微机消谐装置抑制铁磁谐振过电压的分析

电力系统中,由于雷击或其它原因,线路瞬间单相接地,使健全相电压突然升至线电压,而故障相在接地消失时又可能有电压的突然上升,在这些暂态中也会有很大涌流;传递着过电压,如高压供电线路发生单相接地,低压侧就有传递过电压，使电压互感器铁芯饱和，由于电压互感器三相电感饱和程度不同,会出现互感器的一相或两相电压升高,也可能三相电压同时升高，严重时就会引起谐振, 造成PT 过电流、过热冒油、爆炸、母线短路、PT 保险熔断等事故，严重影响电网的安全运行。本文就此现象，对电磁式PT 引起的铁磁谐振过电压数值特征及谐振判据进行了分析，从而选用一种或综合应用几种合理措施进行阻抑。

一、铁磁谐振形成的原因

在中性点不接地系统中，由于接地保护的需要，和监视三相对地电压,发电厂、变电站母线上常接有Yο 接线的电磁式电压互感器,于是,电网参数除了电力设备和导线的对地电容Cο 之外,还有电压互感器的励磁电感L ,正常运行时,电压互感器的励磁阻抗是很大的,电网对地阻抗是容性,三相基本平衡,电网中性点的位移电压很小,但电力系统出现某些扰动,造成电压互感器三相电感饱和程度不同时,就可能激发引起谐振过电压。

电压互感器与电网线路对地电容并联形成谐振回路，电磁式电压互感器的电感是非线性的，这种谐振回路为非线性谐振回路，或称铁磁谐振回路，如图1。

通常，在正常运行时，电压互感器的感抗XL远大于电网对地电容的容抗XC，即XL与XC不会形成谐振，但由于某些原因，例如单相接地故障、线路合闸、雷电冲击等，使电压互感器的电感量发生变化，如果XL与XC匹配合适则将产生谐振。如图1所示，正常运行时互感器中性点N'和电源中性点N对地同电位，中性点不发生位移，当发生谐振时，互感器一相、两相或三相绕组电压升高，各相对地电位发生变动，但因电源电势由发电机的正序电势所固定，EA、EB、EC保持不变，在电网这一部分对地电压的变动则表现为电源中性点发生位移，而出现零序电压。

根据图1，解出中性点位移电压如下式：

由(2)式可看出，当ωcˊ=2/ωLˊ时则U0无穷大，即要发生谐振，这也意味着只有当电压互感器的感抗与线路容抗在一定比例下，三相中各阻抗不对称，电源中性点产生位移条件下将产生谐振。

铁磁谐振是由于电感元件的磁路饱和作用而激发的持续性的较高幅值的铁磁谐振过电压，其表现形式有单相、两相、三相对地电压升高，或以低频摆动，或产生高值零序电压分量，出现虚幻接地现象和不正确的接地指示，在电压互感器中出现过电流，使小容量异步电动机反转，严重时引起绝缘闪络或避雷器、电压互感器爆炸。在正常运行条件下，感抗大于容抗，电路不具备谐振条件，当铁芯电感两端的电压升高时，电感线圈中出现涌流使铁芯饱和，其感抗随之减小，使感抗等于容抗，满足谐振条件，在电感、电容两端形成高的过电压或过电流，这种现象称为铁磁谐振现象。

二、铁磁谐振的基本特性

1、工频谐振(基波谐振)

由互感器引发的基波谐振表现为一相电压降低，两相电压升高，且中性点移到线电压三角形之外，各相电压相量图如图2。

基波谐振产生的过电压幅值一般不高，对地稳态过电压不超过2倍最大过电压，暂态过电压也不过3.6倍最大过电压。

2、高频谐振(三次谐振波谐振)

在中性点绝缘系统中，由于电源不能向电压互感器提供三次谐波励磁电流，而使铁芯中磁通为平顶波，含有三次谐波磁通，对于三个单相电压互感器而言，三次谐波磁通可在每相电压互感器铁芯上流通，因而产生三次谐波电势，使中性点位移产生而发生谐振。高频谐振的表现是三相电压同时升高，即在工频电压下迭加三次谐波电压，因为各相基波电压与三次谐波电压均相等，所以三相电压指示相同。高频谐振通常在空母线合闸的激发条件下产生。有时，变电站出线很短是也会发生。

