電磁式電壓互感器鐵磁諧振及治理方法

摘 要：針對(duì)小電流不接地系統(tǒng)故障特征，分析了電磁式電壓互感器鐵磁諧振的特點(diǎn)以及過電壓原理，闡述了諧振所引起的相關(guān)危害，并針對(duì)性提出了相關(guān)治理方法。

關(guān)鍵詞：電磁式電壓互感器；鐵磁諧振；過電壓；治理措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.174

1 引言

電磁式電壓互感器目前被廣泛應(yīng)用于35kV以及以下電壓等級(jí)中性點(diǎn)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(hù)系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)以及相關(guān)測控裝置使用。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，能夠允許最長帶接地運(yùn)行2小時(shí)，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(dǎo)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。

2 鐵磁諧振產(chǎn)生機(jī)理

諧振本身屬于回路振蕩現(xiàn)象，同時(shí)伴隨過電壓，直到系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變，諧振條件受到破壞，否則可能長時(shí)間存在。根據(jù)諧振過電壓性質(zhì)不同，一般分為線性諧振過電壓、參數(shù)諧振過電壓以及鐵磁諧振過電壓。對(duì)于不接地系統(tǒng)，由于電磁式電壓互感器的存在，使得鐵磁諧振發(fā)生最為頻繁，大量含鐵芯的電感在外加電壓作用下表現(xiàn)出非線性運(yùn)行狀態(tài)。

在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，在故障點(diǎn)會(huì)流過較大的電容電流，非故障相對(duì)地電容則在線電壓的作用下，充滿大量電荷。而在單相接地故障消失的瞬間，故障點(diǎn)的電流通道被切斷，而非故障相電壓需要從線電壓下降至相電壓，此時(shí)非故障相對(duì)地電容積累的電荷只能從互感器一次側(cè)繞組對(duì)地進(jìn)行放電，也就是互感器一次側(cè)繞組中性點(diǎn)。這一過程中會(huì)對(duì)互感器一次繞組產(chǎn)生較大的沖擊電流，對(duì)于勵(lì)磁特性不好的互感器來說，會(huì)導(dǎo)致鐵芯短時(shí)內(nèi)嚴(yán)重飽和，進(jìn)而引發(fā)鐵磁諧振并產(chǎn)生高電壓，嚴(yán)重則會(huì)造成互感器與避雷器擊炸，對(duì)電網(wǎng)設(shè)備、人身安全以及可靠供電造成較大影響[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(shí)，因鐵芯飽和導(dǎo)致的鐵磁諧振及過電壓；另一種情況下當(dāng)變壓器空載合閘對(duì)母線充電時(shí)，電磁式電壓互感器的一次側(cè)繞組同母線對(duì)地電容之間形成振蕩諧振條件，從而導(dǎo)致過電壓。

不接地系統(tǒng)正常運(yùn)行，線路對(duì)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(duì)地阻抗主要表現(xiàn)為線路對(duì)地電容的容抗，此時(shí)三相較為平衡，諧振條件不成立。當(dāng)出現(xiàn)空載合閘或者間歇性弧光接地故障時(shí)，由于互感器三相繞組之間不同飽和度，中性點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)較大偏移電壓，滿足諧振條件時(shí)，將會(huì)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(shí)，中性點(diǎn)出現(xiàn)偏移電壓，且該偏移電壓為工頻電壓，此時(shí)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(dāng)發(fā)生諧波諧振時(shí)，系統(tǒng)中性點(diǎn)偏移電壓為諧波電壓，會(huì)出現(xiàn)三相電壓同時(shí)升高的異常現(xiàn)象[2]。此外，當(dāng)電磁式電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，不僅會(huì)造成設(shè)備過電壓，還會(huì)導(dǎo)致互感器開口三角兩側(cè)出現(xiàn)較大的零序電壓，從而形成接地告警，也就是常見的“虛假接地”現(xiàn)象，對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行造成較大影響。

