铁芯饱和引起的电压互感器过电压机理分析

铁芯饱和引起的电压互感器过电压机理分析

【摘要】10kV系统中由于电压互感器铁心饱和引起铁磁谐振过电压的情况时有发生，它持续时间长甚至能长时间自保持，是导致电压互感器高压熔丝熔断和电压互感器烧损甚至爆炸的重要原因，对电力系统的安全运行威胁极大，文章通过对其产生机理进行分析，并且采用一定的措施对过电压进行了抑制。

【关键词】电压互感器；铁芯饱和；过电压

1.引言

10kV系统中由于电压互感器铁心饱和引起铁磁谐振过电压的情况时有发生，它持续时间长甚至能长时间自保持，是导致电压互感器高压熔丝熔断和电压互感器烧损甚至爆炸的重要原因，对电力系统的安全运行威胁极大。近年来随着城网改造的进行，大范围应用电缆，配电网线路对地电容显著增加，系统参数已远远超出了谐振区域，较少发生铁磁谐振。但系统中发生单相接地或弧光接地等故障时，仍发生电压互感器高压熔丝频繁熔断甚至电压互感器烧毁现象。

2.铁磁谐振过电压产生机理

在中性点不接地系统中，为了监视三相对地电压，变电站内10kV母线常接有YO接线的电压互感器，未装消谐装置时电气原理见图1。

电力系统中具有许多铁心电感设备，例如发电机、变压器、电流互感器、消弧线圈和并联补偿电抗器等。这些设备大都呈非线性，它和系统的容性负荷组成许多复杂的振荡回路。如果满足一定条件，就有可能激发持续时间较长的谐振过电压。谐振是一种稳态现象，谐振过电压的持续时间可能很长，因此，这种过电压一旦发生，往往造成较严重的后果。谐振过电压是电力系统内部过电压较为典型的一种，它包括线性谐振过电压、参数谐振过电压和铁磁谐振过电压。

在正常运行条件下，正常时电压互感器的励磁阻抗很大，电压互感器的励磁阻抗、线路及母线对地容抗串联回路中一般感抗要大于容抗，电力网络对地阻抗呈容性，三相基本平衡，中性点O的位移电压很小，但在某些扰动下，如单相接地的发生和消失，因三相电压互感器伏安特性不一致或特性不好都会导致电压互感器铁心饱和，或因开关突然的合闸，或线路中发生瞬间的弧光接地现象等，使一或两相的对地电压升高，使其电压互感器铁心饱和，于是三相电感值有所不同，中性点O出现零序电压，在数值上等于电源中性点和电压互感器中性点的电位差。另外，若出现电压互感器的励磁阻抗和线路及母线对地容抗相等，将引起铁磁谐振。

设L0为电压互感器单相零值电抗，C0为线路及母线对地的电容量，则电压互感器的三相并联零值电抗为L0/3，线路及母线三相并联对地电容量为3C0，当L0/3与3C0回路达到固定振荡频率ω0时，将会在系统中产生谐振现象。随着线

路的延长，即随着C0的逐渐增大，依次发生高次（3、2次）、基极、1/2次分频谐振。

1）基波谐振的谐振频率等于工频。此时过电流并不大，过电压较高，其现象一般是两相电压升高，一相电压降低。

2）高次谐振的谐振频率等于工频的整数倍。此时一般过电流不大，过电压很高，经常使设备绝缘损坏，其现象是三相电压同时升高。

3）分次谐振的谐振频率等于工频的分数倍。当发生分频谐振时，此时过电压并不高，由于互感器感抗显著下降，励磁电流急剧增大，可达到额定值的数十倍，造成互感器的烧毁或保险丝熔断。

有关的研究证明：当线路对地容抗XCO/Xm ≤0.01时，将不会产生谐振。

3.抗谐振型电压互感器消谐措施分析

采用抗谐振型电压互感器的原理，如图2所示，假设电压互感器的励磁电抗X=XLA=XLB= XLC=XL0，当C相发生单相金属接地时，等效电路图及向量图见图2。

等效电路图及向量图

根据诺顿定理：

则等效电流源：

，即：

所以：

UA0`′=10∠60°-U0`

UB0`′=10∠120°-U0`

UC0`=-U0`

故开口三角绕组输出电压：

考虑中性点直接接地时：

通过计算表明，假设电压互感器的励磁电抗X=XLA=XLB=XLC=XL0，当C 相发生单相金属接地时，抗谐振型电压互感器与中性点直接接地的电压互感器开口三角绕组输出电压比值U’Δ/UΔ=25%，故抗谐振型电压互感器对接地指示装置

的影响非常大。为了解决以上问题，将零序电压互感器的二次绕组与开口三角绕组相串联，如图3所示，当三相电压平衡时，da-dn的输出电压只有几伏，当三相电压不平衡时（如单相接地故障），da-dn的输出电压为100V±几伏，能够满足接地指示装置的要求。

抗谐振型电压互感器的励磁电抗Xm=X+XL0，所以L0的接入主要有以下三个优点：

a）Xm显著增大，比较易实现XC0/Xm≤0.01这个条件，使系统扰动时，电压互感器不易发生铁磁谐振。

b）如前所推导U0′的公式知，L0接入后：U0′=4.33，Ua0′=6.6，Ub0′=6.6，亦即加在非故障相电压互感器绕组的电压下降至接近相电压，不易饱和，从而有效避免了谐振的发生。

若中性点串入的电压互感器励磁电抗XL0远大于X值，则效果更佳。此时加在非接地相LA和LB、故障相LC、中性点电压互感器的L0绕组的电压全部等于相电压5.77kV，铁心更不易饱和。

通过前面的讨论，采用抗谐振型电压互感器，在线路单相接地时能够使电压互感器各相绕组电压均能保持在正常相电压附近而不会饱和，从而很好地抑制铁磁谐振，降低电压互感器一次侧电流，有效避免了电压互感器高压熔丝熔断和电压互感器烧损甚至爆炸的事故。

4.现状调查

部分电压互感器为抗谐振型电压互感器，且容量较大。一些安装谐振型电压互感器的变电站，电压互感器烧毁甚至爆炸现象已出现多次。此外，一些安装谐振型电压互感器的变电站常常出现电压互感器高压熔丝熔断现象。5.结论

文章分析了由于电压互感器铁心饱和引起铁磁谐振过电压的原因，研究表明过电压持续时间长，是导致电压互感器高压熔丝熔断和电压互感器烧损甚至爆炸的重要原因，对电力系统的安全运行威胁极大。通过对其产的原因进行深入分析，可以采取抗谐振型电压互感器，在线路单相接地时能够使电压互感器各相绕组电压均能保持在正常相电压附近而不会饱和，从而很好地抑制铁磁谐振，降低电压互感器一次侧电流，有效避免了电压互感器高压熔丝熔断和电压互感器烧损甚至爆炸的事故。

参考文献

[1]姚陈果，周电波等.采用超高频法监测变电站设备局放水平及其早期预警[J].高电压技术，2011，37（7）：1670-1676.

[2]刘君华，姚明，黄成军等.GIS中局部放电电磁波的模式特性[J].高电压技