電壓互感器鐵磁諧振原因分析與消除對策

王海峰

摘要：眾所周知，一旦電力系統(tǒng)發(fā)生諧振，會導(dǎo)致電壓互感器電流增大，嚴(yán)重時會損壞母線電壓互感器，甚至?xí)?dǎo)致電壓互感器爆炸。鐵磁諧振的發(fā)生時間較長，且無法采取保護(hù)措施，因此，應(yīng)重視做好鐵磁諧振的預(yù)防工作，對選擇電壓互感器型號的過程中，對電壓值進(jìn)行合理估算，并設(shè)置科學(xué)的消諧方案，防范串聯(lián)諧振現(xiàn)象的發(fā)生，形成電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障。因此，探討電壓互感器鐵磁諧振解決方案，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：正鐵磁諧振；變壓器；電壓互感器；消除諧振

正鐵磁諧振是自激振蕩的一種形式，是由變壓器、電壓互感器等鐵磁電感的飽和作用引起諧振現(xiàn)象。本文在對電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振的機(jī)理進(jìn)行綜合闡述的基礎(chǔ)上，提出了消除諧振的方法，以期為相關(guān)人士提供參考。

1 電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振的機(jī)理

諧振是交流電路當(dāng)中獨(dú)有的一種現(xiàn)象，通常情況下，交流電路當(dāng)中出現(xiàn)了電感以及電容的串聯(lián)現(xiàn)象，會出現(xiàn)感抗等于容抗，從而造成諧振。一般來說，電力系統(tǒng)當(dāng)中，受到電容、電感等元件故障影響或者誤操作時，就會產(chǎn)生以諧振為代表的震蕩回路。諧振所具有的串諧特征，還會對某些系統(tǒng)元件產(chǎn)生不可逆的破壞性影響，其中電壓互感器在諧振影響下的表現(xiàn)十分明顯，這是由于電壓互感器作為鐵芯元件，而鐵芯在參與到回路當(dāng)中所形成的飽和電路會表現(xiàn)為非線性的電感參數(shù)，從而造成其嚴(yán)重破壞。就目前的電力系統(tǒng)諧振問題影響特征來看，諧振問題一般可以依據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分為并聯(lián)諧振以及串聯(lián)諧振兩種諧振類型，前者表現(xiàn)在小接地單流系統(tǒng)內(nèi)部，并聯(lián)狀態(tài)下的鐵磁諧振會使得電容互感器與電壓互感器在一次中性接地點(diǎn)的非線性電感之上，構(gòu)成諧振回路；而后者則是在大接地電流系統(tǒng)當(dāng)中產(chǎn)生。電磁式電壓互感器會通過非線性電感與斷路器斷口的電容共同構(gòu)成諧振回路。而在眾多諧振回路當(dāng)中，鐵磁電壓諧振出現(xiàn)最為頻繁，同時影響力也最大。筆者將產(chǎn)生原因總結(jié)為接地線路當(dāng)中的系統(tǒng)沖擊、空載線路擾動、斷路器三相不同期以及高壓保險(xiǎn)熔斷等幾個方面。由于鐵磁諧振會對電網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生損害，因此完善電壓互感器鐵磁諧振解決方案的制定，具有十足的必要性。通常情況下，與感抗相比，若電網(wǎng)容抗的數(shù)值較大，輕易不會產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象。若受開關(guān)突然合閘或者弧光接地的影響，則會對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成沖擊，使得感抗降低，產(chǎn)生諧振。圖 1 顯示，電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動，導(dǎo)致電流出現(xiàn)許多變化，由 I1 上升至 I2，這也在一定程度上導(dǎo)致了鐵芯飽和速率的增加，極容易對電壓互感器造成損害。除此之外，一旦電網(wǎng)的參數(shù)產(chǎn)生變化，也容易導(dǎo)致電網(wǎng)容量的降低，促進(jìn)了容抗的增加，這也在一定程度上形成了對電壓值的擾動，進(jìn)而為鐵磁諧振的發(fā)生提供了可能，誘發(fā)諧振現(xiàn)象。

2 電壓互感器鐵磁諧振的消除方法

2.1 改選具有性能優(yōu)勢的電壓互感器元件

通常情況下，電力系統(tǒng)當(dāng)中所出現(xiàn)的諧振現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為單相接地以及空母線突然合閘等結(jié)構(gòu)環(huán)境，大部分勵磁性能較差的電壓互感器設(shè)備，在發(fā)生諧振環(huán)境的電路當(dāng)中，會首先呈現(xiàn)出鐵芯工作點(diǎn)變化的趨勢，并快速進(jìn)入到飽和區(qū)，此時如果系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)相當(dāng)，就會發(fā)生大規(guī)模諧振。為了能夠改變電力系統(tǒng)環(huán)境，提高電壓互感器的應(yīng)對能力，需要針對電壓互感器的勵磁性能進(jìn)行調(diào)整。勵磁性能較高的電壓互感器能夠在電力系統(tǒng)當(dāng)中對勵磁電感進(jìn)行抑制，從而實(shí)現(xiàn)對于諧振過程中所產(chǎn)生電壓的控制。筆者建議，對于勵磁性能不佳的電壓互感器設(shè)備，可以更換為電容式電壓互感器，以此來提高其勵磁特性，防范鐵磁諧振事故的發(fā)生。

