電壓互感器引起鐵磁諧振的原因分析

電力系統中存在著許多儲能元件，當系統進行操作或發生故障時，變壓器、互感器等含鐵芯元件的非線性電感元件與系統中電容串聯可能引起鐵磁諧振，對電力系統安全運行構成危害。

在中性點不接地的非直接接地系統中，鐵磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓是常見的，是造成事故較多的一種內部過電壓。

這種過電壓輕則使電壓互感器一次熔絲熔斷，重則燒毀電壓互感器，甚至炸毀瓷絕緣子及避雷器造成系統停運。在一定的電源作用下會產生串聯諧振現象，導致系統中出現嚴重的諧振過電壓。

在中性點不接地系統中，為了監視對地絕緣，母線上常接有Y接線的電磁式電壓互感器，如圖1所示，圖中u0為電源電勢，C為線路等設備的對地電容，L為電壓互感器激磁電感，R0為中性點串聯消諧電阻。

在正常運行狀態下電壓互感器勵磁感抗很大，其數值范圍在兆毆級以上且各相對稱。C數值視線路長短而定，線路愈長容抗愈小，即以1km線路而言，其每相對地電容約0.004μF，故其容抗小于1MΩ。

因此，整個網絡對地仍呈容性且基本對稱，電網中性點的位移電壓很小，接近地電位。但電壓互感器的勵磁電感隨通過的電流大小而變化，其U-I特性如圖2所示。

由圖2可見，曲線的起始一段接近直線，其電感相應地保持常數。當激磁電流過大時，鐵芯飽和，則L值隨之大大降低。正常運行時鐵芯工作在直線范圍，當系統中出現某些波動，如電壓互感器突然合閘的巨大涌流、線路瞬間單相弧光接地等，使電壓互感器發生三相不同程度的飽和，以至破壞了電網的對稱，電網中性點就出現較高的位移電壓，造成工頻諧振或激發分頻諧振。

防止鐵磁諧振的措施

電網的不斷發展使線路參數發生變化，鐵磁式電壓互感器的大量使用，使電網產生鐵磁諧振的可能性增大。所以，為了使電網安全可靠供電，必須采取有效措施防止鐵磁諧振的發生。

防止鐵磁諧振的產生，應從改變供電系統電氣參數著手，破壞回路中發生鐵磁諧振的參數匹配。這樣既可防止電壓互感器發生磁飽和，又可預防電壓互感器鐵磁諧振過電壓的產生。

4.1改變電氣參數

4.1.1裝設繼電保護設備

當電網發生單相接地故障時，為改變電壓互感器的諧振參數，可通過裝設一套繼電保護設備來實現。該裝置是利用單相接地時所產生的較大諧振電流，啟動電流繼電器投入，將電壓互感器二次側開口三角處繞組短接。當故障排除后，保護裝置恢復原狀，電壓互感器恢復正常運行。

4.1.2選用不易飽和的或三相五柱式電壓互感器

10kV系統中使用的電壓互感器，應選用勵磁感抗大于1.5MΩ的電壓互感器。

4.1.3減少電壓互感器臺數

在同一電網中，應盡量減少電壓互感器的臺數，尤其是限制中性點接地電壓互感器的臺數。如變電所的電壓互感器，只作為測量儀表和保護用時，其中性點不允許接地。

4.1.4串接單相互感器

在三相電壓互感器一次側中性點串接單相互感器，使三相電壓互感器等值電抗顯著增大，以滿足Xc0/Xm≤0.01的條件，可避免因深度飽和而引起的諧振。

4.1.5每相對地加裝電容器

此法可使網絡等值電容變小，網絡等值電抗不能與之匹配，從而消除諧振。

4.1.6在中性點裝設消弧線圈

在10kV系統中發生諧振，且單相接地電流值較大或接近30A時，可將中性點通過消弧線圈接地。

4.1.7投入備用線路

當系統中只有一組電壓互感器投入的情況下，若供電線路總長度較短時，可投入部分備用線路，以增加分布電容來防止諧振的發生。

4.2消耗諧振能量

4.2.1在TV開口三角形側并聯阻尼電阻

當電網運行正常時，電壓互感器二次側開口三角處繞組兩端沒有電壓，或僅有極小的不對稱電壓。當電網發生單相接地故障時，由于此電阻阻值較小，故繞組兩端近似于短接，起到了改變電壓互感器參數的作用。這一措施不僅能防止電壓互感器發生磁飽和，而且能有效地消耗諧振能量，防止產生諧振過電壓。此方法常用在要求不太高的變電站，如消諧電阻采用電燈泡或電阻絲，當其損壞后將不會有消諧作用；當系統發生單相接地時，在開口三角側將產生100V的電壓，而由于電燈泡或電阻絲的冷態電阻是較小的，這將在TV開口三角側流過較大的電流引起TV損壞。

4.2.2在電壓互感器一次側中性點與地之間串接消諧電阻R0

此電阻可用以削弱或消除引起系統諧振的高次諧波。模擬試驗表明：當R0/Xm≥5．51×10－3時，即使系統發生單相接地故障，也不會激發分頻鐵磁諧振。但阻值太大，則會影響系統接地保護的靈敏度。

消諧電阻R0的計算。先測出各電壓互感器二次側的勵磁感抗Xm，求出各電壓互感器并聯后的Xm值，再折算至一次側，即為系統總的Xm。R0的值應在0.0088～0.0500Xm間選擇。R0的容量可按P0＝U20/R0=（3R0Uφ/Xm）2/R0來選擇。

消諧電阻應按電壓互感器中性點處串接R0后，用開口三角處電壓UΔ的變化量ΔUΔ％來校驗。

ΔUΔ％=（-ΔU％）＞5%

UΔ％=1/6（3R0/Xm）2（1＋2Xm/Xj）×100％

式中Xj——電壓互感器在Uj下的勵磁電抗。

4.2.3裝設消諧裝置

可在電壓互感器的開口三角繞組處直接裝設消諧裝置，當發生諧振時，電壓在設計周波下達到動作值時，裝置的鑒頻系統自動投入“消諧電阻”吸收諧振能量，消除鐵磁諧振。消諧裝置動作較可靠，還可以記錄故障時的電壓、振蕩頻率等參數，利于事故分析，現采用此方法較多。

10～35kV電壓等級電網產生鐵磁諧振，是導致電壓互感器燒損，引起停電，危及安全供電的原因之一。

當供電線路各相對地電容的容抗與線路上所接入的電壓互感器各相綜合感抗數值相近或相等時，就會發生鐵磁諧振，使三相電壓嚴重不平衡，電壓互感器二次側開口三角處感應出很高的電壓。

采取改變供電系統電容、電感參數，破壞諧振條件，以及在電壓互感器開口三角處并接阻尼電阻，可有效地消除鐵磁諧振。