电压互感器铁磁谐振故障原因分析与处理

吴智萍 中国铁路上海局集团有限公司杭州职工培训基地

在铁路10 kV的电力系统中，大多数采用中性点不接地的方式。为了监测铁路电力系统的运行状态，设置了大量的电磁式电压互感器。因外界的扰动（例如线路的接地，倒闸操作等）导致互感器产生铁磁谐振，激发出持续的过电压和过电流，这种内部过电压，轻则造成电压互感器一次侧熔断器烧毁，重则烧毁电压互感器或炸毁绝缘子，严重威胁电力系统的安全运行。

1 电压互感器铁磁谐振产生机理及激发因素

1.1 铁磁谐振产生机理

以图1为例，分析铁磁谐振产生机理。

图1 中性点不接地系统铁磁谐振简化电路图

Xm是电压互感器PT一次侧绕组L的感抗值，Xc0是系统对地电容C0的容抗值。在中性点不接地的系统中，出于保护的需要，电压互感器的中性点是直接接地的。正常运行情况下三相阻抗对称，系统中性点位移基本接近于零，电压互感器的励磁感抗很大，励磁电流很小。此时励磁感抗大于线路对地电容的容抗，即Xm＞Xc0。当出现一个激发条件，电压互感器的三相铁芯出现不同程度的饱和，使得互感器励磁电感L变小，励磁阻抗发生变化，中性点发生位移。当参数配合恰当，就会产生铁磁谐振。其主要特点有：①铁磁谐振回路中需存在非线性铁芯电感；②铁磁谐振需要一定的激发条件；③谐振一旦形成，会产生“自保持”，会存在很长时间，除非谐振条件被破坏才会被消除。

1.2 铁磁谐振激发因素

铁磁谐振激发因素包括：①单相接地；②线路断线；③线路非同期合闸操作；④电力系统瞬间过电压；⑤电磁式电压互感器突然投入运行。其中单相接地是最常见的激发因素。

2 铁磁谐振现象分析

针对谐振过电压，H.A.Peterson曾进行了专门的模拟实验，图2为模拟试验得到的2种励磁电感伏安特性曲线（图2中1#、2#两条曲线），图2中，U为实验电源电压，为铁芯电感的额定线电压。以作为电压基准值，此时时的励磁电流为电流基准值。

模拟实验发现，无论对于基波、分次谐波还是高次谐波，只有在一定的参数范围和电源电压下才会发生谐振过电压现象。图3为与图2中1#、2#励磁电感伏安特性曲线分别所对应的3种谐振区域（包括3种实线谐振和3种虚线谐振），3种谐振分别为分频谐振（1/2次波）、基频谐振和高频谐谐振。当电源电压U和阻抗比落Xc0/Xm在某一曲线范围内时，就会产生相应的谐振。结合图2和图3分析如下:

（1）当Xc0/Xm=0.01～0.07之间，为分频谐振（主要是1/2次波）；当 Xc0/Xm=0.07～0.55之间，为基频谐振；当 Xc0/Xm=0.45～2.8之间，为高频谐振（主要是三次波）；当Xc0/Xm≤0.01或者Xc0/Xm≥2.8时，系统不会发生铁磁谐振。

（2）在不同的谐振区域，外施的触发电压是不同的。分频谐振区触发电压最低，在额定电压下稍有波动即可达到触发条件发生谐振，而高频谐振的触发电压最高，所以电力系统中发生的比较多的是分频谐振和基频谐振。

经过以上的分析，可以看出这3种谐振有如下特点:

（1）在分频谐振区间，此时Xc0/Xm=0.01～0.07，比值较小，电感和电容能量振荡时间较长，频率比较低。此时表现为：①产生的过电压倍数较低，一般不超过2倍的相电压。从电压表上看，三相相电压同时升高或依次升高；②由于铁芯深度饱和，励磁电流大，可达额定电流的30～50倍，甚至可以达到百倍以上，并经常导致电压互感器的熔丝熔断，严重时烧毁互感器。分析发现，单相接地故障消失后易激发分频谐振。

（2）在基频谐振区间，此时Xc0/Xm=0.07～0.55，发生谐振的频率与电网额定频率相同，主要表现为：①三相电压有两相升高，一相降低，一般过电压的数值不超过2倍的相电压；②此时会有接地信号发出，也称为虚幻接地。分析发现，线路非同期合闸易激发基频谐振。

（3）在高频谐振区间，此时Xc0/Xm=0.45～2.8，线路的电容较小，振荡能量交换较快，主要表现为：①过电压倍数较高，三相电压同时升高，过电压倍数可达4～5倍相电压；②谐振时过电流较小。分析发现，线路非同期合闸在适当的外界条件下可引发高频谐振。

图2 励磁电感伏安特性曲线

图3 不同励磁伏安特性所对应的3种谐振区域

3 铁磁谐振故障案例分析及处理措施

3.1 故障现象和原因分析

京沪高铁无锡东站10 kV配电所高压室内某日突然发出“嘭、嘭”声响，二号电源母互柜（N10）电压互感器A相冒烟，与此同时二号电源断路器柜（N8）的断路器跳闸，经查找发现是由于供电局线路单相接地造成。具体分析如下:

