小電流接地系統鐵磁諧振原因及消除

蔣文芳

(四川省電力公司內江隆昌供電局，四川 內江 642150）

一 鐵磁諧振的原因

圖1 電容和鐵芯線圈并聯

在小電流接地系統中，電源變壓器中性點不接地，母線上接有中性點接地的電磁式電壓互感器和出線。電壓互感器相當于一個非線性電感線圈，而母線和出線存在一定的對地電容，母線系統的對地電容與母線電壓互感器的電感組成電感和電容并聯回路。如圖1 所示：電容與鐵芯線圈并聯回路及向量圖。也可畫出U 與I 的變化關系曲線，如圖2，圖(a)中，曲線1 代表Ic 與U 的關系U＝f（IC），曲線2 代表IL 與U 的關系曲線，曲線3 表示總電流與U 的關系，曲線3 中的a、d 兩點分別對應于曲線1、2 中的n、m 兩點。為方便分析，也可以畫出U 與I 的變化關系曲線如圖2 所示：

圖2 并聯時電壓與電流的關系

（a）U=f (Ic)、U=f (IL)和U=f (I) (b)變換后的U=f (I)把曲線3 的彎曲部分oad 畫到縱坐標的右側，如圖2（b）所示，d 點的總電流I 為零，它是共振點，這時產生電流共振。電壓低于這一點時，電流是容性的，電壓高于這一點時，電流是感性的。oa 段是穩定區，ab 段是不穩定區，當電流逐漸增加到a 點時，電壓就有"飛躍"現象，由a 點到b 點的同時總電流的相位也翻轉180°，由原來的容性變為感性的，電流沿著bc 繼續上升，到達d 點時，產生諧振。

正常運行時，電源電壓較低，一般Ug

鐵磁諧振是因電壓互感器鐵芯在波動高電壓飽和而引起"躍變"過程。在鐵芯未飽和時，電感大，電路中電感起主要作用；飽和后，電感變小，電路中容抗起主要作用，所以有電流的相位起變化。

二、小電流接地系統鐵磁諧振

中性點不接地系統引起鐵磁諧振過電壓，從本質上來講，是因電磁式電壓互感器的非線性電感與系統中的對地電容構成的鐵磁諧振引起的。當諧振發生時，中性點出現顯著的位移，此時相電壓將發生變動，電網的對地電容與互感器的勵磁電感相匹配，且初始感抗應大于容抗。這是因在鐵芯電感與電容的并聯回路中，如在初始狀態（較低電壓下）XL >Xc，即二者并聯后相當于容性阻抗（C′），當在一定的外界"激發" 條件下，使電源電壓升高，鐵芯趨于飽和，XL 下降導致中性點位移。激發條件有：

1.帶有電壓互感器的空母線或者空載線路突然合閘充電，在這種情況下，即使三相斷路器同期，但是由于三相電壓相差120°，它們不可能在同時在同樣的條件下合閘，可能有的相過零電流時最大時合閘，這樣會在互感器繞組中流過幅值很大的不平衡涌流，導致鐵芯飽和。

2.因雷擊或者其他原因，使線路發生瞬間弧光接地，健全相電壓突然升至線電壓。

3.由傳遞過電壓也可以使電壓互感器達到飽和。如在電源變壓器的高壓側發生瞬間單相接地或斷路器不同期操作時，其零序電壓也會傳遞到接有電磁式電壓互感器這一側，在此傳遞過電壓下，造成互感器鐵芯飽和。

鐵磁諧振可以是基波諧振，也可以是分次諧波諧振、高次諧波諧振。其表現形式可能是單相，兩相或者三相對地電壓升高，或以低頻擺動，引起絕緣閃絡或避雷器爆炸；或產生零序電壓分量，出現虛幻接地現象和不正確的接地指示；或在電壓互感器中出現過電流，引起保險熔斷或互感器燒毀。

例如1998 年7 月26 日，當時大風雷雨天氣，35kv 隆昌變電站10kv 母線B 相間歇性接地，隨后不久就出現10kvⅠ、Ⅱ段母線接地光字牌亮，中央信號發出告警信號，10kv 母線電壓互感器聲音不正常。檢查發現10kv 母線電壓三相不平衡而且升高，且伴隨有電壓指示有波動，電壓表指針有顫抖現象，（A 相11.6KV、B 相6.8KV、C 相9.2KV），隨后就發生10KV 母線電壓互感器冒煙燒毀。從上面電壓互感器燒毀前、10KV 三相電壓有兩相電壓都同時升高，B 相電壓又沒降低，并發出10KV 接地信號來看，說明10KV 回路處于諧振狀態。母線電壓互感器聲音異常也說明當時互感器可能處于在飽和狀態。

