電磁式電壓互感器諧振過電壓分析

鄧敏

【摘 要】本文結合電磁式電壓互感器引起鐵磁諧振的原理，就兩起鐵磁諧振現象做了分析，并提出了一些限制措施。

【關鍵詞】電壓互感器；諧振過電壓；措施

0 前言

在中性點不接地系統中，母線上一般裝設中性點接地的電磁式電壓互感器，由于電磁式電壓互感器低壓側的負荷很小，接近空載，高壓側具有很高的勵磁阻抗，在某些倒閘操作時，或者在接地故障消失之后，它與導線對地電容或其它設備的雜散電容間形成特殊的三相或單相諧振回路，并能激發起各種諧波的鐵磁諧振過電壓。

1 電磁式電壓互感器引起鐵磁諧振的原理

電壓互感器通常接在變電站或發電機的母線上，其一次繞組接成星型，中性點直接接地，因此各相對地勵磁電感L1，L2，L3與母線對地電容C0間各自組成獨立的振蕩回路。中性點絕緣系統中，接有電磁式電壓互感器的母線接線等值電路，見圖1，其中EA，EB，EC為三相電源電勢。

在正常運行條件下，勵磁電感L1=L2=L3=L0，故各相對地導納Y1=Y2=Y3=Y0，三相對地負荷是平衡的，電網的中性點處在零電位，即不發生位移現象。

當電網發生沖擊擾動時，例如開關突然合閘，或母線發生瞬間弧光接地現象等，都可能是一相或兩相的對地電壓瞬間提高。由于擾動，若A相對地電壓瞬間提高，使得A相互感器的勵磁電流突然增大而發生飽和，其等值勵磁電感L1相應減小，以致Y1≠Y0，這樣，三相對地負荷不平衡，中性點發生位移電壓。如果參數配合不當，恰好使總導納接近為零就會產生串聯諧振現象，中性點位移電壓急劇上升。此時，三相導線的對地電壓等于各相電源電勢和位移電壓量的向量和，向量疊加的結果，通常是兩相對地電壓升高，一相對地電壓降低，這就是基波諧振的表現形式。

圖2中H.A.Peterson曲線研究了產生各種諧波振蕩的條件，其中Xc為系統每相的容抗；XL為電壓互感器的單相繞組在額定線電壓作用下的對地勵磁電抗；U是電壓互感器事故前的運行相電壓；是電壓互感器的銘牌線電壓，U△為鐵芯電感的額定線電壓。從圖2可以看出，隨著Xc/XL比值的增大，依次發生1/2分次諧波（曲線1）、基波（曲線2）和高次諧波（曲線3）的諧振，同時所需的U也逐漸增大。當小于0.01或遠大于1時，便消除了諧振的條件。所以在考慮運行方式和系統操作時，力求改變電力網中的電感電容之比，以避免形成諧振條件。

2 電磁式電壓互感器引起鐵磁諧振的實例及分析

2.1 故障現象1及諧振分析

2.1.1 故障現象1

某鋼廠35/6kV變電站，三臺主變，三段母線帶三個PT，6kV I段母線上接有1組電容器、1組電抗器、三條架空出線線路及母線PT。該站曾發生一起諧振過電壓。當時A、B、C三相電壓同時升高，分別為4.7～5.3kV、4.6～6.5kV、1.8～4.8kV。現場值班人員通過拉出線，并對6kV系統一二次設備進行了詳細的檢查，發現二次設備及表計無異常，一次設備A、C相一次熔斷器熔斷。檢修人員在開口三角并接500W燈泡，仍未消除諧振，后來通過拉路來改變網絡的參數，諧振消失。

2.1.2 諧振分析

通過實測該站3臺PT的勵磁特性為3.464kV，50mA；4.8kV，100mA；5.4kV，107mA；3.464kV，50mA；6kV，120mA；6.6kV，130mA；計算單臺PT在線電壓下的勵磁電抗6000/120=50kΩ，三相PT總的電抗為XL=50/3kΩ，該變電所總對地電容為0.1μF， 用二次負荷測試儀測得6kV母線對地電容為1.46μF，Xc=31500Ω， 因此，Xc/XL=1.9，落在Peterson曲線高頻諧振區，應是高頻諧振，當拉線時，則Xc由原31500 Ω，因此，Xc/XL=2.45>2.28，落在Peterson曲線諧振區外，諧振消失。

用500W燈泡并接在PT的開口三角端口上，因白熾燈鎢絲電阻值冷熱態差異極大，現場試驗的消諧效果也不佳，因此只有用瞬時短接PT的開口三角才起到消諧效果。

2.2 故障現象2及諧振分析

2.2.1 故障現象2

某水電站的35kV中性點為不接地系統，電源側和負荷側的35kV 母線電壓互感器都采用4組中性點接地的電磁型PT。35kV系統某次出現瞬時單相接地，三相對地電壓依次輪流升高，表計指示在28kV左右，且三相電壓表指針有明顯的擺動現象，主變聲音時高時低，有一臺PT的熔絲熔斷，根據現象可判斷本次諧振為分頻諧振。

2.2.2 諧振分析

該水電站35kV線路總長為28km，系統單相接地時電容電流為Ic=2.8A，所以Xc=21.14kΩ。通過查閱相關資料，在額定線電壓下每組PT的感抗為1.75 MΩ， 4組的并聯電抗為XL=450kΩ， 所以Xc/XL=0.047， 落在Peterson曲線分頻諧振區內。

3 限制諧振過電壓的措施

諧振的危害是很大的，因此必須進行限制。在中性點不接地系統中，可采用下列措施消除PT飽和引起的過電壓：

3.1 選用伏安特性不易飽和的PT。

3.2 將母線電磁式電壓互感器更換為電容式電壓互感器，其對地呈現容性，不存在飽和的問題，從而防止了鐵磁諧振現象的發生。

3.3 給母線充電前先切除PT，充電后再投入PT，停母線時先切除PT，再拉開開關。

3.4 在電磁式電壓互感器的開口三角形中接入阻尼電阻或消諧器，加裝R≤0.4Xm（Xm為互感器在線電壓下單相換算到輔助繞組的勵磁電抗），或當中性點位移電壓超過一定值時，以零序過電壓繼電器將電阻投入1min，然后再自動切除。

3.5 在母線上加裝一定的對地電容，可以破壞諧振條件，使對地容抗Xc0滿足：Xc0/Xm<0.01。

3.6 操作中注意監視母線電壓，如電壓過高則立即改變方式，合上或拉開引起諧振的開關。

4 結論

電磁式PT與系統對地電容之間在電網有擾動情況下，構成串聯諧振電路，引起鐵磁諧振，引發分頻、基頻、高頻諧波諧振，造成電壓升高，電流增大等現象，對電力設備的安全穩定運行造成極大危害。因此在一定條件下應考慮采用電容式電壓互感器，并在操作中做好防止電壓互感器發生鐵磁諧振的措施，當諧振發生時應立即采取相應措施，消除諧振。

【參考文獻】

[1]水利電力部西北電力設計院，編.電力工程電氣設計手冊[M].中國電力出版社.

[2]電力系統內部過電壓保護及實例分析[M].中國電力出版社.

[責任編輯：湯靜]