35kV小电流接地系统中铁磁谐振的危害及消除方法

引言

在电力系统中，由于系统架构的复杂性和运行方式的灵活性，易造成运行参数具有随机性，促使系统参数变化，从而引起含有电感、电容元件的电网，电磁能量振荡转化或传递而造成电网过电压。铁磁谐振过电压的现象外部特征明显，直接威胁电力系统安全运行。严重时会引起电压互感器(PT)的爆炸,造成事故。必须采取有效的防范对策，保证系统和人身安全。

一、铁磁谐振及过电压产生的诱因

电力系统架构复杂、运行方式灵活，运行参数具有随机性，促使系统参数变化。系统中的电感、电容元件在系统进行操作或发生故障刺激下，形成各种振荡回路,特别是变压器、互感器等具有铁芯和绕组的电气设备在某种特定激励作用下, 很容易因电磁耦合，产生串并联谐振现象,导致严重的铁磁谐振过电压。例如：我局35kV十八里变电站发生故障，查阅当天的运行值班记录，10kV侧的电压为16.8kV，导致35kVPT烧毁。 据统计：35kV系统中铁磁谐振过电压占总故障的55%;10kV系统中铁磁谐振过电压占总故障的50%。而35kV及以下电网大部分采用中性点不接地方式运行，且由于35kV及以下电网结构相对薄弱，受地理、环境、气候、绝缘老化等因素的影响，发生故障的几率较大，加之系统运行方式多变，操作频繁，从而导致了系统铁磁谐振过电压的现象时有发生。

1、诱发电网铁磁谐振过电压的原因分析如下：

(1)故障发生后，强大的饱和电流流过具有铁芯和绕组的电气设备，由于暂态的电磁耦合，产生铁磁谐振，形成铁磁谐振过电压。

(2)系统有各种运行方式，在不同的运行方式下，系统的阻抗、感抗和容抗也随之发生变化，特定条件下，会引起系统谐振，然后过渡成铁磁谐振，形成铁磁谐振过电压。

(3)在中性点不接地系统中，受操作或系统故障的刺激，会引起电压互感器的电磁耦合，使铁芯迅速饱和后产生铁磁谐振，迫使系统的中性点发生位移，导致系统过电压的现象尤为突出。

2、铁磁谐振导致设备损坏的外部特征分析。

铁磁谐振导致设备损坏，对设备而言，有3个明显的外部特征：

(1)设备损坏前各种试验数据正常，运行中无异常表现，不容易引起人们的警惕。

(2)设备损坏后，有铁芯和绕组的电气设备，因强大的暂态耦合励磁电流将绕组烧毁，而使设备损坏。

(3)铁磁谐振引起过电压，使电气设备损坏，与设备短路引发的系统故障或事故有明显的区别。发生铁磁谐振引起过电压，系统会出现幅值不等的上下波动，表计应有反应;而设备短路，短路点的电压趋近于零，而短路电流趋近于无穷大。当然系统发生铁磁谐振也会过渡为短路事故。

二、铁磁谐振的危害

(1)铁磁谐振过电压，会使那些有铁芯的电气设备中的铁芯迅速饱和，导致绕组的励磁电流迅猛增涨。严重时，可达额定励磁电流的百倍以上。从而引起电压互感器的熔断器熔断、喷油、绕组烧毁甚至爆炸。

(2)在某些特定情况下，铁磁谐振过电压可能会很高(最大为相电压的3倍左右)，会使电气设备的绝缘击穿而导致这些设备损毁。

(3)铁磁谐振过电压，会引起有污秽的电气设备(如电压互感器、电流互感器、避雷器、绝缘子等)的瓷裙表面闪络而爆炸，甚至会形成短路。

(4)铁磁谐振过电压出现时，电网中可能并无接地点，但会出现电压一相降低两相升高的虚假接地现象，使运行值班人员造成错觉，形成误判。

(5)铁磁谐振过电压出现时，如果工作、保护等接地网的接地电阻不合格，此过电压还可以通过设备的接地引线，窜入接地网，使接地电压升高，从而危及现场人员的人身安全。

三、消除铁磁谐振的方法

由于电网参数及外界激发条件的不同，可能造成铁磁谐振过电压。铁磁谐振过电压会损坏设备，导致事故的发生和扩大，甚至造成系统瓦解，危及人身安全，它的影响和危害极大，必须采取限制铁磁谐振过电压的措施。

常用的消谐方法有以下几种。

1、改变电气参数

(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，可以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。

(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1.5 MΩ的电压互感器。

(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。如变电站只作为测量仪表和保护用的电压互感器，其中性点不允许接地。

(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，可避免因深度饱和而引起的谐振。

(5) 每相对地加装电容器

这种办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) 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30 A时，可将中性点通过消弧线圈接地。

2、消耗谐振能量

(1)在PT开口三角形侧并联阻尼电阻。

这一措施起到了改变电压互感器参数的作用。不仅能防止电压互感器发生磁饱和，而且还能有效地消耗谐振能量，防止产生谐振过电压。但此方法常用在要求不高的变电站，原因是消谐电阻多采用电灯泡或电阻丝，当其损坏后将不会有消谐作用;且当系统发生单相接地时，在开口三角侧将产生100 V的电压，而由于电灯泡或电阻丝的冷态电阻是较小的，容易在PT开口三角侧流过较大的电流引起PT损坏。

(2)在电压互感器一次侧中性点与地之间串接消谐电阻

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：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。

(3)装设消谐装置

可在电压互感器的开口三角绕组处直接装设消谐装置，当发生谐振时，电压在设计周波下达到动作值时，装置的鉴频系统自动投入“消谐电阻”吸收谐振能量，消除铁磁谐振。消谐装置动作较可靠，还可以记录故障时的电压、振荡频率等参数，利于事故分析，现采用此方法较多。

四、小结

10～35 kV电压等级电网产生铁磁谐振，是导致电压互感器烧损，引起停电，危及安全供电的原因之一;采取改变电力系统参数，破坏谐振条件，以及吸收与消耗谐振能量以抑制谐振的产生，可有效地消除铁磁谐振，杜绝铁磁谐振给电网带来的不安全影响，保证电网可靠经济运行。经过对铁磁谐振成因和消除方法的研究，我局15座 35kV变电站采取了在PT开口三角处直接装设消谐装置的方法，迄今为止未发生一起因铁磁谐振造成的事故，保证了变电站的安全可靠运行。

参考文献：

1、常美生，《高电压技术》，中国电力出版社

2、赵翠宇，管益斌，《电压互感器铁磁谐振的分析与预防》，中国电力出版社