電壓互感器鐵磁諧振故障原因分析與處理

武兆亮

摘要：近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術(shù)的不斷進步，電磁式電壓互感器目前被廣泛應用于35kV以及以下電壓等級中性點不接地配電網(wǎng)中，其將一次側(cè)高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓供保護系統(tǒng)、計量系統(tǒng)以及相關(guān)測控裝置使用。當系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，能夠允許最長帶接地運行2小時，有可能使得電壓互感器鐵芯飽和，從而滿足鐵磁諧振條件而產(chǎn)生過電壓，輕則導致高壓限流熔斷器故障，重則造成互感器絕緣損壞或過熱損毀。

關(guān)鍵詞：電磁式電壓互感器;鐵磁諧振;過電壓;治理措施

引言

在鐵路10kV的電力系統(tǒng)中，大多數(shù)采用中性點不接地的方式。為了監(jiān)測鐵路電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，設置了大量的電磁式電壓互感器。因外界的擾動（例如線路的接地，倒閘操作等）導致互感器產(chǎn)生鐵磁諧振，激發(fā)出持續(xù)的過電壓和過電流，這種內(nèi)部過電壓，輕則造成電壓互感器一次側(cè)熔斷器燒毀，重則燒毀電壓互感器或炸毀絕緣子，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。

1電壓互感器鐵磁諧振產(chǎn)生機理及激發(fā)因素

1.1鐵磁諧振產(chǎn)生機理

在中性點不接地的系統(tǒng)中，出于保護的需要，電壓互感器的中性點是直接接地的。正常運行情況下三相阻抗對稱，系統(tǒng)中性點位移基本接近于零，電壓互感器的勵磁感抗很大，勵磁電流很小。此時勵磁感抗大于線路對地電容的容抗。當出現(xiàn)一個激發(fā)條件，電壓互感器的三相鐵芯出現(xiàn)不同程度的飽和，使得互感器勵磁電感L變小，勵磁阻抗發(fā)生變化，中性點發(fā)生位移。當參數(shù)配合恰當，就會產(chǎn)生鐵磁諧振。

1.2鐵磁諧振激發(fā)因素

鐵磁諧振激發(fā)因素包括：①單相接地;②線路斷線;③線路非同期合閘操作;④電力系統(tǒng)瞬間過電壓;⑤電磁式電壓互感器突然投入運行。

1.3鐵磁諧振分類

電磁式電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振一般可表現(xiàn)為兩種形式：一種情況下由于系統(tǒng)發(fā)生斷線、間歇性弧光接地故障時，因鐵芯飽和導致的鐵磁諧振及過電壓;另一種情況下當變壓器空載合閘對母線充電時，電磁式電壓互感器的一次側(cè)繞組同母線對地電容之間形成振蕩諧振條件，從而導致過電壓。 不接地系統(tǒng)正常運行，線路對地電容與電磁式電壓互感器一次繞組之間感抗形成并聯(lián)回路，由于等效感抗一般均較大，電網(wǎng)對地阻抗主要表現(xiàn)為線路對地電容的容抗，此時三相較為平衡，諧振條件不成立。當出現(xiàn)空載合閘或者間歇性弧光接地故障時，由于互感器三相繞組之間不同飽和度，中性點會出現(xiàn)較大偏移電壓，滿足諧振條件時，將會引起諧振過電壓。 根據(jù)鐵磁諧振發(fā)生頻率不同，可分為基波諧振以及諧波諧振。其中基波諧振也稱為工頻諧振，諧波諧振又可分為分頻諧振與高頻諧振，分頻諧振主要是1/2、1/3、1/5次諧波引發(fā)，高頻諧振主要為2、3、5次諧波引發(fā)。系統(tǒng)發(fā)生工頻諧振時，中性點出現(xiàn)偏移電壓，且該偏移電壓為工頻電壓，此時系統(tǒng)電壓出現(xiàn)一相或兩相電壓升高并伴隨一相電壓降低。當發(fā)生諧波諧振時，系統(tǒng)中性點偏移電壓為諧波電壓，會出現(xiàn)三相電壓同時升高的異?，F(xiàn)象。

2鐵磁諧振故障案例分析及處理措施

2.1故障現(xiàn)象和原因分析

以京滬高鐵無錫東站為例，10kV配電所高壓室內(nèi)某日突然發(fā)出“嘭、嘭”聲響，二號電源母互柜（N10）電壓互感器A相冒煙，與此同時二號電源斷路器柜（N8）的斷路器跳閘，經(jīng)查找發(fā)現(xiàn)是由于供電局線路單相接地造成。具體分析如下。（1）供電局線路C相接地，其饋出至無錫東站10kV配電所電源線A、B相電壓上升為線電壓，使得電壓互感器鐵芯飽和，產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓致使電壓互感器炸裂。（2）設計缺陷。該電壓互感器在京滬高鐵開通之前曾發(fā)生過同樣的問題，后加裝了20Ω 600W普通的消諧電阻沒有效果;電壓互感器（半絕緣）抗過載能力差，在供電系統(tǒng)為10kV不接地系統(tǒng)且線路發(fā)生單相接地故障時，對地電壓數(shù)值會由相電壓升高為線電壓;電源進線柜未設母線零序過壓保護，使其既不能報警也不能出口跳閘。

