(lì)磁電流大小，消耗諧振能量，起到抑制諧振的作用，將高壓側(cè)繞組中的涌流抑制在很小的范圍內(nèi)，相等于改善了TV的伏安特性，避免形成諧振回路，電氣原理圖如圖3。

從原理來看消諧電阻越大，消諧效果越好。但是，如果消諧電阻值過大，電阻過熱易被燒毀，并且消諧電阻承擔(dān)絕大部分零序電壓，使TV開口三角輸出電壓值降低，這將會(huì)影響繼電保護(hù)裝置動(dòng)作的靈敏度。

3）TV一次中性點(diǎn)經(jīng)零序TV接地消諧

在中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)中，采用抗諧振TV，原理就是在TV一次繞組中性點(diǎn)經(jīng)一臺(tái)單相零序TV接地。中性點(diǎn)經(jīng)TV接地，使電磁式電壓互感器等值電感大大增加，改善了電壓互感器鐵芯的勵(lì)磁特性，容易滿足XC/XT≤0.01的參數(shù)條件，提高了諧振最低動(dòng)作電壓的門檻，這樣TV就不易出現(xiàn)飽和，避免了諧振的產(chǎn)生，電氣原理圖如圖4。

正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)單相TV無電壓，各相對(duì)地電壓及相間電壓正常。當(dāng)出現(xiàn)諧振時(shí)，產(chǎn)生的零序電壓幾乎全施加在單相TV上，因此，單相TV的二次繞組電壓能正確反應(yīng)零序電壓。在實(shí)際應(yīng)用中必須注意，采用此種方法消諧，開口三角必須短接，否則單相TV不能正確反應(yīng)零序電壓。

4）系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地消諧

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，當(dāng)單相接地電容電流過大時(shí)，接地點(diǎn)電弧不易自行熄滅，常采用在中性點(diǎn)加裝消弧線圈的接線方式。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線圈中產(chǎn)生電感電流，補(bǔ)償因故障而產(chǎn)生的對(duì)地電容電流，限制了故障時(shí)的接地電流及接地弧光過電壓。同時(shí)，加裝消弧線圈相當(dāng)于在TV每相并聯(lián)一個(gè)電感，由于消弧線圈電感值較小，與TV電感并聯(lián)之后使得TV電感值變小，破壞了參數(shù)諧振條件，抑制諧振的發(fā)生。但這種方式投資太大，且消弧線圈電感值過大時(shí)會(huì)使得暫態(tài)震蕩更加激烈。

3 結(jié)論

在中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)里，由于TV特性不好，鐵芯易飽和，極易發(fā)生鐵磁諧振。統(tǒng)計(jì)資料表明，鐵磁諧振的大多數(shù)屬于分次諧波諧振，小部分屬于基波或高次諧波諧振。這些諧振的發(fā)生均會(huì)給電力系統(tǒng)及TV帶來不良后果，造成過電壓導(dǎo)致設(shè)備燒損的事故。

目前為止，我國大多數(shù)變電站采用TV一次中性點(diǎn)加單相TV消諧方法，從實(shí)際運(yùn)行效果來看是最良好的，極少出現(xiàn)鐵磁諧振過電壓引起設(shè)備損壞的事故。加消諧裝置的方法，由于消諧裝置種類較多，效果不一，其他消諧方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)實(shí)際情況選用合適的消諧方法。相對(duì)而言，采用TV一次中性點(diǎn)加單相TV消諧方法，能更有效的防止鐵磁諧振。

參考文獻(xiàn)

[1]趙吉東.配電網(wǎng)幾種消諧措施的對(duì)比.西北電力技術(shù)[J]，2004：4.126.

[2]王亮，施圍，沙玉洲，等.電壓互感器三相勵(lì)磁特性對(duì)鐵磁諧振的影響[J].繼電器，2005，33（2）：35-42.

[3]張燁，李中琴.鐵磁諧振原理和反鐵磁諧振的方法[J].應(yīng)用科技，2010（9）：35-38.