电磁式电压互感器故障分析及防控措施

王冰冰 王超 陈嵩 邵昱

摘 要：电磁式电压互感器在我国10 kV配电网中广泛应用。其励磁电感呈现非线性，系统扰动时容易发生铁磁谐振，由此引起的PT炸裂情况时有发生，对电网正常运行带来严重的安全隐患。本文针对中性点不接地系统中PT铁磁谐振进行分析，结合实例阐述其产生机理及引发的危害，并对现有的几种消谐方法进行探讨。

关键词：电磁式电压互感器;铁磁谐振;消谐

中图分类号：TM451文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）31-0137-04

Failure Analysis and Prevention and Control Measures

of Electromagnetic Voltage Transformer

WANG Bingbing WANG ChaoCHEN Song SHAO Yu

（State Grid Zhengzhou Power Supply Company，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Electromagnetic voltage transformer （PT） is widely used in my country's 10kV distribution network. Due to its non-linear excitation inductance， ferromagnetic resonance is prone to occur when the system is disturbed， and the resulting PT bursting occurs from time to time. The normal operation of the power grid brings serious security risks. This paper analyzed the PT ferromagnetic resonance in the neutral point ungrounded system， explained its generation mechanism and the harm caused by the case analysis， and discussed several existing resonance elimination methods.

Keywords： electromagnetic voltage transformer;ferromagnetic resonance;resonance elimination

目前，我国10 kV配电网通常为中性点不接地的小电流接地系统，大多使用传统的电磁式电压互感器（PT）[1]。PT一、二次绕组采用星形接线，中性点接地，另三次绕组接成开口三角形，用以监测系统是否出现单相接地[2]。系统正常运行时，母线上三相电压平衡，PT励磁感抗相比10 kV系统对地容抗要大很多，因此，中性点的偏移电压很小，基本不会对设备造成影响。但是，当电网出现扰动（单相接地故障、空合母线、系统配置不平衡等）引起中性点位移时，可能会使电磁式PT由于饱和程度不同出现铁磁谐振，进而引起系统过电压和互感器过电流[3]。

1 电磁式PT铁磁谐振过电压基本原理及其危害

1.1 铁磁谐振过电压原理

在中性点不接地的小电流接地系统中，母线存在对地电容，电磁式PT通常接在母线上，可以等效为铁芯电感元件。由于铁芯材料励磁曲线的非线性，当系統出现大波动时，铁芯材料可能进入饱和，与对地电容配合发生铁磁谐振，振荡过程中产生谐振过电压[4]。

对于小电流接地系统，其一次接线图可以简化为图1（a）所示，等值电路如图1（b）所示[5]。图1（b）中，左为系统母线三相对称电源，右侧为电磁式PT，其一次侧可以等效为星形连接的励磁电感，三相分别为[LA]、[LB]、[LC]，[C0]为各相上的设备对地电容值，并联后其导纳为：

由基尔霍夫电流定律可知，中性点的电势为：

系统正常运行时，PT的励磁阻抗很大，流经电感线圈的电流较小，互感器铁芯未达到饱和，三相平衡，[YA]、[YB]、[YC]基本相等，故三相电动势，中性点电压[E0]为0，即PT一次侧中性点电压为地电位。

电网扰动时，可能会使对地电压升高，励磁电流突然增大而进入饱和。若三相PT一次侧饱和程度不同，三相导纳不平衡，即[YA]、[YB]、[YC]不相等，那么[E0]不等于0，中性点就会出现电压偏移，偏移程度与PT一次侧饱和差异有关。

如果参数匹配不当，恰好使得总导纳接近零，就可能引起谐振过电压[6]。一般按照频率将谐振分成高频谐振、分频谐振和基频谐振三种。设电压互感器额定励磁感抗[Xm=ωL]，系统每相对地容抗[XC0=1/ωC0]，研究表明，系统中发生不同频率谐振与[XC0Xm]的值有着直接的关系，具体如下。

