电压互感器引起的谐振过电压及防范措施

赵 融 上海铁路局供电处

铁路10 kV电力系统中由电压互感器铁芯深度饱和引起铁磁谐振过电压的情况时有发生。它持续时间长，能长时间自保持，是电压互感器烧损甚至爆炸的重要原因，严重威胁电力系统的安全运行。近年来随着铁路客运专线的相继开通，供信号用电的高压线路大范围应用电缆，配电网线路对地电容显著增加，系统中发生单相接地或弧光接地故障时，极易引发系统内电压互感器的饱和，激发谐振过电压，导致电压互感器烧损现象的发生。

1 故障现象及相关数据

京沪高铁无锡东10 kV配电所自开通以来，间隔4次发生电压互感器烧损的现象，以下为典型案例。2011年8月11日14：34左右，京沪高铁无锡东10 kV配电所高压室里有"嘭、嘭"声响，随后发现电源二N10母互二柜A相电压互感器炸裂，接着N8柜电源二柜断路器跳闸。随即询问供电局得知：14：20无锡供电局团结变10 kV张村线125保护动作跳闸，重合闸成功，同时10 kV一段母线接地，电压A相10.3 kV；B相10.45 kV；C相 0.1 kV。

无锡东10 kV配电所内电源二受电柜毛刺曲线图数据得知：

① 14：20，A 相 8.94 kV；B 相 9.91 kV；C相 1.48 kV。

② 14：26，A 相 9.07 kV；B 相 9.93 kV；C相 1.23 kV。

③ 14：36，A 相 0.07 kV；B 相 0.08 kV；C相 0.05 kV。

事故报文：

故障时，A相电压 0.089 kV；B相电压 6.648 kV；C相电压 0.045 kV。

故障时，系统频率为21.85 Hz。

14 h36 min18 s425 ms，电源二欠压保护。

2 故障原因剖析

14:20无锡供电局团结变高压馈出回路张村线C相接地，由于无锡东10 kV所电源二团结线与供电局故障回路张村线为同一母线，所内主母互二A、B相电压上升为线电压，C相电压基本为0。故障时，系统频率为21.85 Hz，从故障现象和故障时各相电压的数据判断电压互感器铁磁谐振的基波不是工频，而是1/2分频。因为频率减半，电压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，而高压绕组流过极大的过电流，导致电压互感器一次电流剧增至原几十倍乃至上百倍。A相PT严重过载造成无锡东10 kV所电源二团结线N10主母互二柜A相电压互感器炸裂。后因供电局试拉馈出故障回路，致无锡东10 kV所电源二柜低电压保护跳闸。

3 谐振过电压理论分析

10 kV系统电压互感器频繁烧损严重威胁电力系统安全运行。通过对京沪高铁无锡东10 kV配电所一系列故障的全面剖析，得出谐振随着对地电容和电压互感器起始励磁电感的增大，依次发生高频、基频和分频谐振。电压互感器电感与系统对地电容并联，构成如图1所示的等值电路。

图1 电压互感器电感和系统对地电容的等值电路

图1中，各相电压互感器励磁特性相同，铁芯不饱和时，L1=L2=L3=L0（L0为铁芯未饱和时的电感），三相对地电容基本相等，电源电势EA、EB和EC为三相对称电源，中性点O的电位U0。

式（ 1） 中，Y1为相对地导纳，Y1=-j·1/ωLi+jωC0

正常运行时，EA+EB+EC=0，Y1=Y2=Y3，系统中性点电位U0为零。一般情况下，1/ωLi＜ωC0， 各相导纳均是容性导纳，不会出现谐振。但当系统受到某种干扰，如单相接地、雷击、合闸操作等外部因素激发的情况下，使某一相或者几相铁芯饱和，恰好使Y1+Y2+Y3接近于零，便产生了谐振现象。

由式（1）得Y1+Y2+Y3接近于零的频率就是回路的自振频率，完全取决于系统对地电容 C0的大小和电压互感器的励磁特性 Li。 如果 C0·Li很大，回路的自振频率ω就低，有可能出现分频谐振。反之，如果C0·Li很小，回路的自振频率ω就高，有可能出现高频谐振。

根据Peterson试验也得出结论：电压互感器铁心电感的伏安特性愈好越不易饱和，谐振所需阻抗参数Xco/XL越大(Xco是线路零序容抗，XL是电压互感器额定线电压下的感抗)。谐振区域与阻抗比Xco/XL有直接关系，1/2分频谐振区域的Xco/XL约为0.01～0.08；基频谐振区域的Xco/XL约为0.08～0.8；高频谐振区域的Xco/XL约为0.6～3.0。当改变电网零序电容时Xco/XL随之改变，回路可能出现由一种谐振状态转变为另一种谐振状态。如果零序电容过大或过小就可脱离谐振区域即不发生谐振。

