一起由10kV电磁式电压互感器引起谐振的原因分析

[摘 要]：电压互感器是母线上的重要元件，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，防止电压互感器谐振应引起高度重视。文章对电磁式电压互感器引起铁磁谐振的原理进行了分析，并就某电网发生的一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；分析；措施

Abstract : voltage transformer is an important component in the bus, electromagnetic type voltage transformer ferroresonance caused by, the dielectric breakdown or explosion will cause the bus fault, prevent voltage transformer resonant should cause height to take seriously. The electromagnetic type voltage transformer ferroresonance caused by principles are analyzed, and a power of the ferromagnetic resonance phenomenon is analyzed, and puts forward some measures.

[Key words: voltage transformer; harmonic analysis; measures;

中图分类号： TM451 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

前言

在中性点不接地系统中引起电网过电压的原因很多，其中谐振过电压出现频繁，其危害性较大。过电压一旦发生，往往会造成电气设备的损坏甚至发生停电事故。由于谐振过电压作用时间较长，而且不能用避雷器限制，因此在选择保护措施方面有较大的困难。为了尽可能地防止谐振过电压的发生，在设计和操作电网设备时，应进行必要的估算和安排，尽量避免形成串联谐振回路，或采取适当的防止谐振的措施。本文联系一起实际过中压现象对电磁式电压互感器引起的铁磁谐振及限制方法进行了讨论。引起铁磁谐振过电压的情况有：切、合接有电磁式电压互感器的空载母线或空载短线配电变压器高压绕组对地短路用电磁式电压互感器在高压侧进行双电源的定相输电线路一相断线后，并一端接地，以及开关不同步动作。

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E1，E2，E3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。

但是，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。现在假定，由于扰动的结果，A相对地电压瞬间提高，这使得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Xc0为系统每相的容抗；Xm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；Ex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。从图2可以看出，随着比值的增大，依次发生1/2分次谐波、基波和3次谐波的谐振，同时所需的Em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

某变电站曾发生过多起由空载短线配电变压器高压绕组对地短路及变电站母线PT引起的铁磁谐振现象，严重的铁磁谐振过电压引起1号主变进线柜内避雷器多次炸裂及电压互感器一次熔断器多次熔断事故。

2.1谐振产生过程某站10 kV系统正常方式为单母运行。

10k V 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。正常运行时相电压应为61．8 V，当时谐振时实际上A、B、C三相电压分别升高到125 V、 125 V 、38V， PT开口三角3 U0电压为115 V。现场值班人员发现异常后拉开101Y隔离开关，并对10 kV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200 W灯泡，仍未消除谐振。

2．2谐振分析

某站10kV母线结构满足串联铁磁谐振发生的条件，即谐振是由带铁芯的非线性电感元件（电压互感器）及用户空载短线配电变压器高压绕组和电容元件（母线及线路对地电容）构成的回路产生；其次用户大功率的用电设备是谐振的诱发因素。

2．2．1 用二次负荷测试仪测得10kV母线对地电容为1.46μF，在工频状态下，三相对地容抗为：XA0＝352MΩ，XB0＝354 MΩ，XC0＝347 MΩ。

2．2．210 kV母线PT励磁电抗及电感计算该站使用的10kV母线PT为JDZ9-10D型电磁式电压互感器，变比为0.1kV//0.1kV//100/3，该型互感器的伏安特性(A相)U/V:28.86、43.30、57.7、69.3，对应的I/A：0.15、0.22、0.28、0.34。

取U=69.3V时的数据并折合到高压侧，计算空载励磁电抗及电感量

用户变经B相接地后空载励磁电抗及电感量X′′mA=2321 MΩ； XmA=X′mA+X′′mA=2346 MΩ。

2.2.3谐振类型的确定

XA0／XmA＝0.15在上式中由于受提供的测量数据所限，XmA不是额定线电压100 V下的励磁电抗值，从PT铁芯的饱和特性可知，在额定线电压100 V下的励磁电抗值将小于在69．3 V下的励磁电抗值，因此XA0／XmA的比值会大于0．15，对照图2，该比值处于基波谐振范围内。

在谐振状态下测得开口三角电压为135 V，它与工频电压叠加的结果使得相电压的有效值升高至Ux＝126 V。

实际测量三相对地电压，A、B相为125V，C相为38 V，与上述结果基本一致。

2．3谐振的危害

如果发生的是基频谐振，其特征是过电压很高，但流过电压互感器绕组的电流不大，所以常常使避雷器因过热而爆炸。

这几次谐振对变电站设备及电网的安全运行造成严重危害，直接影响了整个变电站的供电可靠率。同时为查找谐振产生的诱发因素花费了大量的人力和物力，曾多次更换烧毁避雷器及一次熔断器也造成了一定的经济损失。2．4谐振的解决

发生多次谐振后，在谐振发生后由于变电站设备未变更，故对变电站以外设备进行检查，在巡视配电线路时发现一用户配将其三相变压器当作单项变压器使用，即将高压侧三相跌落保险拉，将B相高压绕组接地，然后只合上A相跌落保险用电，当系统一有扰动就会引发了铁磁谐振现象的发生。发现后将用户通过空载短线配电变压器高压绕组对地短路接地点拆除后，铁磁谐振现象消失。

将10 kV母线电磁式电压互感器更换为电容式电压互感器，则可解决铁磁谐振的问题。电容式电压互感器对地呈现容性，从根本上失去了谐振的基础。这样就不会再发生因扰动使励磁电流突然增大而发生饱和的现象，从而防止了铁磁谐振现象的发生。但是，目前由于电容式电压互感器体积较大，而多数变电站10 kV一般使用开关柜体积较小，如果要更换为电容式电压互感器则安全距离就会有影响，改造开关柜则成本较高。3其它限制铁磁谐振的方法

其他防止谐振的措施还有：

a．给母线充电时采用线路及母线一并充电的方式。b．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。 c．采用先进的消谐装置，如消谐器。d．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。 e．在电磁式电压互感器的开口三角形中，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1 min，然后再自动切除。

f． 在母线上加装一定的对地电容（0.1～0.2μF）使——≤0.01，谐振就不能产生。

4结论

总之，当某变电站在某段时间内连续发生谐振现象，如果站内设备未发生改变就必须对变电站线路或用户设备进行排查，看是否有诱发谐振产生的因素。母线电磁式电压互感器与母线对地电容之间在电网有扰动（开关分合闸、瞬时接地等）情况下，构成串联谐振电路，引起铁磁谐振发生；谐振与母线电容大小，开关分合闸时相位，PT铁芯的V－A特性差异等因素有关；从而引发分频、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。