下面分析產生諧振的原因：

在中性點不接地系統中，電源側中性點不接地，但是電壓互感器高壓側中性點是接地的，若Ca、Cb、Cc 為10KV 各相對地等值電容，La、Lb、Lc 為母線電壓互感器的一次側三相線圈對地阻抗（忽略線圈電阻），系統發生B 相弧光接地，此時，電壓互感器的鐵芯線圈相當于與電容并聯，原理接線圖如下圖3 所示：

這樣就構成了可能產生諧振的并聯回路，B相產生單相間隙弧光接地，產生間隙性過電壓，致使AC 兩相電壓升高，使得電壓互感器的鐵芯出現飽和或者接近飽和，阻抗變小，產生諧振的激發條件，從而產生諧振，此時，電壓互感器一次電流增大，磁通趨近飽和，有可能出現電壓互感器高壓側熔斷器熔斷，要么就會引起電壓互感器燒毀。由此看來，諧振引起的事故極為嚴重，故應采取積極有效的措施避免和消除諧振，保證系統的安全運行。

當小電流接地系統中對地容抗與對地感抗的關系符合Xc/ XL<0.01 時，則系統不會發生諧振，當0.01≤Xc/ XL≤0.1 時，系統能發生分頻諧振，當0.1≤Xc/ XL≤1 時，系統可能發生基波諧振，當1≤Xc/ XL≤4 時，系統可能發生高頻諧振。改變電網電容，Xc/ XL 隨之改變，如果電容過大或過小，就可以脫離諧振區域，諧振就不會發生，阻抗參數Xc/ XL 落在諧振區域內，也并不是每次都能激發起穩定的諧振，因為諧振的產生還與電壓沖擊，涌流大小等激發因素有關，因此，要避免鐵磁諧振的發生，應該破壞諧振的條件，使系統容抗降低，電抗增大，從而使Xc/XL 小于0.01，同時也要防止過壓激發因素。

三、消除諧振的措施

為防止和消除諧振，可以采取以下措施:

1.變參數躲開諧振區：（1）改變Xc，當XL不變時，減小或增大Xc，以改變Xc/ XL，在變電站母線上增加出線數，或在母線上加裝集中電容等。（2）改變XL，增大XL，使Xc/ XL<0.01，同樣可以避免諧振的發生。a、選用伏安特性較好的電壓互感器，使其工作點在伏安特性線性部分，這樣電容伏安特性與電感伏安特性曲線交叉點將向后移動，鐵芯不易飽和，提高諧振激發電壓，也就難于激發諧振。b、減少電壓互感器并聯臺數，這樣可以增大XL，另外減少電壓互感器的一次繞組中性點接地臺數，以增大系統中的感抗，使其Xc/ XL<0.01 成立。c、合理安排操作方式：對空母線合閘容易產生諧振的變電站在合閘前，可先投入母線上的一條空載出線，然后再向母線充電，以達到改變系統參數，躲開諧振區域的目的。d、裝設消弧線圈：中性點經消弧線圈接地，能幫助瞬間接地電弧熄滅，防止弧光接地過電壓，對10KV 單相接地電流大于30A，35KV 系統單相接地電流大于10A 的應裝設消弧線圈。e、提高斷路器檢修質量，保證開關三相合閘的同期性，消除開關三相不同期沖擊合閘引起的過電壓，激發諧振的可能性。

2.增大回路阻壓效應

1）在電壓互感器開口三角繞組兩端接入阻尼電阻或短接。

2）在電壓互感器高壓繞組中性點接入適當的電阻，阻尼流過高壓繞組和中性點的沖擊振蕩電流，避免鐵芯飽和。

3）采用零序電壓互感器，在10KV 電網中，采用零序電壓互感器是防止電磁式電壓互感器燒損的有效辦法。

4）采用新型的消諧裝置：a 、在電壓互感器二次側的開口三角上加裝可控硅消諧裝置，此裝置消除鐵磁諧振過電壓十分有效。 b、采用目前廣泛使用的LQX 消諧器，它是在電壓互感器中性點上串接LQX 非線性電阻，限制諧振的產生，消諧效果明顯。

3、在發生諧振時，可根據實際情況，采用投入備用線路；解列雙母線或者單母線分段，也可以斷開某一條出線等等以達到破壞諧振條件，消除諧振。

結束語

中性點不接地系統產生諧振的本質；由于母線電壓互感器的電感元件與母線、線路的對地電容組成并聯諧振回路，在外部激發條件的作用下，使鐵芯電感磁飽和而激發諧振，激發起持續的高電壓、大電流、使運行設備損壞，甚至造成事故。實際工作中，應根據運行方式采取適當的消諧措施，防止諧振的產生。

【1】陳仕鋼，張開賢，程玉蘭. 電力設備運行及事故處理[M].北京：中國水利水電出版社， 1991.

【2】楊傳箭. 電氣運行工人技術問答[J]. 北京：水利電力出版社1979.

【3】要煥年、曹梅月.電力系統諧振接地[J].北京：中國電力出版社2000.