电磁式电压互感器的铁磁谐振

电磁式电压互感器的铁磁谐振#1电磁式电压互感器的铁磁谐振作者：中山市泰峰电气有限公司徐世超来源：输配电产品应用变压器及仪器仪表卷总第80期摘要：电磁式电压互感器和电容式电压互感器都能满足对电网的计量和保护作用。

从性价比分折此两种互感器的优劣，提出呈容性SF6绝缘电磁式电压互感器为高压电压互感器的最佳选择，呈容性树脂绝缘电磁式电压互感器为中压电压互感器的最佳选择之一。

关键词：电磁式电容式电压互感器电磁谐振呈容性的电磁式电压互感器1电磁式电压互感器（以下简称PT）1.1原理一次、二次线圈通过铁芯电磁感应，将高电压变换成标准低电压（100；100/3；V），供计量及保护用。

PT入端阻抗为电抗（感抗性质）。

电网的所有元件中，入端阻抗为容抗（XC）性质的有：输电线对地电容；耦合电容器；断路器断口的并联电容及电容式电压互感器（以下简称CVT）。

入端阻抗为感抗（XL）性质的有：PT、变压器及电抗器。

当电网正常操作（断路器投切）出现的操作过电压或大气过电压时，电网会因铁磁谐振（电网中容抗与感抗相等）而烧毁电网的某些元件（例：PT）。

由于变压器和电抗器在工作电压及过电压时其产品处于铁芯饱和状态，产品的入端阻抗值基本不变，而PT在电网电压改变时自身的感抗值可能会与电网的容抗值相等发生铁磁谐振烧毁PT。

所以，在电网中所有的元件中，仅要求PT应避免铁磁谐振的发生。

1.2结构按电压等级不同，主绝缘介质为：油纸绝缘；SF6气体绝缘；环氧树脂绝缘。

1.3特点PT准确度不受外界因素（环境及运行温度、电源频率、环境污染）的影响，其误差值是稳定的；一次与二次变换是瞬间发生的，无暂态响应问题（PT为电抗元件，不是储能元件）；存在铁磁谐振问题（PT的入端阻抗可能会因电网过电压使其与电网容抗相等）可能烧坏PT。

2电容式电压互感器2.1原理电网的一次高电压经电容分压器抽取较低电压值（例：15~20kV)，其等值阻抗为容抗（XC）性质，与电磁单元（中间变压器和补偿电抗器）的阻抗为感抗性质（XL）相等。

即达到CVT的理想工作状态（二次回路XC≈XL）时，互感器内阻最小，CVT误差随负荷变化最小；CVT输出容量最大，此时是CVT的正常工作状态。

2.2结构按电容分压器与电磁单元连接方式分为○1叠装式电容式电压互感器：电容分压器叠装在电磁单元之上，中间变压器的一次高压线由电容分压器内部引线到电磁单元，中压接线封闭在产品内部。

结构紧凑。

○2分装式电容式电压互感器：电容分压器和电磁单元分开安装，电磁单元有外露套管与电容分压器的中压端子在外部接线。

电容分压器为充油式电容器；电磁单元为变压器油绝缘。

2.4优点⑴电容式电压互感器是经电容分压器与电网连接，不存在非线性电感，与电网不发生铁磁谐振。

⑵承受高电压的电容分压器内部电场分布较均匀，具有耐受雷电冲击能力强的特点。

⑶超高压（＞500kV）电容式电压互感器的价格比电磁式电压互感器便宜，因为，电容式电压互感器随电压等级增加，其电磁单元基本不变，仅增加电容分压器的价格（增加电容分压器节数的价格）。

而电磁式电压互感器随电压等级增加，其绝缘结构随之复杂，使其价格按比例增加。

⑷可兼作耦合电容器使用，用于载波通讯（由于目前移动通讯成本很低，用电容式电压互感器作此用途己较少了）。

2.5缺点：⑴电容式电压互感器内部可能发生低频谐振CVT内部是由XC及XL组成，而XL是非线性电感，当电网正常运行或/和出现过电压时，可能发生铁磁谐振(此谐振不会波及到电网，仅会烧毁CVT)。