2.2處理措施

（1）將電壓互感器的工作電壓等級提高到12kV，并采用全絕緣。（2）一次側(cè)加高壓熔絲保護。磁飽和時電壓互感器一次側(cè)電流會劇增至原幾十倍乃至上百倍，因此采取一次側(cè)镕絲保護。（3）設置2分頻的二次消諧器?？紤]到電壓互感器鐵磁諧振的基波不是工頻而是2分頻，因此針對2分頻配置二次消諧器。

3常用鐵磁諧振消諧措施

3.1電壓互感器一次側(cè)中性點經(jīng)電阻接地

中性點接入電阻接地，稱之為一次消諧，電阻也稱為消諧器。這個電阻可以是線性的，也可以是非線性的，中性點串入電阻后，在線路發(fā)生單相接地時，可以降低非故障相的對地電壓，抑制涌流，減小電壓互感器繞組的飽和度，降低鐵磁諧振的可能性。消諧電阻越大，消諧效果越好。一次消諧器只能保護本互感器，對電網(wǎng)中其他互感器消諧不起作用。采用這種消諧方式要考慮消諧器的熱容量，如果熱容量選擇不當，容易導致引線燒斷、消諧器燒毀等故障，從而失去消諧作用。另外，單相接地故障時，消諧電阻承擔了大部分的零序電壓，使得開口三角形處電壓降低，影響繼電保護的靈敏度。再者，在中性點不直接接地的情況下，在發(fā)生單相接地時電壓互感器的中性點對地電壓或達到數(shù)千伏，對電壓互感器的絕緣要求高，因此，不能使用半絕緣的電壓互感器，應采用全絕緣的互感器。

3.2電壓互感器二次側(cè)三角形開口處裝設電阻

在電壓互感器二次側(cè)的開口三角形處裝設電阻，稱為二次消諧。在正常情況下，開口三角形兩端電壓為零，電阻呈現(xiàn)高阻態(tài)。當發(fā)生單相接地時，開口三角形兩端有電壓，電阻呈低阻可以消耗諧振的能量，可以抑制鐵磁諧振過電壓，其電阻越小，消耗諧振能量的效果越顯著。但是由于流過較大的電流，電壓互感器容易過載，在諧振時間較長時，甚至會導致互感器镕絲熔斷或者互感器燒損。現(xiàn)在普遍采用微機消諧器來進行二次消諧，微機二次消諧器的工作原理是：在開口三角形處并聯(lián)2只反向晶閘管，2只晶閘管由單片機控制，正常運行或單相接地時，裝置不動作。一旦判斷出發(fā)生鐵磁諧振，2只晶閘管交替觸發(fā)導通，開口三角形處被短接，此時通過消耗能量來消除諧振，諧振消除后，晶閘管恢復阻斷狀態(tài)。開口三角形處短接時間較短，一般不會對互感器造成影響，但是，消諧器一旦晶閘管關(guān)斷失效，開口三角形處將始終處于短路狀態(tài)，如果發(fā)生單相接地時，大電流會燒毀互感器。

3.3采用消弧線圈

消弧線圈的感抗遠遠小于電壓互感器的感抗值，在系統(tǒng)中性點上接入消弧線圈，相當于電壓互感器并聯(lián)了1個線圈，改變了系統(tǒng)中電感L的數(shù)量，破壞了諧振條件，并且在有了消弧線圈之后，減小了流過電壓互感器的電流，防止了電壓互感器事故的發(fā)生。

3.4采用勵磁特性好的電壓互感器

伏安特性好的電壓互感器，在一般過電壓下不會進入飽和區(qū)，不易構(gòu)成參數(shù)匹配而引發(fā)諧振。從某種程度來說，這是一個治本的措施。

結(jié)語

綜上所述，受變電站電壓互感器電壓突然變化的影響，極容易誘發(fā)鐵磁諧振現(xiàn)象，開關(guān)合閘、對地電容以及鐵芯特性均是鐵磁諧振的影響因素。一旦產(chǎn)生鐵磁諧振，會導致電壓和電流在瞬間急速升高，對電網(wǎng)的安全運行形成了挑戰(zhàn)。因此，應注重改選具有性能優(yōu)勢的電壓互感器元件，合理設定高壓側(cè)接地方式，裝設消弧線圈，促進電力系統(tǒng)操作規(guī)范化，從根源上防范鐵磁諧振的產(chǎn)生。

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