（1）供电局线路C相接地，其馈出至无锡东站10 kV所电源线A、B相电压上升为线电压，使得电压互感器铁芯饱和，产生铁磁谐振过电压致使电压互感器炸裂（见图4）。

（2）设计缺陷。该电压互感器在京沪高铁开通之前曾发生过同样的问题，后加装了20 Ω 600 W普通的消谐电阻没有效果；电压互感器（半绝缘）抗过载能力差，在供电系统为10 kV不接地系统且线路发生单相接地故障时，对地电压数值会由相电压会升高为线电压；电源进线柜未设母线零序过压保护，使其既不能报警也不能出口跳闸。

图4 故障现场图

3.2 处理措施

（1）将电压互感器的工作电压等级提高到12 kV，并采用全绝缘。

（2）一次侧加高压熔丝保护。磁饱和时电压互感器一次电流会剧增至原几十倍乃至上百倍，因此采取配置一次侧镕丝保护。

（3）设置2分频的二次消谐器。考虑到电压互感器铁磁谐振的基波不是工频而是2分频，因此针对2分频配置二次消谐器。

4 常用铁磁谐振消谐措施

（1）电压互感器一次侧中性点经电阻接地，如图5所示。中性点接入电阻接地，称之为一次消谐，电阻也称为消谐器。这个电阻可以是线性的，也可以是非线性的，中性点串入电阻后，在线路发生单相接地时，可以降低非故障相的对地电压，抑制涌流，减小电压互感器绕组的饱和度，降低铁磁谐振的可能性。消谐电阻越大，消谐效果越好。一次消谐器只能保护本互感器，对电网中其他互感器消谐不起作用。

采用这种消谐方式要考虑消谐器的热容量，如果热容量选择不当，容易导致引线烧断、消谐器烧毁等故障，从而失去消谐作用。另外，单相接地故障时，消谐电阻承担了大部分的零序电压，使得开口三角形处电压降低，影响继电保护的灵敏度。再者，在这中性点不直接接地的情况下，在发生单相接地时电压互感器的中性点对地电压或达到数千伏，对电压互感器的绝缘要求高，因此，不能使用半绝缘的电压互感器，应采用全绝缘的互感器。

图5 互感器一次侧中性点经电阻接地电路图

（2）电压互感器二次侧三角形开口处装设电阻，如图6所示。在电压互感器二次侧的开口三角形处装设电阻，称为二次消谐。在正常情况下，开口三角形两端电压为零，电阻呈现高阻态。当发生单相接地时，开口三角形两端有电压，电阻呈低阻可以消耗谐振的能量，可以抑制铁磁谐振过电压，其电阻越小，消耗谐振能量的效果越显著。但是由于流过较大的电流，电压互感器容易过载，在谐振时间较长时，甚至会导致互感器镕丝熔断或者互感器烧损。

现在普遍采用微机消谐器来进行二次消谐，微机二次消谐器的工作原理是：在开口三角形处并联2只反向晶闸管，2只晶闸管由单片机控制，正常运行或单相接地时，装置不动作。一旦判断出发生铁磁谐振，2只晶闸管交替触发导通，开口三角形处被短接，通过消耗能量来消除谐振，谐振消除后，晶闸管恢复阻断状态。开口三角形处短接时间较短，一般不会对互感器造成影响，但是，消谐器一旦晶闸管关断失效，开口三角形处将始终处于短路状态，如果发生单相接地时，大电流会烧毁互感器。

图6 二次消谐器接线电路图

（3）采用消弧线圈。消弧线圈的感抗远远小于电压互感器的感抗值，在系统中性点上接入消弧线圈，相当于电压互感器并联了1个线圈，改变了系统中电感L的数量，破坏了谐振条件，并且在有了消弧线圈之后，减小了流过电压互感器的电流，防止了电压互感器事故的发生。

（4）采用励磁特性好的电压互感器。伏安特性好的电压互感器，在一般过电压下不会进入饱和区，不易构成参数匹配而引发谐振。从某种程度来说，这是一个治本的措施。

（5）在三相互感器的中性点接入零序互感器，如图7所示。这种方法也称为4PT法，零序互感器接在三相互感器一次侧中性点和地之间。这种方法把零序电压大部分降落在零序互感器上，使得三相互感器不易出现饱和。接入零序互感器后，不影响正常的电压指示、计量和保护。在电网发生单相接地后，零序互感器二次侧继电器动作。另外，串入的零序互感器的励磁感抗很大，会使得三相互感器回路的励磁感抗显著增大，使得谐振最低动作电压值大大提高，抑制了铁磁谐振的发生。

图7 中性点接入单相互感器接线电路图

（6）采用电容式互感器，消除谐振发生的条件。

（7）维护好线路和设备，防止发生闪络和单相接地的事故发生。

（8）尽量避免空母线和空载变压器的投入。

5 结束语

从以上分析我们可以看到，在不接地电力系统中，存在着许多铁芯电感元件，容易引发铁磁谐振。消除谐振的方法主要从两个方面着手：消耗谐振的能量和改变电力系统的参数。为了确保设备的安全运行，必须提前做好有针对性的防范措施，防止发生铁磁谐振，消除或减轻由此带来的危害。