为了限制此过电压，尽管在电磁单元内的中间变压器高压侧加装避雷器和阻尼器，但不能保证能完全起作用。

若避雷器动作后，必须停运更换避雷器。

它不能根本消除铁磁谐振的发生。

⑵电源频率影响互感器的误差电容式电压互感器工作原理是在电容分压器抽取电压后经电磁变换后得到低电压。

电容分压器的电容量C1、C2值是随电网频率f而改变。

当电容量变化后，电容式电压互感器的理想工作状态（XC≈XL即接近串联谐振）发生变化，导致互感器的误差改变。

电源频率变化的标准为50Hz±1%时，XC的变化可达±2%，可见电容式电压互感器的误差受频率影响的程度。

⑶环境污染程度对误差的影响环境(特殊气候和污秽条件)的污染情况会在电容分压器的伞裙上形成分布的杂散电容和泄漏电流，此分布电容直接与电容分压器的C1、C2并联，改变了电容式电压互感器的XC值，从而对误差产生影响。

⑷CVT运行时温度对误差的影响电容分压器的绝缘介质为聚苯烯薄膜和绝缘纸复合，绝缘介质受温度的改变使得电容温度系数也变化，此影响到电容分压器的C1及C2值变化。

最终使得CVT误差变化。

叠装式结构的电容式电压互感器，电容分压器的C2值与电磁单元在一体内，受电磁单元运行时温度升高影响大于C1。

C1与C2电容值增加的比例不同，抽取的电压变化，因而误差变化。

分装式结构的电容式电压互感器，由于电容分压器与电磁单元是分体的，电磁单元的运行温度不会对C2有影响。

⑸CVT“滞留电荷”现象对误差的影响当电网正常操作停运被切断，电荷可能滞留在线路上而未采取措施接地或放电时，电网再次接入时电容分压器的C2将重新充电[-Up(C1/C2)]，并按电磁单元确定的时间常数衰减，此电压叠加在正弦波信号上，会对误差造成很大的影响。

⑹叠装式结构的电容式电压互感器不便于作监督试验电容分压器的C2与电磁单元不能分开作试验，其绝缘状态在现场难判断；中压连线在装配时易产生与电磁单元之间闪络放电；运输必须整体，不能与电容分压器分开运输。

运输较难，尤其是电压等级越高越突出。

分装式结构的电容式电压互感器无此问题。

⑺CVT不宜做关口计量用电压互感器由于温度（环境及产品运行的温升）；电源频率；污秽条件(杂散电容和泄漏电流)；“滞留电荷”等因素对电容式电压互感器的误差影响，而这些因素在产品制造和运行中不可避免的，因此有些省局规定电容式电压互感器不宜做关口点计量。

对此点，为说明问题，摘录“IEC60044-5:2002电容式电压互感器”有关准确度论述章节：a)9.8准确度试验9.8.1一般要求：注2：目前的运行经验表明，CVT可以满意地作为0.5级使用。

