小电流接地系统铁磁谐振原因及消除

2012-03-10蒋文芳

中国新技术新产品 2012年14期

蒋文芳

(四川省电力公司内江隆昌供电局，四川内江 642150）

一铁磁谐振的原因

图1 电容和铁芯线圈并联

在小电流接地系统中，电源变压器中性点不接地，母线上接有中性点接地的电磁式电压互感器和出线。电压互感器相当于一个非线性电感线圈，而母线和出线存在一定的对地电容，母线系统的对地电容与母线电压互感器的电感组成电感和电容并联回路。如图1 所示：电容与铁芯线圈并联回路及向量图。也可画出U 与I 的变化关系曲线，如图2，图(a)中，曲线1 代表Ic 与U 的关系U＝f（IC），曲线2 代表IL 与U 的关系曲线，曲线3 表示总电流与U 的关系，曲线3 中的a、d 两点分别对应于曲线1、2 中的n、m 两点。为方便分析，也可以画出U 与I 的变化关系曲线如图2 所示：

图2 并联时电压与电流的关系

（a）U=f (Ic)、U=f (IL)和U=f (I) (b)变换后的U=f (I)把曲线3 的弯曲部分oad 画到纵坐标的右侧，如图2（b）所示，d 点的总电流I 为零，它是共振点，这时产生电流共振。电压低于这一点时，电流是容性的，电压高于这一点时，电流是感性的。oa 段是稳定区，ab 段是不稳定区，当电流逐渐增加到a 点时，电压就有"飞跃"现象，由a 点到b 点的同时总电流的相位也翻转180°，由原来的容性变为感性的，电流沿着bc 继续上升，到达d 点时，产生谐振。

正常运行时，电源电压较低，一般Ug

铁磁谐振是因电压互感器铁芯在波动高电压饱和而引起"跃变"过程。在铁芯未饱和时，电感大，电路中电感起主要作用；饱和后，电感变小，电路中容抗起主要作用，所以有电流的相位起变化。

二、小电流接地系统铁磁谐振

中性点不接地系统引起铁磁谐振过电压，从本质上来讲，是因电磁式电压互感器的非线性电感与系统中的对地电容构成的铁磁谐振引起的。当谐振发生时，中性点出现显著的位移，此时相电压将发生变动，电网的对地电容与互感器的励磁电感相匹配，且初始感抗应大于容抗。这是因在铁芯电感与电容的并联回路中，如在初始状态（较低电压下）XL >Xc，即二者并联后相当于容性阻抗（C′），当在一定的外界"激发" 条件下，使电源电压升高，铁芯趋于饱和，XL 下降导致中性点位移。激发条件有：

1.带有电压互感器的空母线或者空载线路突然合闸充电，在这种情况下，即使三相断路器同期，但是由于三相电压相差120°，它们不可能在同时在同样的条件下合闸，可能有的相过零电流时最大时合闸，这样会在互感器绕组中流过幅值很大的不平衡涌流，导致铁芯饱和。

2.因雷击或者其他原因，使线路发生瞬间弧光接地，健全相电压突然升至线电压。

3.由传递过电压也可以使电压互感器达到饱和。如在电源变压器的高压侧发生瞬间单相接地或断路器不同期操作时，其零序电压也会传递到接有电磁式电压互感器这一侧，在此传递过电压下，造成互感器铁芯饱和。

铁磁谐振可以是基波谐振，也可以是分次谐波谐振、高次谐波谐振。其表现形式可能是单相，两相或者三相对地电压升高，或以低频摆动，引起绝缘闪络或避雷器爆炸；或产生零序电压分量，出现虚幻接地现象和不正确的接地指示；或在电压互感器中出现过电流，引起保险熔断或互感器烧毁。

例如1998 年7 月26 日，当时大风雷雨天气，35kv 隆昌变电站10kv 母线B 相间歇性接地，随后不久就出现10kvⅠ、Ⅱ段母线接地光字牌亮，中央信号发出告警信号，10kv 母线电压互感器声音不正常。检查发现10kv 母线电压三相不平衡而且升高，且伴随有电压指示有波动，电压表指针有颤抖现象，（A 相11.6KV、B 相6.8KV、C 相9.2KV），随后就发生10KV 母线电压互感器冒烟烧毁。从上面电压互感器烧毁前、10KV 三相电压有两相电压都同时升高，B 相电压又没降低，并发出10KV 接地信号来看，说明10KV 回路处于谐振状态。母线电压互感器声音异常也说明当时互感器可能处于在饱和状态。