高频谐振会产生较高的过电压，最高可达5.1倍暂态最大过电压。

3、1/2分频谐振

除了基波和三次谐波谐振以外，电压互感器的铁磁谐振电路还可产生低于电源频率的分次谐波谐振，其中大多数为1/2次谐波谐振。1/2分频谐振时，其谐波波源必然存在电源中性点与互感器高压绕组中性点之间，它是零序性质的。因此，分频谐振电压一般都认为每相对地电压为电源电势(基波)和中性点位移电压的相量和。

由此可见，1/2分频谐振表现为三相对地电压同时升高，实际上谐振频率与1/2工频略有差别，所以，电压表计以低频来回摆动。1 /2分频谐振过电压不高，不超过2.5倍暂态最大过电压，这是由于铁芯深度饱和所致。因为频率减半，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，因而高压绕组流过极大的过电流，一般可达几十倍甚至上百倍额定电流，使互感器过热并产生电动力的破坏。由于是热和电动力的破坏，互感器往往有一发展过程，表现为互感器冒烟、熔丝熔断、油浸互感器喷油等。

如果XC /XL处在两种谐振区的交界处，有可能是发生基波振而后转入分频谐振。1/2分频谐振的激发条件大都是单相接地故障又突然消除的暂态过程。由于其起振电压较低，在一定条件下电网1/2分频谐振是最容易发生的，而且破坏力很强，也是互感器出现烧坏事故的主要原因。

三、消除这种铁磁谐振过电压的措施

为了限制和消除这种铁磁谐振过电压,通常有三种方法。

1、互感器高压中性点经电阻接地或零序电压互感器接地

a)互感器高压中性点加对地电阻。

互感器高压中性点经电阻接地，被称为一次消谐，接线图如图3，电阻可以是线性的，也可以是非线性的，对于非线性电阻，在工作时，可保持中性点对地电位不超过互感器N端对地的绝缘水平。其消谐机理是单相接地消失时线路在由线电压恢复到相电压的过渡过程中，电容放电电流只能通过电压互感器高压绕组入地，这过电流的频率很低，特别是电容较大的网络中其频率只有几个HZ，放电电流一般可达到上百倍互感器正常的励磁电流，因而会使互感器饱和，激发谐振也会使高压熔断器熔断，由于放电电流可达到熔断器瞬间熔断的电流，因此，往往熔断器熔断，而保护了互感器，但有时这个电流小于熔断器瞬时熔断值，而引发谐振，则烧坏互感器。当在中性点经电阻接地后，这个电阻即限制了放电电流，从而防止了熔断器熔断和谐振。单相接地电容放电电流如图4。

一次消谐器也有一些弱点，即电阻的热容量如果不够的，会引起电阻的损坏，而失去消谐作用，一次消谐电阻如果过大，会产生危及N端对地的耐压水平。一般，互感器N端对地耐压水平为3kV，1min，所以要求消谐电阻上产生的压降应低于3kV。选用时要注意。另外,该消谐措施带来一个弊病是三次谐波电流在电阻上产生压降，已使开口角回路滤出的三次谐波电压影响正常 运行，也造成三相电压不平衡。

b) 互感器高压绕组中性点经零序电压互感器接地。

互感器高压绕组中性点经零序电压互感器接地，即所谓“4VT”接法，属于破坏谐振条件(指单相接地)类消谐措施。

线路图如图5，是由三个单相全绝缘电压互感器和一个半绝缘(或全绝缘)单相电压互感器构成。其消谐原理是，当单相接地时，电压互感器的一次电压出现零序和正序电压，其正序电压施加在接成三相星形的主PT上，即主PT上的各相电压不发生变化，而零序电压，则由三相主PT和零序电压互感器承担，由于三相主PT的零序绕组(开口角回路)短接，其零序阻抗很小，与零序电压互感器的阻抗相比可以忽略，如此，零序电压就几乎全部加在零序电压互感器上，即零序电压互感器有相电压产生，其二次侧有电压输出而发出接地报警。当接地消逝时，电容放电电流亦通过主PT一次绕组和零序PT一次绕组至地，由于零序PT的高阻抗及较大的直流电阻抑制了这个放电电流，不致引起互感器饱和而不发生谐振。由图5 还可以看出，电压表所测量的是各相对地的电压，即为各二次绕组的电压与零序互感器的电压之和(相量和)。因此正常运行时，电压表测量的是相电压，而在单相接地时则由于零序电压互感器二次侧有相电压，其方向与接地相的正序电压方向相反，即接地相的电压表读数为0，而其他非故障相的电压上升到线电压。因此，该接线可以反映接地的相别。

该接线也有一些弱点，由于开口角回路短接，当系统中出现单相断线，变压器空投母线，单相弧光接地等非正常工况下，由此产生的零序电压而在开口角回路形成的环流，在电容量较大的电网中，这个环流可能超过互感器的热容量而被烧坏;另外，该接线测量的零序电压不准确，同时，因为零序电压互感器是常规的产品，其感抗和直流电阻较小，没有达到抑制超低频振荡电流的要求.