温度的突变，特殊气候和污秽条件，杂散电容和泄漏电流皆会影响电压误差和相位差。

这些仅用理论方法可计算的影响，对于准确度较高的CVT极其重要。

b)10.6准确度检验注2：○1当CVT在其温度和频率的各参考范围内使用时，用裕度考虑温度和频率所引起的误差变化。

允许值由温度和频率影响同时出现的最不利情况来确定。

裕度取决于电容器介质的类型及其结构。

图1的误差图中画出了20%+裕度。

裕度由制造厂决定。

○2如果是在完整的CVT上作准确度检验，要对温度和频率的综合影响而增加一些裕度。

图1用等效电路作准确度（1.0级）检验的误差图2.6产品绝缘性能的分析产品的高压主绝缘由电容分压器承担。

电容分压器内部的电场分布均匀，在制造过种中保证电容器的清洁度是绝缘性能可靠的关键。

产品内部发生铁磁谐振是对运行造成严重绝缘隐患。

传统的电磁单元为了防止铁磁谐振过电压，在中间变压器的高压侧装有避雷器，但仍不能完全保证将过电压限制，在运行中时而烧坏产品。

有的厂家将改善中间变压器的设计，使中间变压器本身的入端阻抗从感抗性质改变为容抗性质。

这样，从电容式电压互感器的等值电路可见，在过电压因数不超过1.5倍内，电容分压器的容抗与电磁单元的容抗不可能发生铁磁谐振。

这样，产品不会出现铁磁谐振过电压，在此种产品内，己取消中间变压器一次侧的避雷器。

2.7电容式电压互感器准确度计量作为电压互感器的基本性能之一，互感器的准确度必须保证。

由于电容式电压互感器是从电容分压器抽取一个中间电压送入电磁单元，经电磁变换后降到标准低电压，供计量和保护用。

它的工作状态是容抗与感抗接近相等（串联谐振），此时产品的准确度最高、误差随负载变化最小，输出容量最大。

但是在运行中，有多种因素影响从电容分压器抽取的电压值，因而互感器的输出值改变，也就是说，误差偏离出厂值（己调整好的数值）。

影响因素电容分压器的电容值的因素：○1电源频率。

○2电磁单元的温升对电容分压器电容C1、C2的影响不同，造成抽取电压变化。

○3环境污秽条件不同对电容分压器外绝缘套管的分布电容，使电容C1、C2的影响不同，造成抽取电压变化。

○4“滞留电荷”现象对误差的影响。

因此，电容式电压互感器不宜做关口计量。

3电磁式电压互感器的铁磁谐振问题3.1铁磁谐振机理3.1.1谐振引起的暂时过电压谐振可能是线性的，也可能是非线性的。

铁磁谐振是属于非线性谐振。

非线性谐振时，其谐振频率可能是电源频率（基频谐振）、或其分数（分次谐波谐振）、或其一定的倍数（偶次或奇次谐波谐振）。

在有大电容元件（如串联补偿电容器、电缆等）和具有非线性磁化的电感元件（如变压器、电磁式电压互感器等）的回路内，由于操作或负载突变，可能激发起不同类型的非线性谐振过电压，其持续时间与激发的起因、回路本身的特性有关，或者是稳定的，或仅持续一定时间。

此类谐振过电压可分为：⑴基频铁磁谐振：○1在中性点不接地系统中，当空载母线合闸或单相接地，且由于各相电磁式电压互感器的饱和程度不同，可能产生基频铁磁谐振。

○2带空载母线或轻载变压器的线路中，非全相操作或断线，形成电容与非线性电感的串联电路，且该回路总阻抗为容性时，过电压将较高。

基频铁磁谐振过电压通常被铁芯饱和所限制。

⑵分次谐波谐振在串联补偿电容器、并联电抗器的串联回路和电磁式电压互感器与母线对地电容并联回路内，如作用电压、回路参数（电容值、含铁芯的电感线圈线性部分的电感值、电阻值、饱和后的磁化特性等）满足一定条件时，可因操作而激发起分次谐波谐振过电压（一般为1/2次谐波）。

⑶高次谐波谐振由变压器供电的轻负载线路，如果由变压器或电磁式电压互感器的激磁支路看去，系统的线性部分的自振频率恰与变压器激磁电流的某一谐波频率相等时，会出现奇次谐波谐振过电压。

由于电感周期性变化，在一定条件下可能激发起基频、偶次谐波谐振。

含铁芯电感线圈接入电源或开断故障时，其磁路内将有过渡过程一非周期性励磁出现，这将使激磁电流内的偶次、奇次谐波，如其外的系统的线性部分的自振频率恰与励磁电流的某一频率相等时，会出现偶次、奇次谐波谐振过电压。

3.1.2谐波谐振过电压电磁式电压互感器的励磁特性为非线性，它与电网中的分布电容或杂散电容在一定条件下可能形成铁磁谐振。

一般情况下电压互感器的感性电抗大于电网的容性电抗。

当电力系统正常操作或某种情况产生暂态过程时，需要断路器切合线路(尤其是切合空载母线)时，会出现操作过电压，引起互感器的工作点移动，严重时可能出现饱和，此时在电压互感器感抗降低的过程中，当与电网的容性电抗恰好匹配时，将出现铁磁谐振。