下面分析产生谐振的原因：

在中性点不接地系统中，电源侧中性点不接地，但是电压互感器高压侧中性点是接地的，若Ca、Cb、Cc 为10KV 各相对地等值电容，La、Lb、Lc 为母线电压互感器的一次侧三相线圈对地阻抗（忽略线圈电阻），系统发生B 相弧光接地，此时，电压互感器的铁芯线圈相当于与电容并联，原理接线图如下图3 所示：

这样就构成了可能产生谐振的并联回路，B相产生单相间隙弧光接地，产生间隙性过电压，致使AC 两相电压升高，使得电压互感器的铁芯出现饱和或者接近饱和，阻抗变小，产生谐振的激发条件，从而产生谐振，此时，电压互感器一次电流增大，磁通趋近饱和，有可能出现电压互感器高压侧熔断器熔断，要么就会引起电压互感器烧毁。由此看来，谐振引起的事故极为严重，故应采取积极有效的措施避免和消除谐振，保证系统的安全运行。

当小电流接地系统中对地容抗与对地感抗的关系符合Xc/ XL<0.01 时，则系统不会发生谐振，当0.01≤Xc/ XL≤0.1 时，系统能发生分频谐振，当0.1≤Xc/ XL≤1 时，系统可能发生基波谐振，当1≤Xc/ XL≤4 时，系统可能发生高频谐振。改变电网电容，Xc/ XL 随之改变，如果电容过大或过小，就可以脱离谐振区域，谐振就不会发生，阻抗参数Xc/ XL 落在谐振区域内，也并不是每次都能激发起稳定的谐振，因为谐振的产生还与电压冲击，涌流大小等激发因素有关，因此，要避免铁磁谐振的发生，应该破坏谐振的条件，使系统容抗降低，电抗增大，从而使Xc/XL 小于0.01，同时也要防止过压激发因素。

三、消除谐振的措施

为防止和消除谐振，可以采取以下措施:

1.变参数躲开谐振区：（1）改变Xc，当XL不变时，减小或增大Xc，以改变Xc/ XL，在变电站母线上增加出线数，或在母线上加装集中电容等。（2）改变XL，增大XL，使Xc/ XL<0.01，同样可以避免谐振的发生。a、选用伏安特性较好的电压互感器，使其工作点在伏安特性线性部分，这样电容伏安特性与电感伏安特性曲线交叉点将向后移动，铁芯不易饱和，提高谐振激发电压，也就难于激发谐振。b、减少电压互感器并联台数，这样可以增大XL，另外减少电压互感器的一次绕组中性点接地台数，以增大系统中的感抗，使其Xc/ XL<0.01 成立。c、合理安排操作方式：对空母线合闸容易产生谐振的变电站在合闸前，可先投入母线上的一条空载出线，然后再向母线充电，以达到改变系统参数，躲开谐振区域的目的。d、装设消弧线圈：中性点经消弧线圈接地，能帮助瞬间接地电弧熄灭，防止弧光接地过电压，对10KV 单相接地电流大于30A，35KV 系统单相接地电流大于10A 的应装设消弧线圈。e、提高断路器检修质量，保证开关三相合闸的同期性，消除开关三相不同期冲击合闸引起的过电压，激发谐振的可能性。

2.增大回路阻压效应

1）在电压互感器开口三角绕组两端接入阻尼电阻或短接。

2）在电压互感器高压绕组中性点接入适当的电阻，阻尼流过高压绕组和中性点的冲击振荡电流，避免铁芯饱和。

3）采用零序电压互感器，在10KV 电网中，采用零序电压互感器是防止电磁式电压互感器烧损的有效办法。

4）采用新型的消谐装置：a 、在电压互感器二次侧的开口三角上加装可控硅消谐装置，此装置消除铁磁谐振过电压十分有效。 b、采用目前广泛使用的LQX 消谐器，它是在电压互感器中性点上串接LQX 非线性电阻，限制谐振的产生，消谐效果明显。

3、在发生谐振时，可根据实际情况，采用投入备用线路；解列双母线或者单母线分段，也可以断开某一条出线等等以达到破坏谐振条件，消除谐振。