电压互感器铁磁谐振原因与对策

关于电压互感器铁磁谐振原因与对策第1页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五电力系统中存在着许多储能元件，当系统进行操作或发生故障时，变压器、互感器等含铁芯元件的非线性电感元件与系统中电容串联可能引起铁磁谐振，对电力系统安全运行构成危害。在中性点不接地的非直接接地系统中，铁磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压是常见的，是造成事故较多的一种内部过电压。这种过电压轻则使电压互感器一次熔丝熔断，重则烧毁电压互感器，甚至炸毁瓷绝缘子及避雷器造成系统停运。在一定的电源作用下会产生串联谐振现象，导致系统中出现严重的谐振过电压。1铁磁谐振发生机理分析铁磁谐振是谐振过电压中最常见的，也是最难以预防的。铁磁谐振又分为铁磁电压谐振（串联谐振）和铁磁电流谐振（并联谐振），两种谐振以铁磁电压谐振较为常见。下面以铁磁电压谐振为例，分析铁磁谐振发生的机理。第2页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五图1（a）为最简单的电阻R、电容C和铁芯电感L的串联电路。设在正常运行条件下初始感抗大于容抗。图1（b）为电路中电压与电流的相量图。设电流是正弦的，并以I·为参考相量。U·L和U·C分别为L和C上的电压。当略去铁损而把线圈的电感用等效电感代替，其等效正弦电压相量即U·L比I·超前90°。当铁芯线圈用等效的非线性电感表示时，其伏安特性与铁磁物质的磁化曲线相似，如图1（c）UL(I)所示。电容上的电压UC=，与电流的关系为一直线关系，如图1（c）UC(I)所示。为简单起见，令R=0，则有E·=U·L＋U·C

由于U·L和U·C为反相，故上式可改写为E=△U，△U=｜UL－UC｜第3页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五在电源电压E一定的条件下，电路出现a、b、c三个平衡点，其中b点是不稳定的。在b点时，回路中电流有任何微小扰动，都会使其倾向a或c两个稳定点中的一个，故b点不成为回路的实际工作点。回路工作在a点时，UL＞UC，整个回路为感性，电感和电容上电压都不高，电流也不大，处于非谐振状态。当工作在c点时，UC＞UL，回路呈容性，电流增大，电容和电感都出现较高的过电压，此时回路处于谐振状态。第4页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五在I0点处，等效感抗ωL等于，这与线性谐振相仿，压降和电流将趋于无穷大，但因电感非线性的特点，当I越过I0而继续增大时，等效感抗进一步下降，使得ωL与自动错开，最后到达新的稳定点c点，所以铁磁谐振过电压虽由电感的非线性引起，但其幅值最终又受到非线性所限制，一般不超过电源电压的三倍。2几种常见的铁磁谐振2.1断线谐振所谓断线泛指导线断落、断路器非全相操作以及熔断器的一相或二相熔断。断线的结果可能形成电感电容的串联谐振回路，其中电感是指空载或轻负载变压器的励磁电感等，电容是指导线的对地和相间电容，或电感线圈的对地杂散电容等。在中性不接地的配电网络中，断线谐振出现的比较频繁，并且造成各种后果，即：在绕组两端和导线对地间出电压；负载变压器的相序反倾；中性点位移和虚幻接地；绕组铁芯发出异常响声和导线出现电晕声。在严重情况下，甚至瓷瓶闪络，避雷器爆炸和击毁电气设备。第5页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五2.2传递过电压当高压线路中发生不对称接地或断路器的不同期操作时，将会出现零序电压和零序电流分量，通过静电和电磁耦合，能在近旁的低压平行线路中感应出瞬间的或持续性的传递过电压；同样，变压器高压绕组侧的零序电压通过绕组间的杂散电容传递至低压侧，危及后者的电气绝缘。如果低压侧接有铁芯电感元件（消弧线圈、空载变压器或电压互感器等），则有可能产生铁磁谐振过电压。2.3电磁式电压互感器引起的铁磁谐振在电力系统中，为了监测发、变电所母线对地电压，通常在发电机或变电所母线上接有电压互感器，并且其一次绕组接成星形，中性点直接接地。这样当进行某些操作时（例如中性点绝缘系统非同期合闸，或接地故障消失之后），电压互感器的激磁阻抗与系统的对地电容形成非线性谐振回路，由于回路参数及外界激发条件的不同，可能造成分频、工频或高频铁磁谐振过电压。第6页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五统计表明，电磁式互感器引起的铁磁谐振过电压是中性点不接地系统中最常见且造成事故最多的一种内部过电压，严重地影响供电安全，必须予以重视。在中性点直接接地的电网中，电网中性点电位已被固定，但高压断路器断口均压电容与电压互感器绕组电感形成的串联回路，在参数配合时，也有可能出现谐振过电压。

