陳祖林

海南電力設(shè)計研究院，海南?？?570203

0 引言

在電力系統(tǒng)非有效接地系統(tǒng)中，由于技術(shù)和成本原因，廣泛采用電磁式電壓互感器(下面簡稱TV)，電磁式電壓互感器在單相接地、操作等外部因素激發(fā)的條件下，易發(fā)生鐵磁諧振，使得TV受到諧振過電壓和過電流的沖擊。諧振過電壓一旦發(fā)生，往往會造成電氣設(shè)備的損壞或繼電保護裝置的誤動，導(dǎo)致發(fā)生停電事故。為了盡可能地避免諧振過電壓的發(fā)生，在設(shè)計時應(yīng)進行必要的參數(shù)計算，采取適當(dāng)?shù)姆乐怪C振的措施，在操作設(shè)備時應(yīng)有合理的調(diào)度安排，盡量避免形成諧振回路。本文從變電站實際發(fā)生的一系列諧振過電壓現(xiàn)象，對電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振及消除方法進行討論。

1 電磁式電壓互感器鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生原理

在中性點非有效接地系統(tǒng)中，母線上常采用Y型接線的電磁式電壓互感器，如圖1所示，圖中E為電源電勢，C為線路等設(shè)備的對地電容，L為電壓互感器激磁電感。

以圖1為例，分析中性點非有效接地系統(tǒng)中電磁式TV諧振原理。

圖1中，TV一次側(cè)直接接地。為研究鐵磁諧振機理，忽略系統(tǒng)中的電源阻抗、電阻、鐵芯損耗和相間電容等。

圖1中各相電壓互感器勵磁特性相同, 鐵芯不飽和時，三相對地電容C基本相等，電源電勢E為三相對稱電源，中性點電位為：

式中，Y為相對地導(dǎo)納，Y=-j/(wL)+jwC。在正常運行條件下，

E1+ E2+ E3=0，L1＝L2＝L3，故各相對地導(dǎo)納Y1＝Y(jié)2＝Y(jié)3，中性點處在零電位，不會發(fā)生諧振現(xiàn)象。

當(dāng)系統(tǒng)受到某種干擾，例如單相接地故障、系統(tǒng)運行方式的改變或電氣設(shè)備的投切等，都可能出現(xiàn)相對地瞬間過電壓及勵磁電流的急劇增大，假設(shè)擾動致使A 相對地電壓瞬間提高，使得A相互感器的勵磁電流突然增大而發(fā)生飽和，其等值勵磁電感L1變小，以致三相勵磁電感不相等，導(dǎo)致中性點電壓發(fā)生偏移，由式（1）可知，如鐵心飽和，電感下降，式（1）中的分母變小，如果參數(shù)匹配，便能產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

2 鐵磁諧振的危害及主要消諧措施

由鐵磁諧振產(chǎn)生的原理可看出，當(dāng)諧振產(chǎn)生時，中性點電壓升高，產(chǎn)生零序諧振過電壓，過高的電壓可能導(dǎo)致設(shè)備結(jié)緣損壞、設(shè)備擊穿甚至爆炸及保護裝置誤動等。

隨著供電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，特別是城區(qū)、開發(fā)區(qū)和大型工廠內(nèi)部等電纜線路的日益增多，系統(tǒng)單相接地電容電流不斷增加。當(dāng)發(fā)生單相金屬性接地故障時，流過故障點的短路電流為所有線路對地電容電流之和，造成故障點的電弧不易熄滅，導(dǎo)致過電壓，很可能破壞設(shè)備結(jié)緣，發(fā)展成相間短路，造成停電或損壞設(shè)備的事故。同時，系統(tǒng)震蕩時，會產(chǎn)生高次諧波和分次諧波，由于鐵芯的磁特性的非線性，電感值會隨這外部電壓的變化而改變，由于頻率低，鐵芯磁通密度很高，TV線圈會產(chǎn)生很大的勵磁電流而燒壞TV。

消除鐵磁諧振的措施歸納起來主要有三方面：改變系統(tǒng)參數(shù)，使其不具備諧振條件，不易引起參數(shù)諧振；消耗諧振過程中產(chǎn)生的能量,消除諧振的發(fā)生；合理分配有功負荷，一般在輕載或空載條件下易發(fā)生諧振[1]。在電力系統(tǒng)實際應(yīng)用中，常采用下述四種消諧措施：

1）在開口三角繞組接電阻或加裝消諧裝置

圖2 TV開口三角繞組接電阻的電氣原理圖

系統(tǒng)正常運行時，TV開口三角輸出電壓為零。當(dāng)發(fā)生諧振時，中性點發(fā)生偏移，TV開口三角產(chǎn)生零序過電壓，在TV開口三角處接入電阻，消耗諧振產(chǎn)生的能量，限制諧振過電壓，電氣原理圖如圖2。電阻可按R≤0.4 Xm選取，Xm為電壓互感器在線電壓下單相繞組的勵磁電抗，電阻值越小，消耗諧振能量效果越顯著，越能抑制諧振過電壓，但電阻值太小的電阻并聯(lián)在開口三角上，會影響TV的正常運行，嚴(yán)重時甚至?xí)斐蒚V燒毀，因為電網(wǎng)的鐵磁諧振頻率往往不是單一的，所以這種方法難于消除所有頻率的諧振。在實際應(yīng)用中，由于裝置性能欠佳等原因，TV開口三角接電阻消諧方法運行的情況并不理想所以這種方法難于消除所有頻率的諧振。

