电磁式电压互感器饱和引起的铁磁谐振过电压

在中性点不接地系统中，为了监视系统三相对地电压，进行电度计量或保护，发电厂、变电所母线上常接有Y0接线的电磁式电压互感器。系统对地参数除了电力设备和线路对地电容C0外，还有电压互感器的励磁电感L1 、 L2和L3，系统等值接线如图5.26所示。正常运行时，电压互感器的励磁阻抗很大，所以每相对地阻抗（L1 、 L2 、 L3和C0并联后）呈容性，三相基本平衡，系统中性点O的位移电压很小。但当系统中出现某些扰动，使电压互感器三相电压饱和程度不同时，系统中性点就有可能出现较高的位移电压，激发起谐振过电压。

图5.26　带有Y0接线电压互感器的三相回路等值接线图

常见的使电压互感器产生严重饱和的情况有：电源突然合闸到母线上，使接在母线上的电压互感器某一相或两相绕组出现较大的励磁涌流，而导致电压互感器饱和； 由于雷击或其他原因使线路发生瞬间单相电弧接地，使系统产生直流分量，而故障相接地消失时，该直流分量通过电压互感器释放，而引起电压互感器饱和；传递过电压，例如，高压绕组侧发生单相接地或不同期合闸，低压侧有传递过电压使电压互感器产生饱和。

由于电压互感器饱和程度不同，会造成系统两相或三相对地电压同时升高，而电源变压器的绕组电势EA、EB、EC是由发电机的正序电势所决定，要维持恒定不变。因而，整个电网对地电压的变动表现为电源中性点O的位移。由于这一原因，这种过电压现象又称电网中性点的位移过电压。

中性点的位移电压也就是电网的对地零序电压，将全部反映至互感器的开口三角绕组，引起虚幻的接地信号和其他的过电压现象，造成值班人员的错觉。

因过电压是由零序电压引起的，系统的线电压将维持不变。因而，导线的相间电容。改善系统功率因数用的电容器组，系统内的负载变压器及其有功和无功负荷不参与谐振，所以分析电磁式电压互感器饱和引起铁磁谐振过电压的等值电路可简化为图5.26。

若系统中性点直接接地，则电压互感器绕组分别与各相的电源电势连接在一起，电网内的各点电位均被固定。因此，这种过电压不会发生在中性点直接接地的电网内。

在中性点经消弧线圈接地的情况下，其电感值L远比电压互感器的励磁电感小，将在零序回路中旁路电压互感器，避免这种电压互感器饱和引起的谐振现象。

由于系统零序参数的不同，系统可能发生基波谐振过电压，也可能发生高次谐波或分次谐波谐振过电压。下面分析基波谐振过电压的产生过程。

由图5.26等值电路图，系统中点性的位移电压为

（5-53）

式中　YA，YB，YC—三相回路中的等值导纳。

正常运行时，YA = YB = YC，且EA+EB+EC=0，所以U0 =0，即电源中性点为零电位。

当系统遭受干扰，使电压互感器的铁芯出现饱和时，例如，B、 C两相电位升高，电压互感器电感饱和，则L2和L3的电感电流增大，L2和L3减小，这就可能使得B、 C相的对地导纳变成感性，即YB、 YC为感性导纳，而YA仍为容性导纳。由于容性导纳与感性导纳的相互抵消作用，YA +YB +YC显著减小，造成系统中性点位移电压大大增加。

图5.27　中性点位移时，电压、电流向量

中性点位移电压升高后，各相对地电压等于各相电源电势与中性点位移电压的相量和，即

在三相对地电压作用下，流过各相对地导纳的电流IA，IB，IC）相量之和应等于零，则电压、电流相量关系如图5.27所示。相量相加的结果使B相和C相的对地电压升高，而A相的对地电压降低。这种结果与系统单相接地时出现的情况相仿，但实际上系统并不存在单相接地，所以将这种现象称为虚幻接地现象。这种现象是电磁式电压互感器饱和引起工频谐振过电压的标志。