2.4串联电容补偿线路中的铁磁谐振串联补偿装置是多个串、并联连接的三相电容器组，它串接在输电线路的首端、中间或者末端，其目的是使容抗补偿线路的正序感抗。在中、低压配电线路中，串补主要用来提高线路末端电压。当串补线路末端接有空载或轻载变压器时，其励磁电感很大，它与线路正序电感相加，并与串补电容组成很低的自振角频率，在线路合闸或投入串补时将会产生分频铁磁谐振，使得压降和电流波形发生畸变。在超高压线路中，投入串补的目的是为了提高线路的传输能力。与中低压配电线路一样，如在线路末端接有空载变压器，则会产生同样的分频铁磁谐振。第7页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五3电压互感器引起铁磁谐振的发生原因分析在中性点不接地系统中，为了监视对地绝缘，母线上常接有Y接线的电磁式电压互感器，如图1所示，图中u0为电源电势，C为线路等设备的对地电容，L为电压互感器激磁电感，R0为中性点串联消谐电阻。第8页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五在正常运行状态下电压互感器励磁感抗很大，其数值范围在兆殴级以上且各相对称。C数值视线路长短而定，线路愈长容抗愈小，即以1km线路而言，其每相对地电容约0.004μF，故其容抗小于1MΩ，所以整个网络对地仍呈容性且基本对称，电网中性点的位移电压很小,接近地电位。但电压互感器的励磁电感随通过的电流大小而变化，其U-I特性如图2所示。第9页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五由图2可见，曲线的起始一段接近直线，其电感相应地保持常数。当激磁电流过大时，铁芯饱和，则L值随之大大降低。正常运行时铁芯工作在直线范围，当系统中出现某些波动，如电压互感器突然合闸的巨大涌流、线路瞬间单相弧光接地等，使电压互感器发生三相不同程度的饱和，以至破坏了电网的对称，电网中性点就出现较高的位移电压，造成工频谐振或激发分频谐振。4铁磁谐振的特点对于铁磁谐振电路，在相同的电源电势作用下，回路可能不只有一种稳定的工作状态。电路到底稳定在哪种工作状态，要看外界冲击引起的过渡过程的情况。TV的非线性铁磁特性是产生铁磁谐振的根本原因，但铁磁元件的饱和效应本身，也限制了过电压的幅值。此外回路损耗也使谐振过电压受到阻尼和限制。当回路电阻大于一定的数值时，就不会出现强烈的铁磁谐振过电压。第10页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五串联谐振电路，产生铁磁谐振过电压的的必要条件是ω0=1/L0C＜ω。因此铁磁谐振可在很大的范围内发生。维持谐振振荡和抵偿回路电阻损耗的能量均由工频电源供给。为使工频能量转化为其它谐振频率的能量，其转化过程必须是周期性，且有节律的，即…1/2(1，2，3…)倍频率的谐振。铁磁谐振对TV的损坏，铁磁谐振(分频)一般应具备如下三个条件:①、电磁式电压互感器(TV)的非线性效应，是产生铁磁谐振的主要原因。②、TV感抗为容抗的100倍以内，即参数匹配在谐振范围。③、要有激发条件，如投入和断开空载母线、TV突然合闸、单相接地突然消失、外界对系统的干扰或系统操作产生的过电压等。第11页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五由前面分析可知，事故中具备了3个条件，才导致了此次事故。当良站10kV系统发生单相接地时，故障点流过电容电流，未接地的两相B、C相电压升高31/2，对系统产生扰动，在这一瞬间电压突变过程中，TV高压线圈的非接地两相的励磁电流就要突然增大，甚至饱和，由此构成相间串联谐振。饱和后的TV励磁电感变小，系统网络对地阻抗趋于感性，此时若系统网络的对地电感与对地电容相匹配，就形成共振回路，激发各种铁磁谐振过电压。尤其是分频铁磁谐振可导致相电压低频摆动，励磁感抗成倍下降，产生过电压，过电压幅值可达到近2~3.5Ue以上，但此过电压达不到避雷器的动作电压1.7kV，故母线避雷器并未动作。

