電壓互感器引起的諧振過電壓及防范措施

趙 融 上海鐵路局供電處

鐵路10 kV電力系統中由電壓互感器鐵芯深度飽和引起鐵磁諧振過電壓的情況時有發生。它持續時間長，能長時間自保持，是電壓互感器燒損甚至爆炸的重要原因，嚴重威脅電力系統的安全運行。近年來隨著鐵路客運專線的相繼開通，供信號用電的高壓線路大范圍應用電纜，配電網線路對地電容顯著增加，系統中發生單相接地或弧光接地故障時，極易引發系統內電壓互感器的飽和，激發諧振過電壓，導致電壓互感器燒損現象的發生。

1 故障現象及相關數據

京滬高鐵無錫東10 kV配電所自開通以來，間隔4次發生電壓互感器燒損的現象，以下為典型案例。2011年8月11日14：34左右，京滬高鐵無錫東10 kV配電所高壓室里有"嘭、嘭"聲響，隨后發現電源二N10母互二柜A相電壓互感器炸裂，接著N8柜電源二柜斷路器跳閘。隨即詢問供電局得知：14：20無錫供電局團結變10 kV張村線125保護動作跳閘，重合閘成功，同時10 kV一段母線接地，電壓A相10.3 kV；B相10.45 kV；C相 0.1 kV。

無錫東10 kV配電所內電源二受電柜毛刺曲線圖數據得知：

① 14：20，A 相 8.94 kV；B 相 9.91 kV；C相 1.48 kV。

② 14：26，A 相 9.07 kV；B 相 9.93 kV；C相 1.23 kV。

③ 14：36，A 相 0.07 kV；B 相 0.08 kV；C相 0.05 kV。

事故報文：

故障時，A相電壓 0.089 kV；B相電壓 6.648 kV；C相電壓 0.045 kV。

故障時，系統頻率為21.85 Hz。

14 h36 min18 s425 ms，電源二欠壓保護。

2 故障原因剖析

14:20無錫供電局團結變高壓饋出回路張村線C相接地，由于無錫東10 kV所電源二團結線與供電局故障回路張村線為同一母線，所內主母互二A、B相電壓上升為線電壓，C相電壓基本為0。故障時，系統頻率為21.85 Hz，從故障現象和故障時各相電壓的數據判斷電壓互感器鐵磁諧振的基波不是工頻，而是1/2分頻。因為頻率減半，電壓互感器鐵芯中磁密要比額定時大1倍，使鐵芯飽和，勵磁感抗急劇下降，而高壓繞組流過極大的過電流，導致電壓互感器一次電流劇增至原幾十倍乃至上百倍。A相PT嚴重過載造成無錫東10 kV所電源二團結線N10主母互二柜A相電壓互感器炸裂。后因供電局試拉饋出故障回路，致無錫東10 kV所電源二柜低電壓保護跳閘。

3 諧振過電壓理論分析

10 kV系統電壓互感器頻繁燒損嚴重威脅電力系統安全運行。通過對京滬高鐵無錫東10 kV配電所一系列故障的全面剖析，得出諧振隨著對地電容和電壓互感器起始勵磁電感的增大，依次發生高頻、基頻和分頻諧振。電壓互感器電感與系統對地電容并聯，構成如圖1所示的等值電路。

圖1 電壓互感器電感和系統對地電容的等值電路

圖1中，各相電壓互感器勵磁特性相同，鐵芯不飽和時，L1=L2=L3=L0（L0為鐵芯未飽和時的電感），三相對地電容基本相等，電源電勢EA、EB和EC為三相對稱電源，中性點O的電位U0。

式（ 1） 中，Y1為相對地導納，Y1=-j·1/ωLi+jωC0

正常運行時，EA+EB+EC=0，Y1=Y2=Y3，系統中性點電位U0為零。一般情況下，1/ωLi＜ωC0， 各相導納均是容性導納，不會出現諧振。但當系統受到某種干擾，如單相接地、雷擊、合閘操作等外部因素激發的情況下，使某一相或者幾相鐵芯飽和，恰好使Y1+Y2+Y3接近于零，便產生了諧振現象。

由式（1）得Y1+Y2+Y3接近于零的頻率就是回路的自振頻率，完全取決于系統對地電容 C0的大小和電壓互感器的勵磁特性 Li。 如果 C0·Li很大，回路的自振頻率ω就低，有可能出現分頻諧振。反之，如果C0·Li很小，回路的自振頻率ω就高，有可能出現高頻諧振。

根據Peterson試驗也得出結論：電壓互感器鐵心電感的伏安特性愈好越不易飽和，諧振所需阻抗參數Xco/XL越大(Xco是線路零序容抗，XL是電壓互感器額定線電壓下的感抗)。諧振區域與阻抗比Xco/XL有直接關系，1/2分頻諧振區域的Xco/XL約為0.01～0.08；基頻諧振區域的Xco/XL約為0.08～0.8；高頻諧振區域的Xco/XL約為0.6～3.0。當改變電網零序電容時Xco/XL隨之改變，回路可能出現由一種諧振狀態轉變為另一種諧振狀態。如果零序電容過大或過小就可脫離諧振區域即不發生諧振。