①当比值在0.01～0.07时，发生分频（主要是1/2次谐波）谐振，系统三相对地电压轮流升高，并作低频摆动。

②当比值在0.07～0.55时，发生基频谐振，系统两相电压升高、一相电压降低。

③当比值在0.55～2.8时，发生高频（主要是3次、5次谐波）谐振，系统三相对地电压升高或一相升高另两相降低，且系统中性点有较高幅值的零序电压。

④当比值小于0.01或大于2.8时，系统不会发生铁磁谐振[7]。

实际运行中，经常出现PT一次侧两相严重饱和、一相不饱和的情况。假设互感器铁芯A相不饱和，其等值电容为[C′]，则有

B、C两相严重饱和，其等值电感相等为[L']，则有

由此，等值电路可以表示为图2[8]。

由[ωC+1/ωLωC-2/ωL≥1]可知中性点位移电压[E0]与[EA]反相，且[E0>EA]，原来中性点O与地（[O′]）是重合的，现因出现中性点位移电压[E0]，使PT一次侧中性点[O′]发生偏移，如图3所示。从图中的向量关系位置可以看出，饱和相B、C两相对地电压升高，不饱和相A相的对地电压降低，与系统发生单相短路接地故障的情况相似，称这种现象为“虚幻接地”。

1.2 铁磁谐振的危害

由上述分析可知，当系统扰动发生铁磁谐振时，PT就会产生谐振过电压。只要谐振条件没有改变，它就持续存在，危害系统安全。它会增大系统中元件的电流和电压，缩短元件使用寿命;还可能造成虚假接地的现象，导致继电保护装置误动作;过电压长时间存在甚至会造成PT烧毁、变压器燃烧等重大事故，严重影响系统的稳定运行[9]。

2 某变电站电磁式PT炸裂原因分析

2019年7月13日04：15，某变电站10kV Ⅱ母Ⅱ段、Ⅲ母A相接地，其运行方式如图4所示，04：19，10 kV Ⅲ母TV异常，线电压降为零。高压室有巨响，经现场检查发现高压室有浓烟。04：21，3#变低后备保护动作，103跳闸，该站Ⅱ母Ⅱ段、Ⅲ母失压。

经开仓检查后，发现该变电站10 kV Ⅲ母PT手车烧损严重，A相PT本体有烧损痕迹，B、C相PT本体严重烧损开裂，如图5所示，PT柜内壁存在明显的放电痕迹，如图6所示，其余开关柜内母线及跨桥母线无受损迹象，初步判断PT柜为故障处。

后经深入排查，确定事故初始原因为一条10 kV馈出线发生A相接地，系统非故障相电压升高为线电压并对系统产生扰动。从消弧线圈装置信息及保护录波可以看出，中性点电压为6 061 V，存在金属性接地故障。金属性接地故障电流中存在很高的直流分量且故障电流持续长达250 s，直流分量流经PT相当于线圈短路，会引起PT线圈严重发热。同时，在电压突变过程中，该站10 kV母线PT高压线圈非接地两相B、C相的励磁电流突然增大、饱和，饱和后的PT励磁电感变小，由此构成相间串联谐振，产生过电压。与此同时，感抗下降使得励磁回路严重饱和，励磁电流远超额定值，导致铁芯剧烈振动。电压互感器在大电流下运行，自身温度迅速升高，铁芯严重发热，最终导致PT本体烧损。

PT本体烧损后，烟尘及火焰蔓延引发A、B、C三相弧光短路，3#变低复压过流Ⅰ段保护动作跳开103开关，导致该站10 kV II母II段、Ⅲ母失压，造成事故扩大。

3 铁磁谐振抑制方法

3.1 中性点经电阻或消谐器接地

在电压互感器中性点与地之间串联消谐电阻，相当于电压互感器每相对地均接入电阻，可以在发生铁磁谐振时起到消耗能量、抑制谐波的作用。这使得电压互感器的中性点电位升高，从而降低其一次绕组两端电压，当消谐电阻大小合适时，可以降低电压互感器铁芯饱和程度或使其工作在线性区。此外，在单相接地引发间歇性电弧时，消谐电阻的接入可以使系统对地电容通过消谐电阻构成回路，降低流过电压互感器绕组中的电流，保护电压互感器不因过流而损坏。