2.2 設(shè)定高壓側(cè)接地方式

在電力系統(tǒng)內(nèi)部，單相接地需要經(jīng)過接地開始和接地消失兩個過程，其中系統(tǒng)接地的開始需要經(jīng)由與地面聯(lián)通的方式，保證未完成接地的兩相電源電路形成通道，而在接地完成之后，整個電力系統(tǒng)的充放電過程，電路無法通過電壓互感器內(nèi)部的高壓繞組實(shí)現(xiàn)流通。因此，這種接地方式就能夠有效避免電壓互感器的鐵磁諧振問題。筆者認(rèn)為通過重新設(shè)定高壓側(cè)接地方式，可以引導(dǎo)中性點(diǎn)經(jīng)電阻完成接地，從而實(shí)現(xiàn)對于諧振產(chǎn)生條件的抑制。在接地消失之后，原有的金屬通道將不復(fù)存在，電流的流通則無法借助原有的流通途徑完成，此時電流會直接進(jìn)入到電壓互感器的高壓繞組當(dāng)中，受電的高壓繞組內(nèi)部，會依據(jù)三相儲電電荷進(jìn)行放電，此時高壓繞組會作為直流源直接與電感線圈進(jìn)行連接，并發(fā)生作用。電壓互感器鐵芯則會出現(xiàn)深度飽和。這種情況下，其所形成的接地相環(huán)境，等同于變壓器空載下的突然合閘，并出現(xiàn)了暫態(tài)涌流的疊加。為了對其加以處理，可以嘗試在高壓側(cè)中性點(diǎn)位置安裝 RO 電阻器，借助電阻器實(shí)現(xiàn)對于電壓互感器產(chǎn)生的電壓的分擔(dān)，避免諧振的產(chǎn)生。

2.3 裝設(shè)消弧線圈

一般的 10kV 電力系統(tǒng)當(dāng)中，針對出現(xiàn)的諧振問題以及電壓互感器鐵磁諧振影響問題，通常可以采用加裝消弧線圈裝置來實(shí)現(xiàn)抑制。在系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)內(nèi)部的中性點(diǎn)通過加裝消弧線圈裝置的方式，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部電感并聯(lián)，并作用于每一相勵磁電感當(dāng)中，同時，消弧線圈設(shè)備本身的電感值相比 PT 勵磁電感為低，因此 PT 等效下所出現(xiàn)的零序電感短路現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)對于參數(shù)匹配關(guān)系的打破，從而實(shí)現(xiàn)在源頭遏制諧振的產(chǎn)生。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，筆者更傾向于采用補(bǔ)償法進(jìn)行消弧線圈的安裝，這是由于消弧線圈本身具有較大的電感，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中比較復(fù)雜，而電感還會造成對于電力系統(tǒng)自身的影響。不過必須強(qiáng)調(diào)的是，消弧線圈裝置只適用于 10kV 電力系統(tǒng)，對于 35kV 以上的電力系統(tǒng)來說，消弧線圈裝置的安裝不但不會起到飽和庇振效果，甚至還會造成對于回路的破壞，需要選擇其他控制方式。

2.4 電力系統(tǒng)操作規(guī)范化

規(guī)范化的操作也是避免諧振問題影響擴(kuò)大的重要舉措，通過前文的產(chǎn)生原因分析，總結(jié)出電壓互感器鐵磁諧振的出現(xiàn)除了有電力系統(tǒng)自身裝置的問題之外，也包括部分人為因素的影響。因此在進(jìn)行諧振控制策略的研究時，提出了基于操作規(guī)范化的控制要求。具體來說，操作人員應(yīng)當(dāng)注重電路斷路器端口、電氣元件之間的關(guān)系。首先，電容器內(nèi)部的回路刀閘由于其帶斷口，因此操作人員不可以對其進(jìn)行電壓互感器母線合閘；其次，該類型的電容器，還不可以直接進(jìn)行空載母線的切斷。在必須進(jìn)行切斷的場合中，操作人員必須首先拉開電壓互感器設(shè)備，隨后在進(jìn)行母線的偷空。此時，母線偷空可以直接實(shí)現(xiàn)對于 TV 的斷開，并在切斷作業(yè)最終完成后進(jìn)行基于母線的送電。

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(dǎo)致電壓和電流在瞬間急速升高，對電網(wǎng)的安全運(yùn)行形成了挑戰(zhàn)。因此，應(yīng)注重改選具有性能優(yōu)勢的電壓互感器元件，合理設(shè)定高壓側(cè)接地方式，裝設(shè)消弧線圈，促進(jìn)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。

參考文獻(xiàn)

[1] 電磁式電壓互感器鐵磁諧振抑制方法分析[J]. 戴欽來，蘇文宇，周洪剛，熊華維. 電工技術(shù). 2017（08）

（作者單位：勝利油田北方實(shí)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司）