电磁式电压互感器的谐振及主要消谐措施

摘要 电磁式电压互感器的铁磁谐振是非有效接地系统中常见的一种现象，电磁式电压互感器引起铁磁谐振后，其介质击穿或爆炸都会导致母线故障。本文针对铁磁谐振对中性点非有效接地系统带来的影响，对电磁式电压互感器铁磁原理及现有的消谐措施进行分析，在各种情况下选择合适的消谐方式。

关键词 不接地系统；电压互感器；铁磁谐振；消谐措施

中图分类号TM45 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）78-0095-02

0 引言

在电力系统非有效接地系统中，由于技术和成本原因，广泛采用电磁式电压互感器（下面简称TV），电磁式电压互感器在单相接地、操作等外部因素激发的条件下，易发生铁磁谐振，使得TV受到谐振过电压和过电流的冲击。谐振过电压一旦发生，往往会造成电气设备的损坏或继电保护装置的误动，导致发生停电事故。为了尽可能地避免谐振过电压的发生，在设计时应进行必要的参数计算，采取适当的防止谐振的措施，在操作设备时应有合理的调度安排，尽量避免形成谐振回路。本文从变电站实际发生的一系列谐振过电压现象，对电磁式电压互感器引起的铁磁谐振及消除方法进行讨论。

1 电磁式电压互感器铁磁谐振过电压产生原理

在中性点非有效接地系统中，母线上常采用Y型接线的电磁式电压互感器，如图1所示，图中E为电源电势，C为线路等设备的对地电容，L为电压互感器激磁电感。

以图1为例，分析中性点非有效接地系统中电磁式TV谐振原理。

E1 + E2 + E3 =0，L1=L2=L3，故各相对地导纳Y1=Y2=Y3，中性点处在零电位，不会发生谐振现象。

当系统受到某种干扰，例如单相接地故障、系统运行方式的改变或电气设备的投切等，都可能出现相对地瞬间过电压及励磁电流的急剧增大，假设扰动致使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变小，以致三相励磁电感不相等，导致中性点电压发生偏移，由式（1）可知，如铁心饱和，电感下降，式（1）中的分母变小，如果参数匹配，便能产生谐振现象。

2 铁磁谐振的危害及主要消谐措施

由铁磁谐振产生的原理可看出，当谐振产生时，中性点电压升高，产生零序谐振过电压，过高的电压可能导致设备结缘损坏、设备击穿甚至爆炸及保护装置误动等。

随着供电网络的发展，特别是城区、开发区和大型工厂内部等电缆线路的日益增多，系统单相接地电容电流不断增加。当发生单相金属性接地故障时，流过故障点的短路电流为所有线路对地电容电流之和，造成故障点的电弧不易熄灭，导致过电压，很可能破坏设备结缘，发展成相间短路，造成停电或损坏设备的事故。同时，系统震荡时，会产生高次谐波和分次谐波，由于铁芯的磁特性的非线性，电感值会随这外部电压的变化而改变，由于频率低，铁芯磁通密度很高，TV线圈会产生很大的励磁电流而烧坏TV。

消除铁磁谐振的措施归纳起来主要有三方面：改变系统参数，使其不具备谐振条件，不易引起参数谐振；消耗谐振过程中产生的能量，消除谐振的发生；合理分配有功负荷，一般在轻载或空载条件下易发生谐振[1]。在电力系统实际应用中，常采用下述四种消谐措施：

1）在开口三角绕组接电阻或加装消谐装置

系统正常运行时，TV开口三角输出电压为零。当发生谐振时，中性点发生偏移，TV开口三角产生零序过电压，在TV开口三角处接入电阻，消耗谐振产生的能量，限制谐振过电压，电气原理图如图2。电阻可按R≤0.4 Xm选取，Xm为电压互感器在线电压下单相绕组的励磁电抗，电阻值越小，消耗谐振能量效果越显著，越能抑制谐振过电压，但电阻值太小的电阻并联在开口三角上，会影响TV的正常运行，严重时甚至会造成TV烧毁，因为电网的铁磁谐振频率往往不是单一的，所以这种方法难于消除所有频率的谐振。在实际应用中，由于装置性能欠佳等原因，TV开口三角接电阻消谐方法运行的情况并不理想所以这种方法难于消除所有频率的谐振。