这种方法同时也可能带来不利影响。消谐电阻的存在会使电压互感器中性点在铁磁谐振时产生一定的电压，电压过大则有可能对地放电，使中性点绝缘击穿。此外，还会降低电压互感器二次侧开口三角绕组的输出电压，影响接地指示装置的灵敏度[10]。

因此，在采用这种方法时，需要根据系统的参数选择合适的消谐电阻。有研究表明，在中低压配电系统中，接入线性电阻可以在发生单相接地故障时有效抑制铁磁谐振，缩短鐵磁谐振时间，降低流过PT的电流值，但需要接入的电阻值较大，对其他故障引起的谐振抑制效果不好[11]。

若接入电阻为非线性，消谐效果好、速度快，但若有较多的负荷侧PT中性点直接接地，会导致饱和电流过大，零序电压升高，反而起到反作用[12-13]。

3.2 PT开口三角绕组接电阻或消谐装置

电压互感器开口三角绕组端口在电力系统正常运行时基本无电压，因此接入阻尼电阻[R0]并不消耗能量，而在谐振发生时，可以消耗谐振过程中产生的能量，起到消谐的作用。串联电阻后折算至一次侧的原理如图8所示。其中[Z1=R1+X1]，为一次侧漏阻抗;[Zm=Rm+Xm]，为一次侧激磁阻抗;[Z3=R3+X3]，为开口三角绕组折算至一次侧阻抗;[R]为折算至一次侧的开口三角串联电阻。

图7中，[Z1<

串联的电阻[R]若取值过小，三角绕组将在铁磁谐振时产生巨大环流，可能会损坏互感器绝缘甚至烧毁互感器。因此，[R]的选择需要根据电压互感器容量综合考虑，按照《电力设备过电压保护设计技术规程》（SDJ 7—1997）建议的经验数据是[R≤0.4X0]，[X0]为线电压下电压互感器每相励磁电抗换算到开口三角接线处的值[14]。

3.3 4PT方法

该方法一方面可以增大PT等值零序电感，使更容易满足;另一方面，可以改变PT的电压分布，使其铁芯不易饱和，抑制铁磁谐振的发生。其原理如图8所示，3只主电压互感器星形接线的中性点通过电压互感器的一次绕组接地，这样在正常运行时中性点电压偏移很小，故障时零序电压互感器抑制涌流，可以有效抑制系统的谐振过电压[15]。

在电网单相接地时伴随着低频振荡，4PT这种方法会因频率降低导致PT4的阻抗下降。而一次PT的零序电压升高、开口环流增大（一次开口零序短路能有效抑制2次谐波），严重时将烧毁PT，而且4PT法体积庞大，成本较高[16]。

3.4 其他方法

减少同一电网中并联PT数量也是一种在实际中易于实施的消谐方法，可以增大励磁感抗，避开谐振区，效果十分明显[17]。但是，这种方法无法很好地抑制PT过电流现象，因此需要与其他抑制措施综合使用。

电网中性点经消弧线圈接地也可以抑制谐波电流，这相当于在零序回路中PT的励磁电感两端并联了消弧线圈，而消弧线圈的电感值远远小于PT的励磁电感，PT就不易饱和[18]。但是，由于系统中倒闸操作及中性点方式的不确定性，其很难具体实施。

4 结论

本文结合某变电站电磁式电压互感器炸裂事故，对电磁式电压互感器的铁磁谐振进行分析，说明其产生的原因及影响，同时对各类消除铁磁谐振的方法及其适用范围进行探讨。为防止铁磁谐振事故，應选用励磁特性较好的电压互感器，避免其在运行中出现铁芯饱和现象。发生铁磁谐振的原因复杂多变，因此，在实际应用中应根据电网的具体情况，多种方法并用，以更好地预防铁磁谐振，确保电力系统的安全稳定运行。

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