據相關試驗得到，分頻諧振電流為正常電流的240倍以上，工頻諧振電流為正常電流的40～60倍，高頻諧振電流更小。在這些諧振中，分頻諧振的破壞最大，如果電壓互感器的絕緣良好，工頻和高頻一般不會危及設備的安全，而分頻則能使電壓互感器燒損。由此，也間接推斷出京滬高鐵無錫東10 kV配電所電壓互感器鐵磁發生分頻諧振導致電壓互感器燒損的結論。

4 限制電壓互感器鐵磁諧振過電壓的防范措施

根據鐵磁諧振產生的原理，防止鐵磁諧振的發生，最有效的辦法是改變系統參數，設法改變電壓互感器的電抗或電力系統對地的容抗，破壞諧振產生的條件。在鐵磁諧振發生后，要有效地阻尼諧振的發展，消除其帶來的危害。

4.1 在電壓互感器開口三角繞組端口接消諧電阻

電力系統正常運行時，開口三角兩端的不平衡電壓很小，而當諧振發生時，中性點出現位移，開口三角兩端將出現較高的電壓，如果在開口三角兩端接上電阻，電阻將消耗能量，對諧振起到阻尼的作用。

但在單相接地故障時，開口三角兩端也出現較高的零序電壓，按規范規定允許系統繼續運行兩個小時，開口三角上的電阻過小，可能導致流過互感器的電流過大，持續時間過長而燒損。非線性消諧電阻就是通過對單相接地和鐵磁諧振的判別，選擇性地在鐵磁諧振時，在開口三角兩端接入不同電阻值，阻尼鐵磁諧振的發展，而在單相接地故障和其它不平衡電壓發生時不動作。

4.2 在電壓互感器高壓側中心點與地間接消諧電阻

電壓互感器高壓側中心點加裝消諧電阻，相當于在電壓互感器零序回路增加電阻，一方面部分零序電壓將施加在消諧電阻上，使電壓互感器的飽和程度降低，不至于發生鐵磁諧振消，另一方面消諧電阻限制了流過電壓互感器的零序電流，避免過大的電流流過電壓互感器引起互感器燒損。從消諧角度來說，消諧電阻越大，分擔的電壓就越高，電壓互感器鐵芯越不容易飽和，可以有效地阻止鐵磁諧振的發生。但是電阻過大，電壓互感器開口三角輸出電壓就相應降低，影響繼電保護裝置動作的靈敏性。消諧電阻采用非線性電阻，在電網正常運行時，消諧電阻上電壓不高，呈高阻值，防止鐵磁諧振的發生，而在單相接地時，消諧電阻上電壓升高，呈低阻值，可滿足電壓互感器開口三角電壓不小于80 V的要求，使其不影響接地保護裝置的工作。

4.3 系統中心點經消弧線圈接地

由于大量應用電纜，接地電容電流很大，發生接地后電弧不易熄滅，容易激發電壓互感器的飽和諧振過電壓和間歇性的弧光接地過電壓。系統中心點經消弧線圈接地能使系統阻抗參數盡量避開諧振區，對發生諧振較頻繁的一級貫通、綜合貫通回路，還應考慮將一貫母互、綜貫母互電壓互感器中性點改為經消弧線圈接地。諧振嚴重的變配電所可考慮在電源中性點裝設自動調諧接地補償裝置。

4.4 降低電壓互感器的磁通密度，改善其伏安特性

從Peterson的試驗可以看出，當Xco/XL≤0.01時，可有效地避免諧振的發生，為此選用勵磁特性飽和點較高的抗諧振低磁密度全絕緣電壓互感器，通過XL增加，使電壓互感器可以在系統有接地時，能夠長時間運行而不燒損。

5 結束語

鐵路電力系統中引起電網過電壓的原因很多，其中諧振過電壓出現相對頻繁，其危害性較大。一旦發生，往往會造成電氣設備的損壞，甚至發生停電事故，嚴重影響鐵路運行的安全可靠。

通過探討，我們知道限制電壓互感器鐵磁諧振過電壓的防范措施有很多，各有優缺點，鑒于京滬高鐵無錫東10kV配電所電壓互感器頻繁燒損的情況，第一種方案考慮到現場電壓互感器柜空間有限等因素，決定在電壓互感器開口三角繞組處接非線性消諧電阻，電壓互感器采用低磁密度互感器以及在電壓互感器高壓側增設高壓一次熔斷器的措施。第二種方案將主母互柜的電壓互感器加柜單獨引出，互感器使用全絕緣PT并加裝一次消諧器以及在電壓互感器高壓側增設高壓一次熔斷器的措施。所以在實際應用中，應根據電力系統實際情況，合理選用切實可行的消諧措施，以達到最佳消諧效果，才能確保鐵路供電的安全可靠。