铁磁谐振对电压互感器的危害及防范措施

铁磁谐振对电压互感器的危害及防范措施

【摘要】通过电力系统中实际案例说明分析了产生铁磁谐振的原因和产生的条件，总结了运行中经验教训，提出防止铁磁谐振的措施，最后问题得到圆满解决。

【关键词】铁磁谐振；电压互感器；接地

1.事故发生

大连西咀热力有限公司在2005年10月9日6：10 电气后台机报10kV系统接地，6：17分主母10kVII段PT发生爆炸起火，导致电厂供电2#联络线的213乙开关跳闸，全厂停电。事故后检查发现厂外10kV系统发生间歇性单相弧光接地，两相对地电压突然升高，使得中性点发生位移，电磁式电压互感器励磁电流突然增大而发生饱和，产生了严重的铁磁谐振过电压，过电压引起TV柜相间放电击穿，发生电弧短路，并对外壳放电，引起三相短路接地故障，从而烧坏TV 柜。由于厂区内10kV高压设备众多，经常出现设备在运行中发生单相接地事故，通过录波仪记录曾多次检测到开口三角电压不稳定，超过100V。

2.电压互感器产生磁谐振的原因

产生铁磁谐振的必要条件是电压互感器的感抗XL大于与之并联的线路对地容抗Xc，即XL>Xc，两者并联后为一等值电容，系统网络的对地阻抗呈现容性，电网中性点的位移基本接近于零。当有一个激发条件时，电压互感器中性点电压发生位移，相电压升高，位移电压可以是工频，也可以是谐波频率，主要有分频和高频，在过电压的作用下，电压互感器三相铁芯将出现不同程度的饱和，饱和后的电压互感器励磁电感变小，系统网络的对地阻抗趋于感性。当系统网络的对地感抗与对地容抗相互匹配时，就产生了铁磁谐振。其主要特点为：

（1）谐振回路中铁心电感为非线性的，电感量随电流增大、铁心饱和而趋于平稳。

（2）铁磁谐振需要一定的激发条件，使电压、电流幅值从正常工作状态转移到谐振状态。如电源电压暂时升高、系统受到较强烈的电流冲击等。

（3）铁磁谐振存在自保持现象。激发因素消失后，铁磁谐振过电压仍然可以继续长期存在。

（4）铁磁谐振过电压一般非常高，过电压幅值主要取决于铁心电感的饱和程度。

在中性点不接地系统中，发生如下情况可能激发铁磁谐振：

（1）线路发生接地或断线故障。

（2）电气高压系统的倒闸操作及运行方式的改变。

（3）系统负荷发生较大的波动或不平衡变化。

（4）断路器非同期合闸引起系统冲击等。

3.铁磁谐振的分类

铁磁谐振根据系统发生时频率的不同分为：低频谐振（又称分频谐振）、高频谐振和基频谐振。

3.1低频谐振

当系统对地分布电容的容抗Xc与电压互感器感抗XL的比值较小时（在0.01～0.07），发生分频谐振。电容和电感在振荡时能量交换所需的时间较长，振荡频率较慢。如为50 Hz的1/2，1/3，1/4等，故称为分频谐振。其表现为：

（1）过电压倍数较低，一般不超过2.5倍的相电压。

（2）三相电压表的指示数值同时升高，而且有周期性的摆动，线电压指示数正常。

3.2高频谐振

当系统对地分布电容的容抗Xc与电压互感器感抗XL的比值较大时（在0.55～2.8），发生高频谐振，这时线路对地电容较小，振荡时的能量交换较快，谐振频率往往是50 Hz的3，5，7倍等，故称之为高频谐振。其表现为：

（1）过电压倍数较高。

（2）三相电压表指示值同时升高，最大值达相电压的4～5倍，线电压基本正常且稳定。

（3）谐振时过电流较小。

3.3基频谐振

当系统对地分布电容的容抗Xc与电压互感器感抗XL的比值接近1时，发生的谐振频率与电网频率相同，故称之为基频谐振，其表现为：

（1）三相电压表中指示数值为两相高，一相低，线电压正常。

（2）过电流很大，往往导致电压互感器熔丝熔断，甚至烧毁电压互感器。

（3）过电压倍数在3.2倍相电压以内，伴有接地信号指示，即虚假接地现象。

4.预防铁磁谐振的措施

根据电压互感器铁磁谐振产生的原因分析得出，消除铁磁谐振主要从两方面进行，第一是改变系统中电感和电容参数，防止出现感抗与容抗相互匹配而产生谐振过电压，第二是采取有效方法消耗谐振产生的能量，减小谐振产生的危害和影响。

4.1改变系统中电感和电容参数

（1）选用不易饱和的电压互感器或三相五柱式电压互感器。

（2）减少系统中并联电压互感器的台数，尤其是限制中性点接地电压互感器的台数。

（3）在三相电压互感器一次侧中性点串接单相电压互感器，使三相电压互感器等值电抗显著增大。

（4）每相对地加装电容器，使网络等值电容变小，网络等值电抗不能与之匹配，从而消除谐振。

（5）系统中性点装设消弧线圈。

4.2消耗谐振能量

（1）在电压互感器二次开口三角形绕组两端接入阻尼电阻。

（2）在电压互感器一次侧中性点与地之间串入消谐电阻。

5.技术实际应用效果

5.1改变系统中电感和电容参数

由于大连西咀热力有限公司经常出现系统单相接地故障，由此引起电压互感器铁磁谐振的重要原因。在中性点不接地电网中，减少单相接地故障所造成的危害的方法之一是在中性点加装消弧线圈。消弧线圈的作用是当电网发生单相接地故障后，提供一个电感电流IL补偿接地电容电流Ic，使接地电流减小，也使得故障相接地电弧两端的恢复电压迅速降低，达到自动熄灭电弧的目的，从而减小了接地对系统的影响。

5.2消耗谐振能量

根据大连西咀热力有限公司电网的性质和电压互感器铁磁谐振预防措施，对各母线上电压互感器增加了由保定浪拜迪电气股份有限公司生产的微机电力谐振诊断消除装置，此装置是在传统的电压互感器开口三角绕组下串接阻尼电阻的方法基础上采用智能模块，当发生谐振时，电压在设计周波下达到动作值时，装置的频率监测系统自动投入“消谐电阻”吸收谐振能量，消除铁磁谐振，并记录故障时的电压和谐振频率等参数，同时可以区分出过电压、PT高压侧断线、PT低压侧断线、单相接地等故障，发出相关报警信息，有利于事故分析和判断。

通过上述两种方法的实际应用，大连西咀热力有限公司电网安全性大大提高，再没有出现由于电压互感器发现铁磁谐振而出现一次熔丝熔断或烧毁事故的发生。

【参考文献】

[1]李洪海，刘啸尘.电压互感器铁磁谐振过电压及防止.应用能源技术，2009.

[2]周铁军，王田蓉.供电系统中电压互感器铁磁谐振现象分析.煤矿机电，2005.

[3]平绍勋.电力系统中性点接地方式及运行分析.