同时，感抗下降会使励磁回路严重饱和，励磁电流急剧加大，电流大大超过额定值，据试验，分频谐振的电流可达正常电流的240倍以上，导致铁芯剧烈振动。TV是在这样大的电流下运行，使本身的温度也迅速升高，当热量积累到一定程度，干式TV中大量绝缘纸、绝缘介质会受热气化，体积急速膨胀，而存放绝缘纸、绝缘介质的干式互感器内部空间有限，当压强积累到一定程度时便产生了TV爆炸。第12页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五5铁磁谐振频率区域的判别（分频、高频……）电力网中发生不同频率的谐振，与系统中导线对地分布电容的容抗Xc0，和电压互感器并联运行的综合电感的感抗Xm，两者的比值Xc0/Xm有直接关系。Xco视具体情况而定，架空线路Xco＝350×31/2/L，kΩ/km；电缆Xco＝10×31/2/L，kΩ/km；变压器线圈对地电容的容抗Xc0一般取600～1000kΩ。其中L为线路长度，单位km。Xm为由电压互感器的二次侧感抗100V/I折算到一次侧的感抗。其中I为二次侧的实际测试电流。5.1分频谐振当比值Xc0/Xm较小（在0.01～0.07）时发生的谐振是分频谐振。电容和电感在振荡时能量交换所需的时间较长，振荡频率较低，表现为：过电压倍数较低，一般不超过2.5倍相电压；三相电压表的指示数值同时升高，并周期性摆动，线电压正常。第13页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五5.2高频谐振当比值Xc0/Xm较大（在0.55～2.8）时发生的谐振是高频谐振。发生高频谐振时线路的对地电容较小，振荡时能量交换较快。表现为过电压倍数较高；三相电压表的指示数值同时升高，最大值可达到4～5倍相电压，线电压基本正常；谐振时过电流较小。

5.3基频谐振当比值Xc0／Xm接近于1时，发生谐振的谐振频率与电网频率相同，故称之为基频谐振。其表现为：三相电压表中指示数值为两相升高、一相降低，线电压正常；过电流很大，往往导致电压互感器熔丝熔断，严重时甚至会烧坏互感器；过电压不超过3.2倍相电压，伴有接地信号指示，称为虚幻接地现象。

