10KV铁路电力系统谐振过电压产生原因及抑制措施讲解

10KV 铁路电力系统谐振过电压产生原因及抑制措施

摘要：铁路10KV 电力系统是中性点不接地系统，中性点直接接地的三相五柱电磁式电压互感器线圈电感和

电网对地电容与构成谐振条件，在运行中容易产生铁磁谐振，引起内部过电压。本文通过对10KV 中性点不接地运行方式下谐振过电压的分析，说明产生谐振过电压的条件、种类及特点，并针对各种抑制谐振过电压的措施进行探讨，得出可行性结论。

关键词：铁路；电力；过电压；抑制措施

1 概述

铁路10KV 电力系统均为中性点不接地系统（小电流接地），发生单相接地故障时，由于对线电压不产生影响，允许继续运行2个小时，提高了供电的可靠性和连续性，但是存在着易产生过电压的问题。在10KV 配电所的每一段母线上均接有一台三相五柱电磁式电压互感器，其一次线圈中性点直接接地。由于电网对地电容与压互的线圈电感构成谐振条件，在运行中容易产生铁磁谐振，引起内部过电压，这种过电压持续时间长，甚至能长时间自保持，对系统的安全运行威协极大，它是导致压互高压熔丝熔断和压互烧损、避雷器爆炸的主要原因，也是某些重大事故的诱发原因之一。近五年以来，在我段管内共发生谐振过电压烧坏压互高压保险12次，烧毁10KV 压互1台，压互瓷瓶内部引出线烧断1次。

2 铁路10KV 电力系统谐振过电压产生的

条件

2.1 内部条件

铁路10KV 电力系统是中性点不接地系统，为了监视系统的三相对地电压，10 kV配电所每段母线上均接有

Y/Y/接线的三相五柱电磁式压互。

母线电压互感器的高压侧接成Y 型，其中性点是接地的，由于铁路10KV 电力系统中电缆较多，各相对地电容较高，电网对地电容与压互的电感相匹配构成谐振条件。当发生谐振时，压互感抗显著下降，励磁电流急剧增大，可达到额定值的数十倍，造成压互烧毁或保险熔断。 2.2 外界激发条件

激发产生谐振过电压的外部条件有以下几种：

（1）线路发生单相接地或瞬间接地。

（2）向带有三相五柱电磁式压互的空母线充电（不带馈线负荷的情况下空送母线）。

（3）空载线路投切操作。（4）电力线路有雷电感应。（5）电网负荷轻，电压高发生传递过电压。

3 铁路10KV 电力系统过电压种类及特点

3.1 过电压种类

铁路10KV 电力系统过电压主要分为谐振过电压、雷电过电压和操作过电压，其中谐振过电压在正常运行操作中出现频繁，危害性较大；过电压一旦发生，往往造成电气设备损坏和大面积停电事故。运行经验表明，铁路10KV 电力系统中过电压大多数都是由铁磁谐振所引起的。在实际运行中，故障形式和操作方式是多种多样的，谐振性质也各不相同。因此，为了制订防振和消振的对策与措施，应该了解各种不同类型谐振的性质与特点。 3.1.1 基波谐振

通常发生在配电所全所停电作业完成后，向带有电磁式三相五柱压互的空母线送电充电时。表现为三相电压一相降低，但不为零，另外两相电压升高超过线电

压，我们也称作“虚幻接地”。往往引起压互高压熔丝熔断、压互过热冒油甚至烧损。这种现象一般在馈线送电后就可消失。 3.1.2 分频谐振

分频谐振多由雷电感应引起，在线路较短，电磁式压互较多，正常时中性点不平衡电压较高的系统发生。发生分频谐振时三相电压表的指示轮流升高，且不稳定，升高后数值约为线电压值。容易造成压互温度升高，严重时甚至冒油。 3.1.3 高次谐波谐振

在线路电容足够小，且负荷较轻，母线电压较高时发生。此时三相电压表指示同时升高，数

值基本相同，一般不超过线电压值，即在工频电压的谐波上叠加了高次谐波分量（主要是三次谐波）。发生高次谐波谐振时压互温度升高，相应电压等级的设备绝缘较弱部位会出现放电现象。 3.2 谐振过电压的特点

铁路10KV 电力系统发生单相接地时不影响线电压值，允许维持不超过2小时的运行时间，以减少用户断电。大多数单相接地故障因接地点接触不良高阻接地，在接地点出现瞬燃瞬熄的电弧放电，从而造成电压突变，极易引发电能、磁能振荡。单相接地时接地电弧不能自动熄灭，必然产生弧光过电压，一般为3～5倍相电压甚至更高，致使系统中绝缘薄弱的地方击穿放电，并发展为相间短路造成开关跳闸和设备损坏事故。对于电缆出线的供电回路，由于电容电流大，单相接地后电弧不能自行熄灭，产生的弧光过电压往往导致相间短路使电缆、中间（终端）头及避雷器击穿。

线路发生单相接地时，系统突变两相电压瞬时升高，线路对地电容与中性点接地的压互绕组形成并联振荡回路，电压互感器三相铁芯会高度饱和，各相感抗发生变化，电感值不相同，中性点位移，产生零序电压。由于线路电流持续增大，导致电压互感器铁芯饱和，其电感迅速减小，当电感降到满足ωL ＝1/ωC 时，具备了谐振条件，就会产生并联谐振过电压。谐振时，电压互感器一次励磁电流急剧增大，使高压熔丝熔断。如果电流超过了电压互感器额定电流，熔丝却没有及时熔断，压互就会长时间处于过电流状态而烧损。

铁路电力系统由于供电线路长，自闭、贯通线路供电臂一般达到40KM 左右，变压器较多，常因电缆及避雷器故障形成单相接地，引起系统谐振，产生间歇性过电压，致使非接地的两相电压升高到线电压，由于不能及时切除故障线路，电缆、避雷器长时间运行在非正常电压下。避雷器流过数倍于正常的泄漏电流，迅速劣化，而电缆的非接地相对地（屏蔽及钢铠）耐压由6KV 提升到10KV ，最终导致避雷器爆炸或电缆击穿。

4 抑制过电压措施

铁磁谐振过电压在铁路10KV 电力系统中频繁发生。这种过电压持续时间长，因而对系统的安全运行威胁极大，它是导致高压熔丝熔断和电

磁式电压互感器烧损爆炸的重要原因。铁路10KV 系统一般都是作为沿线各站及区间的信号主备电源，大部分是一级负荷，因此也是重大事故的诱发原因之一。下面就常用的消除谐振过电压的措施分别进行讨论。 4.1 自动调谐接地补偿装置

采用自动调谐原理的接地补偿装置，能够较好地解决谐振过电压的问题。

4.1.1 装置组成

目前自动调谐接地补偿装置组成如图1所示，主要由接地变压器、电动式消弧线圈、微机控制部分、阻尼电阻部分、中性点专用互感器和非线性电阻五大部分组成。

图1 自动调谐接地补偿装置

4.1.2 作用

接地变是作为人工中性点接入消弧线圈，并能够当作所用变使用。消弧线圈电流通过有载开关调节并实现远方自动控制。采用予调节方式，即在正常运行方式情况下，根据电网参数的变化而随时调节消弧线圈的分接头到最佳位置。自动跟踪和自动调谐利用微机控制器实现。通过测量位移电压和中性点电流与电压之间的相