已有研究分析得出相應(yīng)的諧振分類分區(qū)，也就是針對(duì)系統(tǒng)對(duì)地電容容抗與互感器等效感抗之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而表征出系統(tǒng)可能出現(xiàn)的諧振類型，即為H.A.peterson諧振分區(qū)理論 [3]。

4 鐵磁諧振的治理方法

鐵磁諧振的發(fā)生與系統(tǒng)初始參數(shù)、互感器鐵芯飽和特性、激磁電源頻率以及電容與互感器繞組接線方式均有關(guān)。因此針對(duì)諧振產(chǎn)生機(jī)理，可分析出相應(yīng)的防范措施。

（1）選用勵(lì)磁特性較好互感器。當(dāng)互感器勵(lì)磁特性不好時(shí)，鐵磁諧振情況下鐵芯飽和或?qū)е碌刃щ姼屑眲∠陆低瑫r(shí)零序電流急速上升，對(duì)設(shè)備絕緣形成較大沖擊。在投運(yùn)電磁式電壓互感器之前應(yīng)進(jìn)行勵(lì)磁特性試驗(yàn)，并保證三相互感器均保持勵(lì)磁特性的一致性，或者選用電容型電壓互感器。同時(shí)針對(duì)小電流接地系統(tǒng)可帶單相接地故障運(yùn)行2小時(shí)的特征，選用接地型互感器應(yīng)要求滿足“在1.9倍額定電壓的過電壓情況下，能夠連續(xù)運(yùn)行8小時(shí)”特性。

（2）盡量減少負(fù)荷側(cè)電磁式電壓互感器的運(yùn)行數(shù)量。從諧振分區(qū)理論來看，限制鐵磁諧振的直接途徑是改變諧振條件，在保證系統(tǒng)電壓參數(shù)獲取前提下，保證等效感抗值應(yīng)越大越好，此時(shí)應(yīng)保證系統(tǒng)運(yùn)行較少的電磁式電壓互感器。在單臺(tái)互感器勵(lì)磁特性較好時(shí)，若并列運(yùn)行數(shù)量較多，同樣會(huì)使得綜合勵(lì)磁特性較差，鐵磁諧振仍然會(huì)出現(xiàn) 。

（3）互感器一次側(cè)加裝消諧器。消諧器本質(zhì)上為一種非線性電阻，其工作原理是串聯(lián)在互感器一次側(cè)中性點(diǎn)上，在兩端低電壓情況下設(shè)備呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。通過直接改變系統(tǒng)感抗值，使得處于非諧振范圍。同時(shí)在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，消諧器承受高電壓，非線性電阻下降，不會(huì)影響接地保護(hù)裝置的判斷與操作。

（4）小電流系統(tǒng)安裝消弧線圈。在系統(tǒng)母線上加裝消弧線圈的本質(zhì)相當(dāng)于對(duì)電磁式互感器的勵(lì)磁電感上并聯(lián)消弧線圈等效電感，一般情況下由于消弧線圈等效電感要小很多，并聯(lián)等效結(jié)果相當(dāng)于將互感器等效電感短路，間接破壞諧振條件，起到抑制鐵磁諧振的作用。

5 結(jié)論

通過分析鐵磁諧振的機(jī)理以及分類，治理鐵磁諧振的根本措施在于分析鐵磁諧振發(fā)生原因，并針對(duì)性改變諧振發(fā)生條件，列舉了互感器選擇建議、減少鐵磁式電壓互感器運(yùn)行數(shù)量、一次側(cè)加裝消諧器＼加裝消弧線圈等治理措施建議，給配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行提供有效參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]周默，孫巖洲.電網(wǎng)中性點(diǎn)不同接地方式下鐵磁諧振的消諧研究[J].高壓電器，2015（01）：80-85.

[2]王盛陽.配電網(wǎng)鐵磁諧振過電壓的研究[D].浙江大學(xué)，2016.

[3]郭鳳儀，鄭龍飛，張建飛.電磁式電壓互感器鐵磁諧振特征[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，34（06）：750-753.

作者簡介：馬榮亮（1983-），男，河北隆化人，本科，工程師，從事電廠電氣一次設(shè)備檢修管理工作。