干扰使电压互感器铁芯饱和是随机的，所以出现虚幻接地时，哪一相是低压也是随机的。

干扰造成电压互感器铁芯饱和后，将会产生一系列谐波，若系统参数配合恰当，会使某次谐波放大，引起谐波谐振过电压。配电网中常见的谐波谐振有次分频谐振与3次高频谐振。

发生谐波谐振时，系统中性点的位移电压是谐波电压。设谐波谐振时系统零序电压（谐波电压）的有效值为U0，电源工频电势的有效值为E，则三相对电压的有效值Ux为

（5-54）

可见系统出现谐波谐振的特点是三相电压同时升高。

对于相同品质的电压互感器，当系统线路较长时，等效C0大，回路自振角频率ω0低，就可能激发产生分频谐振过电压，发生分频谐振的频率为24～25 Hz，存在频率差会引起配电盘上的表计指示有抖动或以低频来回摆动现象。这时互感器等值感抗等级降低会造成励磁电流急剧增加，引起高压熔断器熔断，甚至造成电压互感器烧毁，典型的分频谐振波形如图5.28所示，图上三条波形为系统三相对地电压，最下面的波形为系统的零序电压。由图分析可知，系统三相对地电压是系统电源的基波电压与谐振产生的分频电压的叠加；电压互感器的开口三角绕组输出的零序电压只含分频电压，该分频谐振为次分频谐振。

图5.28　典型的分频谐振波形

当系统线路较短时，等效小， 自振角频率高，就有可能产生高频谐振过电压，这时过电压数值较高。在应用JDZ型电压互感器的10 kV系统中，通过计算机仿真计算表明：当系统参数处于0.3637≤XCo/XLe≤1.8174范围时（XCo为系统的对地电容的容抗；是系统额Le定电压下电压互感器的励磁感抗），系统可能发生基频谐振最大谐振过电压为3.05Pu..，最大过电流为0.0571A；当系统参数处于0.1212≤XCo/XLe≤0.9087范围时，系统可能发生分频谐振，最大谐振过电压为1.96Pu..，最大过电流为0.171 1 A；当系统参数处于XCo/XLe≤0.091范围时，系统可能发生超低频振荡（包括1/3分频），最大震荡过电压为2.00P.u.，过电流随线路对地电容的增大而增加。

为了限制和消除这种铁磁谐振过电压，可以采取以下措施。

1.改变系统零序参数

选用励磁特性较好的电压互感器，使之不容易发生磁饱和，在这种情况下，必须要有更大的量发才会引起谐振，谐振率也就减小。在母线上加装三相对地电容，可使系统参数越出谐振范围，当达到时，系统不会发生谐振。

2.零序阻尼

在电压互感器的零序回路中投入阻尼电阻，阻尼电阻R可以接在开口三角绕组的两端阻值，（XLe为互感器在额定电压下的励磁电感，为开口三角绕组与高压绕组的匝敬比）这样可消除各种谐波的谐振现象；其次，也可在电压互感器的高压中性点对地之间投入电阻R。该电阻越大，则对消除谐振越有利，该R亦可采用非线性电阻。

3.采用专门的消谐装置

近年来，我国中性点不接地系统规模越来越大，相应线路的对地电容C0很大，有些电网已达到即系统参数已达到不会发生谐振的条件，但这种系统中若发生接地故障消失扰动，仍可能发生电压互感器的高压熔断器频繁熔断的故障）依据理论分析和仿真计算可知：这种故障是由于系统单相接地消失引起了超低频振荡现象，在超低细情况作用下，电压互感器的感抗大幅度降低，故在电压互感器中会产生严重的过电流，引起高压熔断器的熔断。

在110 k、 220 kV电网中，当断路器的断口采用均压电容时，系统处于热备用状态，则有可能发生由断口均压电容与接在系统母线上的电磁式电压互感器构成的铁磁谐振，这种谐振有可能是基频性质的，亦有可能是分频性质的，会引起电压互感器严重饱和，产生极大的过电流，使得电压互感器过热烧毁，以致喷油爆炸。研究表明，这种谐振可以在一相回路中发生，也可在两相或三相回路中同时发生，此时电压互感器的开口三角绕组两端出现零序电压。但是，这种谐振也可仅仅具有正序或负序性质。因此，这种谐振有别于不接地系统中的电压互感器饱和引起的谐振。谐振二且产生要消除更困难，而应从根本上采取措施避免谐振发生，例如采用电容式电压互感器，系统振荡时，避免形成在这种谐振回路。

习题5.3

5-10　非线性谐振过电压是如何产生的？

5-11　简述非线性谐振过电压的特点。

5-12　在电力系统中，哪些情况可能发生铁磁谐振？

5-13　防止断线过电压，可采取哪些限制措施？

5-14　为限制和消除铁磁谐振过电压，可采取哪些限制措施？