实际应用中通常采用微机消谐装置消谐取代电阻，即在开口三角绕组并联微机消谐装置。正常运行和出现单相接地时，消谐装置不动作，运行正常无误。在电网发生铁磁谐振时，微机消谐装置导通，TV 开口三角被短接，谐振能量被消耗掉，当谐振消失后，装置恢复到断开状态。

但在实际应用中发现，在单相持续接地时，开口三角必须具备足够大的容量，且微机消谐装置在理论及制造上仍有不足，对单相接地故障及铁磁谐振的判断不够准确，如判断不准确，装置拒动，可能会导致谐振过电压烧毁设备等事故。

2）电压互感器一次绕组中性点经消谐电阻接地

一次中性点串入电阻相当于每相对地接入一个电阻，消谐电阻限制TV一次绕组中产生的励磁电流大小，消耗谐振能量，起到抑制谐振的作用，将高压侧绕组中的涌流抑制在很小的范围内，相等于改善了TV的伏安特性，避免形成谐振回路，电气原理图如图3。

从原理来看消谐电阻越大，消谐效果越好。但是，如果消谐电阻值过大，电阻过热易被烧毁，并且消谐电阻承担绝大部分零序电压，使TV开口三角输出电压值降低，这将会影响继电保护装置动作的灵敏度。

3）TV一次中性点经零序TV接地消谐

在中性点非有效接地系统中，采用抗谐振TV，原理就是在TV一次绕组中性点经一台单相零序TV接地。中性点经TV接地，使电磁式电压互感器等值电感大大增加，改善了电压互感器铁芯的励磁特性，容易满足XC/XT≤0.01的参数条件，提高了谐振最低动作电压的门槛，这样TV就不易出现饱和，避免了谐振的产生，电气原理图如图4。

正常运行时，中性点单相TV无电压，各相对地电压及相间电压正常。当出现谐振时，产生的零序电压几乎全施加在单相TV上，因此，单相TV的二次绕组电压能正确反应零序电压。在实际应用中必须注意，采用此种方法消谐，开口三角必须短接，否则单相TV不能正确反应零序电压。

4）系统中性点经消弧线圈接地消谐

在中性点不接地系统中，当单相接地电容电流过大时，接地点电弧不易自行熄灭，常采用在中性点加装消弧线圈的接线方式。当发生单相接地故障时，消弧线圈中产生电感电流，补偿因故障而产生的对地电容电流，限制了故障时的接地电流及接地弧光过电压。同时，加装消弧线圈相当于在TV每相并联一个电感，由于消弧线圈电感值较小，与TV电感并联之后使得TV电感值变小，破坏了参数谐振条件，抑制谐振的发生。但这种方式投资太大，且消弧线圈电感值过大时会使得暂态震荡更加激烈。

3 结论

在中性点非有效接地系统里，由于TV特性不好，铁芯易饱和，极易发生铁磁谐振。统计资料表明，铁磁谐振的大多数属于分次谐波谐振，小部分属于基波或高次谐波谐振。这些谐振的发生均会给电力系统及TV带来不良后果，造成过电压导致设备烧损的事故。

目前为止，我国大多数变电站采用TV一次中性点加单相TV消谐方法，从实际运行效果来看是最良好的，极少出现铁磁谐振过电压引起设备损坏的事故。加消谐装置的方法，由于消谐装置种类较多，效果不一，其他消谐方法各有优缺点，需根据实际情况选用合适的消谐方法。相对而言，采用TV一次中性点加单相TV消谐方法，能更有效的防止铁磁谐振。

参考文献

[1]赵吉东.配电网几种消谐措施的对比.西北电力技术[J]，2004：4.126.

[2]王亮，施围，沙玉洲，等.电压互感器三相励磁特性对铁磁谐振的影响[J].继电器，2005，33（2）：35-42.

[3]张烨，李中琴.铁磁谐振原理和反铁磁谐振的方法[J].应用科技，2010（9）：35-38.