据相关试验得到，分频谐振电流为正常电流的240倍以上，工频谐振电流为正常电流的40～60倍，高频谐振电流更小。在这些谐振中，分频谐振的破坏最大，如果电压互感器的绝缘良好，工频和高频一般不会危及设备的安全，而分频则能使电压互感器烧损。由此，也间接推断出京沪高铁无锡东10 kV配电所电压互感器铁磁发生分频谐振导致电压互感器烧损的结论。

4 限制电压互感器铁磁谐振过电压的防范措施

根据铁磁谐振产生的原理，防止铁磁谐振的发生，最有效的办法是改变系统参数，设法改变电压互感器的电抗或电力系统对地的容抗，破坏谐振产生的条件。在铁磁谐振发生后，要有效地阻尼谐振的发展，消除其带来的危害。

4.1 在电压互感器开口三角绕组端口接消谐电阻

电力系统正常运行时，开口三角两端的不平衡电压很小，而当谐振发生时，中性点出现位移，开口三角两端将出现较高的电压，如果在开口三角两端接上电阻，电阻将消耗能量，对谐振起到阻尼的作用。

但在单相接地故障时，开口三角两端也出现较高的零序电压，按规范规定允许系统继续运行两个小时，开口三角上的电阻过小，可能导致流过互感器的电流过大，持续时间过长而烧损。非线性消谐电阻就是通过对单相接地和铁磁谐振的判别，选择性地在铁磁谐振时，在开口三角两端接入不同电阻值，阻尼铁磁谐振的发展，而在单相接地故障和其它不平衡电压发生时不动作。

4.2 在电压互感器高压侧中心点与地间接消谐电阻

电压互感器高压侧中心点加装消谐电阻，相当于在电压互感器零序回路增加电阻，一方面部分零序电压将施加在消谐电阻上，使电压互感器的饱和程度降低，不至于发生铁磁谐振消，另一方面消谐电阻限制了流过电压互感器的零序电流，避免过大的电流流过电压互感器引起互感器烧损。从消谐角度来说，消谐电阻越大，分担的电压就越高，电压互感器铁芯越不容易饱和，可以有效地阻止铁磁谐振的发生。但是电阻过大，电压互感器开口三角输出电压就相应降低，影响继电保护装置动作的灵敏性。消谐电阻采用非线性电阻，在电网正常运行时，消谐电阻上电压不高，呈高阻值，防止铁磁谐振的发生，而在单相接地时，消谐电阻上电压升高，呈低阻值，可满足电压互感器开口三角电压不小于80 V的要求，使其不影响接地保护装置的工作。

4.3 系统中心点经消弧线圈接地

由于大量应用电缆，接地电容电流很大，发生接地后电弧不易熄灭，容易激发电压互感器的饱和谐振过电压和间歇性的弧光接地过电压。系统中心点经消弧线圈接地能使系统阻抗参数尽量避开谐振区，对发生谐振较频繁的一级贯通、综合贯通回路，还应考虑将一贯母互、综贯母互电压互感器中性点改为经消弧线圈接地。谐振严重的变配电所可考虑在电源中性点装设自动调谐接地补偿装置。

4.4 降低电压互感器的磁通密度，改善其伏安特性

从Peterson的试验可以看出，当Xco/XL≤0.01时，可有效地避免谐振的发生，为此选用励磁特性饱和点较高的抗谐振低磁密度全绝缘电压互感器，通过XL增加，使电压互感器可以在系统有接地时，能够长时间运行而不烧损。

5 结束语

铁路电力系统中引起电网过电压的原因很多，其中谐振过电压出现相对频繁，其危害性较大。一旦发生，往往会造成电气设备的损坏，甚至发生停电事故，严重影响铁路运行的安全可靠。

通过探讨，我们知道限制电压互感器铁磁谐振过电压的防范措施有很多，各有优缺点，鉴于京沪高铁无锡东10kV配电所电压互感器频繁烧损的情况，第一种方案考虑到现场电压互感器柜空间有限等因素，决定在电压互感器开口三角绕组处接非线性消谐电阻，电压互感器采用低磁密度互感器以及在电压互感器高压侧增设高压一次熔断器的措施。第二种方案将主母互柜的电压互感器加柜单独引出，互感器使用全绝缘PT并加装一次消谐器以及在电压互感器高压侧增设高压一次熔断器的措施。所以在实际应用中，应根据电力系统实际情况，合理选用切实可行的消谐措施，以达到最佳消谐效果，才能确保铁路供电的安全可靠。