2. 在电磁式电压互感器的开口三角形绕组中加装阻尼电阻

在互感器开口角回路加阻尼电阻，有固定电阻和电子型，统称二次消谐，电子型目前普遍采用的微机型消谐器其接线如图6，其原理是，电压互感器发生铁磁谐振时，中性点产生位移，使三相电压不对称，互感器饱和，出现零序磁通，高压绕组流过零序电流，在开口角两端，要感应零序电压，接有电阻时，则有零序电流流通。这个电流是对高压绕组中的零序电流所建立的磁通起去磁作用的。二次零序电流越大，去磁效果越大，短接时效果最好，如果长期处于短接状态，则可能不发生谐振。但短接对互感器是不能长期运行的，只允许运行1秒以内。因此利用可控硅，在发生谐振时，由CPU采集数据，超过正常电压值后使可控硅导通，使谐振瞬间消除。谐振消失后，可控硅又恢复阻断状态。

这种消谐器的弱点是一旦可控硅阻断失效导通，开口三角处于永久性短路，在单相接地或 其他故障使三相电压不平衡时，电压互感器即处于短路运行，会烧坏互感器，另外发生谐振后，由于采集数据的延时，可能会错过阻尼的最佳时间。

3. 在母线上加装一定的对地电容,谐振也可消除。

增加电网电容，不使用电磁式电压互感器，采电容式电压互感器。

四、首钢京唐公司变电站消谐采用的方法

在上述三种措施中,首钢京唐公司变电站主要采用第二种措施,即在电磁式电压互感器的开口三角加阻尼电阻。此阻尼电阻是加入微电脑多功能消谐装置，该装置采用80196 单片机作为核心，对PT开口三角绕组电压(即零序电压)进行循环监测，在正常工况下，该电压为零，装置内的大功率可控硅消谐元件处于阻断状态，对系统无任何影响。当系统处于故障工况，本装置CPU对电压互感器开口三角电压进行数据采集，通过数据测量、消除信号干扰、提高可信度等数字信号处理技术，然后对数据进行分析、计算，诊断当前的故障工况。如果是某种频率的铁磁谐振，CPU启动消谐电路，使铁磁谐振在强大的阻尼下迅速消失，同时装置给出指示。铁磁谐振消除后，CPU作相应记录、存贮，并自动显示或打印、记录有关谐振信息(包括发生时间、频率、开口三角电压幅值等)。如果是过电压或单相接地，CPU作出诊断后，装置分别给出指示和报警，可自动显示或打印故障信息。最后，CPU返回初始状态，并继续检测开口三角电压。

对于该消谐装置来说，互感器开口三角形接有判断一次设备是否接地等故障的二次保护装置，一般情况下，回路中只有不平衡电流引起的弱电势作用，消谐装置和保护都不会有反应，当有接地等故障存在时或无故障而由于一次设备的某些影响，在开口三角形电感中就会产生较高的电势，此感应为暂态过程，如感应电势较低，保护动作或发信号，如感应暂态电势过高，即会发生谐振现象，此时消谐装置迅速投入，投入很大的阻尼，分流电压降，使电感电压迅速下降，离开谐振点，从而达到消谐的目的。

五、微机消谐装置应用后效果

自从该装置2008年10 月投入以来,经历了各种运行条件的检验,成功的避免了两次系统谐振。微机消谐装置显示，在2010年6月22日，220kV轧钢变电站10kV系统出现1 / 2 次谐波谐振，开口三角电压61V，谐振频率24.9Hz,2011年11月3日，220kV轧钢变电站10kV系统再次出现1 / 2 次谐振谐振，开口三角电压63V，谐振频率24.9Hz。以及数次接地故障运行、雷电侵入的冲击、空载运行、冲击合闸运行,均没有出现过电压现象,并且正确指示出各种故障的性质,正确动作率达到100 % ,因此效果良好。

六、结束语

电力系统的铁磁谐振过电压虽然是一种普通现象,它给电力系统的安全稳定运行带来了极大的危害,甚至造成严重后果,所以必须采取措施防止其发生和发展。如今高科技在电力系统中得到了广泛应用,特别是微电脑多功能消谐装置的应用,彻底改变了传统消除铁磁谐振的方法,给电力系统的稳定运行提供了必要条件。