当Xc0/Xm≤0.01或Xc0/Xm≥2.8时，系统不会发生铁磁谐振。在不同的谐振区域，谐振的外施触发电压是不同的。分频谐振区谐振外施电压为最低，在正常额定电压下系统稍有波动就可触发谐振。而高频谐振区的谐振外施电压最高。在同一谐振区域内不同的Xc0/Xm比值下，谐振的最低外施触发电压（临界值）也是不同的。第14页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五6防止铁磁谐振的措施电网的不断发展使线路参数发生变化，铁磁式电压互感器的大量使用，使电网产生铁磁谐振的可能性增大。所以，为了使电网安全可靠供电，必须采取有效措施防止铁磁谐振的发生。防止铁磁谐振的产生，应从改变供电系统电气参数着手，破坏回路中发生铁磁谐振的参数匹配。这样既可防止电压互感器发生磁饱和，又可预防电压互感器铁磁谐振过电压的产生。6.1改变电气参数6.1.1装设继电保护设备当电网发生单相接地故障时，为改变电压互感器的谐振参数，可通过装设一套继电保护设备来实现。该装置是利用单相接地时所产生的较大谐振电流，启动电流继电器投入，将电压互感器二次侧开口三角处绕组短接。当故障排除后，保护装置恢复原状，电压互感器恢复正常运行。6.1.2选用不易饱和的或三相五柱式电压互感器10kV系统中使用的电压互感器，应选用励磁感抗大于1.5MΩ的电压互感器。第15页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五6.1.3减少电压互感器台数在同一电网中，应尽量减少电压互感器的台数，尤其是限制中性点接地电压互感器的台数。如变电所的电压互感器只作为测量仪表和保护用时，其中性点不允许接地。6.1.4串接单相互感器在三相电压互感器一次侧中性点串接单相互感器，使三相电压互感器等值电抗显著增大，以满足Xc0/Xm≤0.01的条件，可避免因深度饱和而引起的谐振。6.1.5每相对地加装电容器此法可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。6.1.6在中性点装设消弧线圈在10kV系统中发生谐振，且单相接地电流值较大或接近30A时，可将中性点通过消弧线圈接地。6.1.7投入备用线路当系统中只有一组电压互感器投入的情况下，若供电线路总长度较短时，可投入部分备用线路，以增加分布电容来防止谐振的发生。第16页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五6.2消耗谐振能量6.2.1在TV开口三角形侧并联阻尼电阻当电网运行正常时，电压互感器二次侧开口三角处绕组两端没有电压，或仅有极小的不对称电压。当电网发生单相接地故障时，由于此电阻阻值较小，故绕组两端近似于短接，起到了改变电压互感器参数的作用。这一措施不仅能防止电压互感器发生磁饱和，而且能有效地消耗谐振能量，防止产生谐振过电压。此方法常用在要求不太高的变电站，如消谐电阻采用电灯泡或电阻丝，当其损坏后将不会有消谐作用；当系统发生单相接地时，在开口三角侧将产生100V的电压，而由于电灯泡或电阻丝的冷态电阻是较小的，这将在TV开口三角侧流过较大的电流引起TV损坏。6.2.2在电压互感器一次侧中性点与地之间串接消谐电阻R0（又称消谐器）此电阻可用以削弱或消除引起系统谐振的高次谐波。模拟试验表明：当R0/Xm≥5．51×10－3时，即使系统发生单相接地故障，也不会激发分频铁磁谐振。但阻值太大，则会影响系统接地保护的灵敏度。第17页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五消谐电阻R0的计算。先测出各电压互感器二次侧的励磁感抗Xm，求出各电压互感器并联后的Xm值，再折算至一次侧，即为系统总的Xm。R0的值应在0.0088～0.0500Xm间选择。R0的容量可按P0＝U20/R0=(3R0Uφ/Xm)2/R0来选择。消谐电阻应按电压互感器中性点处串接R0后，用开口三角处电压UΔ的变化量ΔUΔ％来校验。ΔUΔ％

=(-ΔU％)＞5%UΔ％

=1/6(3R0/Xm)2(1＋2Xm/Xj)×100％式中

Xj——电压互感器在Uj下的励磁电抗。选择消谐器应选择通流500mA以上的铜材产品。第18页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五7三相防谐振电压互感器在中性点对地绝缘的电力系统中，为了监视线路的绝缘状况，采用3台星形联结的接地式电压互感器，其中性点直接接地，这样当任何一相母线发生单相完全接地事故时，其故障相对地的电压为0V，而非故障相的相电压上升到线电压，即提高了31/2倍，借助电压互感器二次绕组测量每相电压的3块电压表就可以方便地监视到哪一相绝缘出了问题。然而母线对地分布电容的存在，并且该电容与电压互感器的一次绕组形成并联电路，由于互感器是典型的非线性铁磁元件，电压的突然升高以及短路点的电弧所导致的瞬间涌流，很可能使电压互感器铁芯进入饱和区，这样非线性铁磁元件的感抗XL降低，当线路中感抗等于容抗（XL=XC）时，将产生铁磁谐振。谐振一旦发生，将会给设备造成很大的破坏。为了预防谐振的发生，人们采取了许多措施，包括：采用低磁密或高导磁率铁芯的电压互感器；在电源中性点与地之间或互感器开口三角内串入适当的阻抗；调整、加大线路母线对地电容量，以及在电源中性点与地之间接入消弧线圈；在电压互感器一次与地之间接入第19页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五消弧线圈；在电压互感器一次与地之间接入消谐装置——适当的电阻或电压互感器；采用电容式电压互感器等等。

