电压互感器引起的谐振过电压及防范措施(赵融)

电压互感器引起的谐振过电压及防范措施

上海铁路局杭州供电段赵融

摘要：针对京沪高铁无锡东10kV配电所电压互感器频繁烧损的现象，分析得出中性点不接地电力系统，电压互感器铁芯深度饱和激发铁磁谐振，从而导致电压互感器烧损的结论；同时对消除和防止铁磁谐振的各种措施进行探讨。

关键词：京沪高铁；电压互感器；中性点不接地电力系统；铁磁谐振

0 引言

铁路10kV电力系统中由电压互感器铁芯深度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。近年来随着铁路客运专线的相继开通，供信号用电的高压线路大范围应用电缆，配电网线路对地电容显著增加，系统中发生单相接地或弧光接地故障时，极易引发系统内电压互感器的饱和，激发谐振过电压，导致电压互感器烧损的现象。

1、故障现象及相关数据

京沪高铁无锡东10kV配电所自开通以来，间隔4次发生电压互感器烧损的现象，以下为典型案例。2011年8月11日14：34分左右，京沪高铁无锡东10kV 配电所高压室里有“嘭、嘭”声响，随后发现电源二N10母互二柜A相电压互感器炸裂，接着N8柜电源二柜断路器跳闸。随即询问供电局得知：14：20分无锡供电局团结变10kV张村线125保护动作跳闸，重合闸成功，同时10kV1段母线接地，电压A相10.3kV；B相10.45kV；C相0.1kV。

无锡东10kV配电所内电源二受电柜毛刺曲线图数据得知：

①14：20分，A相8.94kV；B相9.91 kV；C相1.48 kV。

②14：26分，A相9.07 kV；B相9.93 kV；C相1.23kV。

③14：36分，A相0.07kV；B相0.08kV；C相0.05kV。

事故报文：

故障时，A相电压0.089kV；B相电压 6.648kV；C相电压0.045kV。

故障时，系统频率为21.85HZ。

14时36分18秒425毫秒，电源二欠压保护。

2、故障原因剖析

14:20分无锡供电局团结变高压馈出回路张村线C相接地，由于无锡东10kV 所电源二团结线与供电局故障回路张村线为同一母线，所内主母互二A、B相电压上升为线电压，C相电压基本为0。故障时，系统频率为21.85HZ，从故障现象和故障时各相电压的数据推断A、B相电压是交替变化的，由此判断电压互感器铁磁谐振的基波不是工频，而是1/2分频。因为频率减半，电压互感器铁芯中磁密要比额定时大1倍，使铁芯饱和，励磁感抗急剧下降，而高压绕组流过极大的过电流，导致电压互感器一次电流剧增至原几十倍乃至上百倍。A相PT严重过载造成无锡东10kV所电源二团结线N10主母互二柜A相电压互感器炸裂。后因供电局试拉馈出故障回路，致无锡东10kV所电源二柜低电压保护跳闸。

3、谐振过电压理论分析

10kV系统电压互感器频繁烧损严重威胁电力系统安全运行。通过京沪高铁无锡东10kV配电所一系列故障进行了全面剖析，得出谐振随着对地电容和电压互感器起始励磁电感的增大，依次发生高频、基频和分频谐振。电压互感器电感与系统对地电容并联，构成如图1 所示的等值电路。

图1电压互感器电感和系统对地电容的等值电路

图1中，各相电压互感器励磁特性相同，铁芯不饱和时，L1=L2=L3=L0（L 0为铁芯未饱和时的电感），三相对地电容基本相等，电源电势E A、E B和E C为三相对称电源，中性点O的电位U0。

U0=（E A•Y1+ E B•Y2+ E C•Y3)/(Y1+Y2+Y3) 式（1）

式（1）中，Y1为相对地导纳，Y1=-j•1∕ωL i +jωC0

正常运行时，E A + E B + E C =0，Y1=Y2=Y3，系统中性点电位U0为零。一般情况下，1∕ωL i＜ωC0，各相导纳均是容性导纳，不会出现谐振。但当系统受到某种干扰，如单相接地、雷击、合闸操作等外部因素激发的情况下，使某一相或者几相铁芯饱和，恰好使Y1+Y2+Y3接近于零，便产生了谐振现象。

由式（1）得Y1+Y2+Y3接近于零的频率就是回路的自振频率，完全取决于系统对地电容C0的大小和电压互感器的励磁特性L i。如果C0•L i很大，回路的自振频率ω就低，有可能出现分频谐振。反之，如果C0•L i很小，回路的自振频率ω就高，有可能出现高频谐振。

根据Peterson试验也得出结论：电压互感器铁心电感的伏安特性愈好越不易饱和，谐振所需阻抗参数X co/X L越大( X co是线路零序容抗，X L是电压互感器额定线电压下的感抗)。谐振区域与阻抗比X co/X L有直接关系，1/2 分频谐振区域的X co/X L 约为0.01～0.08；基频谐振区域的X co/X L约为0.08～0.8；高频谐振区域的X co/X L约为0.6～3.0。当改变电网零序电容时X co/X L 随之改变，回路可能出现由一种谐振状态转变为另一种谐振状态。如果零序电容过大或过小就可脱离谐振区域即不发生谐振。

据相关试验得到，分频谐振电流为正常电流的240倍以上，工频谐振电流为正常电流的40～60倍之间，高频谐振电流更小。在这些谐振中，分频谐振的破坏最大，如果电压互感器的绝缘良好，工频和高频一般不会危及设备的安全而分频能使电压互感器烧损。由此，也间接推断出京沪高铁无锡东10kV配电所电压互感器铁磁发生分频谐振导致电压互感器烧损的结论。

4、限制电压互感器铁磁谐振过电压的防范措施

根据铁磁谐振产生的原理，防止铁磁谐振的发生，最有效的办法是改变系统参数，设法改变电压互感器的电抗或电力系统对地的容抗，破坏谐振产生的条件。在铁磁谐振发生后，要有效地阻尼谐振的发展，消除其带来的危害。

4.1 在电压互感器开口三角绕组端口接消谐电阻

电力系统正常运行时，开口三角两端的不平衡电压很小，而当谐振发生时，中性点出现位移，开口三角两端将出现较高的电压，如果在开口三角两端接上电