實際應(yīng)用中通常采用微機消諧裝置消諧取代電阻，即在開口三角繞組并聯(lián)微機消諧裝置。正常運行和出現(xiàn)單相接地時，消諧裝置不動作，運行正常無誤。在電網(wǎng)發(fā)生鐵磁諧振時，微機消諧裝置導(dǎo)通，TV 開口三角被短接，諧振能量被消耗掉，當(dāng)諧振消失后，裝置恢復(fù)到斷開狀態(tài)。

但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在單相持續(xù)接地時，開口三角必須具備足夠大的容量，且微機消諧裝置在理論及制造上仍有不足，對單相接地故障及鐵磁諧振的判斷不夠準(zhǔn)確，如判斷不準(zhǔn)確，裝置拒動，可能會導(dǎo)致諧振過電壓燒毀設(shè)備等事故。

2）電壓互感器一次繞組中性點經(jīng)消諧電阻接地

一次中性點串入電阻相當(dāng)于每相對地接入一個電阻，消諧電阻限制TV一次繞組中產(chǎn)生的勵磁電流大小，消耗諧振能量，起到抑制諧振的作用，將高壓側(cè)繞組中的涌流抑制在很小的范圍內(nèi)，相等于改善了TV的伏安特性，避免形成諧振回路，電氣原理圖如圖3。

從原理來看消諧電阻越大，消諧效果越好。但是，如果消諧電阻值過大，電阻過熱易被燒毀，并且消諧電阻承擔(dān)絕大部分零序電壓，使TV開口三角輸出電壓值降低，這將會影響繼電保護裝置動作的靈敏度。

圖3 TV一次中性點經(jīng)消諧電阻接地的電氣原理圖

3）TV一次中性點經(jīng)零序TV接地消諧

在中性點非有效接地系統(tǒng)中，采用抗諧振TV，原理就是在TV一次繞組中性點經(jīng)一臺單相零序TV接地。中性點經(jīng)TV接地，使電磁式電壓互感器等值電感大大增加，改善了電壓互感器鐵芯的勵磁特性，容易滿足XC/XT≤0.01的參數(shù)條件，提高了諧振最低動作電壓的門檻，這樣TV就不易出現(xiàn)飽和，避免了諧振的產(chǎn)生，電氣原理圖如圖4。

正常運行時，中性點單相TV無電壓，各相對地電壓及相間電壓正常。當(dāng)出現(xiàn)諧振時，產(chǎn)生的零序電壓幾乎全施加在單相TV上，因此，單相TV的二次繞組電壓能正確反應(yīng)零序電壓。在實際應(yīng)用中必須注意，采用此種方法消諧，開口三角必須短接，否則單相TV不能正確反應(yīng)零序電壓。

圖4 TV一次中性點經(jīng)零序TV接地消諧的電氣原理圖

4）系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地消諧

在中性點不接地系統(tǒng)中，當(dāng)單相接地電容電流過大時，接地點電弧不易自行熄滅，常采用在中性點加裝消弧線圈的接線方式。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，消弧線圈中產(chǎn)生電感電流，補償因故障而產(chǎn)生的對地電容電流，限制了故障時的接地電流及接地弧光過電壓。同時，加裝消弧線圈相當(dāng)于在TV每相并聯(lián)一個電感，由于消弧線圈電感值較小，與TV電感并聯(lián)之后使得TV電感值變小，破壞了參數(shù)諧振條件，抑制諧振的發(fā)生。但這種方式投資太大，且消弧線圈電感值過大時會使得暫態(tài)震蕩更加激烈。

3 結(jié)論

在中性點非有效接地系統(tǒng)里，由于TV特性不好，鐵芯易飽和，極易發(fā)生鐵磁諧振。統(tǒng)計資料表明，鐵磁諧振的大多數(shù)屬于分次諧波諧振，小部分屬于基波或高次諧波諧振。這些諧振的發(fā)生均會給電力系統(tǒng)及TV帶來不良后果，造成過電壓導(dǎo)致設(shè)備燒損的事故。

目前為止，我國大多數(shù)變電站采用TV一次中性點加單相TV消諧方法，從實際運行效果來看是最良好的，極少出現(xiàn)鐵磁諧振過電壓引起設(shè)備損壞的事故。加消諧裝置的方法，由于消諧裝置種類較多，效果不一，其他消諧方法各有優(yōu)缺點，需根據(jù)實際情況選用合適的消諧方法。相對而言，采用TV一次中性點加單相TV消諧方法，能更有效的防止鐵磁諧振。

[1]趙吉東.配電網(wǎng)幾種消諧措施的對比.西北電力技術(shù)[J]，2004：4.126.

[2]王亮，施圍，沙玉洲，等.電壓互感器三相勵磁特性對鐵磁諧振的影響[J].繼電器，2005，33(2)：35-42.

[3]張燁，李中琴.鐵磁諧振原理和反鐵磁諧振的方法[J].應(yīng)用科技，2010(9)：35-38.