7.1铁磁谐振产生的基本原理

人们如此重视铁磁谐振，是因为在供电线路中存在产生谐振的潜在因素，主要发生在线路中包含有电容和非线性铁磁元件所形成的并联电路，而且电源的中性点对地绝缘以及线路处于空载或轻载时，产生谐振离不开外界的激励条件，在并联铁磁谐振中，激励谐振产生的因素是电流。理论上，当XL=XC时，将产生谐振，但对于铁磁谐振而言，由于XL=XC条件在某一电流下成立，而导致谐振开始于如图1所示的拐点处，曲线上的拐点即为谐振的激发点。第20页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五图1（b）的曲线U(I)的第二个拐点实际上是不存在的。在图1(a)中，已清楚的看出，曲线U(I)在XL＞XC时，电路为容性，处在第一象限，而在XL＜XC时，电路为感性，进入第四象限，只是为了分析问题的方便，把本来是在两个象限的轨迹划在了同一个象限内，才出现第二个拐点。图1(b)中U(I)曲线与图1(a)略有差别，是考虑到电路中实际电阻及铁芯损耗的影响.第21页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五图1中UL(I)与UC(I)两条曲线的交点表示XL=XC，其中1点所对应的电流为激发电流。在该电流的激发下，电压由1点突变到2点所对应的值，并且电路由容性变为感性。产生谐振时，在总电流不变的情况下，通过每个支路的电流就会有很大的增加，往往比总电流大许多倍，导线过热很可能会引发互感器的爆炸事故。

7.2三相防谐振式电压互感器原理

三相防谐振式电压互感器，是专门针对母线单相接地事故导致电源中性点偏移而引发的并联铁磁谐振而设计制造的。很明显，如果用来监视线路绝缘的3个电压互感器的一次绕组中性点不接地，那么不管哪一相母线接地都不会引起互感器绕组电压的任何改变。然而在这种情况下，监视线路绝缘状况的电压表的指标值，并不会因母线接地与否而改变，反而失去了监视的作用。能否使互感器中性点既不接地，电压表又能达到监视的目的呢？三相防谐振式电压互感器就可以满足上述要求，即互感器的中性点通过另一台电压互感器接地的方法，将3台电压互感器的一次中性点N通过另1台规格、型号、参数相同，第22页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五全绝缘电压互感器接地，这里称其为零序电压互感器，其极性联结与3台测量用互感器相同，并且极性端接地，如图2所示。在正常运行时，由于三相平衡，其中性点对地电压为0V，零序电压互感器初级电压为零，故其二次无输出。当任何一相母线接地时，零序互感器与接地相电压互感器绕组形成并联关系，其一次电压与接地相电压相同，二次产生一个对应的相电压，因为互感器的次级所有非极性端联结在一起并接地，则由于零序互感器的二次与接地相二次幅值一致，相位相同，所以零序互感器的极性端与接地相极性端之间的电压为0V，与非故障相电压为相电压的31/2倍，达到了监视绝缘的目的。二次极性的联结如图3所示可以出现以下两种情况：其中在不正确的联结时，与接地相的电压为2倍的相电压，与非故障相之间的电压不变，这与习惯上的判定原则相违背，可以认为是错误的（如图3b所示）。

第23页，共27页，2022年，5月20日，11点38分，星期五第24页，共