电压互感器铁磁谐振原因与对策参考文档

1、电压互感器铁磁谐振原因与对策,电力系统中存在着许多储能元件，当系统进行操作或发生故障,时，变压器、互感器等含铁芯元件的非线性电感元件与系统中,电容串联可能引起铁磁谐振，对电力系统安全运行构成危害,在中性点不接地的非直接接地系统中，铁磁式电压互感器引起,的铁磁谐振过电压是常见的，是造成事故较多的一种内部过电,压。这种过电压轻则使电压互感器一次熔丝熔断，重则烧毁电,压互感器，甚至炸毁瓷绝缘子及避雷器造成系统停运。在一定,的电源作用下会产生串联谐振现象，导致系统中出现严重的谐,振过电压,1,铁磁谐振是谐振过电压中最常见的，也是最难以预防的。铁磁,谐振又分为铁磁电压谐振（串联谐振）和铁磁电流谐振（并联

2、,谐振），两种谐振以铁磁电压谐振较为常见。下面以铁磁电压,图,1,a,为最简单的电阻,R,电容,C,和铁芯电感,L,的,串联电路。设在正常运行条件下初始感抗大于容抗,图,1,b,为电路中电压与电流的相量图。设电流,是正弦的，并以I为参考相量。UL和UC分别为,L,和,C,上的电压。当略去铁损而把线圈的电感用等效,电感代替，其等效正弦电压相量即UL比I超前,90,当铁芯线圈用等效的非线性电感表示时，其伏安特,性与铁磁物质的磁化曲线相似，如图,1,c,UL(I,所示。电容上的电压,UC,与电流的关系为一直,线关系，如图,1,c,UC(I,所示。为简单起见，令,R=0,E=ULUC,由于UL和UC,

3、E,U,U,UL,UC,在电源电压,E,一定的条件下，电路出现,a,b,c,三个平衡点,其中,b,点是不稳定的。在,b,点时，回路中电流有任何微小扰,动，都会使其倾向,a,或,c,两个稳定点中的一个，故,b,点不成为,回路的实际工作点。回路工作在,a,点时,U,L,U,C,整,个回路为感性，电感和电容上电压都不高，电流也不大,处于非谐振状态。当工作在,c,点时,U,C,UL,回路呈容,性，电流增大，电容和电感都出现较高的过电压，此时回,路处于谐振状态,在,I0,点处，等效感抗L等于，这与线性谐振相仿，压降和电,流将趋于无穷大，但因电感非线性的特点，当,I,越过,I0,而继续,增大时，等效感抗进

4、一步下降，使得L与自动错开，最后到,达新的稳定点,c,点，所以铁磁谐振过电压虽由电感的非线性,引起，但其幅值最终又受到非线性所限制，一般不超过电源,电压的三倍,2,几种常见的铁磁谐振,2.1,所谓断线泛指导线断落、断路器非全相操作以及熔断器的一,相或二相熔断。断线的结果可能形成电感电容的串联谐振回,路，其中电感是指空载或轻负载变压器的励磁电感等，电容,是指导线的对地和相间电容，或电感线圈的对地杂散电容等,在中性不接地的配电网络中，断线谐振出现的比较频繁，并,且造成各种后果，即：在绕组两端和导线对地间出电压；负,载变压器的相序反倾；中性点位移和虚幻接地；绕组铁芯发,出异常响声和导线出现电晕声。在

5、严重情况下，甚至瓷瓶闪,络，避雷器爆炸和击毁电气设备,2.2,当高压线路中发生不对称接地或断路器的不同期操作时,将会出现零序电压和零序电流分量，通过静电和电磁耦合,能在近旁的低压平行线路中感应出瞬间的或持续性的传递,过电压；同样，变压器高压绕组侧的零序电压通过绕组间,的杂散电容传递至低压侧，危及后者的电气绝缘。如果低,压侧接有铁芯电感元件（消弧线圈、空载变压器或电压互,感器等），则有可能产生铁磁谐振过电压,2.3,在电力系统中，为了监测发、变电所母线对地电压，通常,在发电机或变电所母线上接有电压互感器，并且其一次绕,组接成星形，中性点直接接地。这样当进行某些操作时,例如中性点绝缘系统非同期合闸

6、，或接地故障消失之,后），电压互感器的激磁阻抗与系统的对地电容形成非线,性谐振回路，由于回路参数及外界激发条件的不同，可能,造成分频、工频或高频铁磁谐振过电压,统计表明，电磁式互感器引起的铁磁谐振过电压是中性点不,接地系统中最常见且造成事故最多的一种内部过电压，严重,地影响供电安全，必须予以重视。在中性点直接接地的电网,中，电网中性点电位已被固定，但高压断路器断口均压电容,与电压互感器绕组电感形成的串联回路，在参数配合时，也,有可能出现谐振过电压,2.4,串联补偿装置是多个串、并联连接的三相电容器组，它串接,在输电线路的首端、中间或者末端，其目的是使容抗补偿线,路的正序感抗。在中、低压配电线路

7、中，串补主要用来提高,线路末端电压。当串补线路末端接有空载或轻载变压器时,其励磁电感很大，它与线路正序电感相加，并与串补电容组,成很低的自振角频率，在线路合闸或投入串补时将会产生分,频铁磁谐振，使得压降和电流波形发生畸变。在超高压线路,中，投入串补的目的是为了提高线路的传输能力。与中低压,配电线路一样，如在线路末端接有空载变压器，则会产生同,样的分频铁磁谐振,3,电压互感器引起铁磁谐振的发生原因分析,在中性点不接地系统中，为了监视对地绝缘，母线上常接有,Y,接线的电磁式电压互感器，如图,1,所示，图中,u0,为电源电势,C,为线路等设备的对地电容,L,为电压互感器激磁电感,R0,为,中性点串联

8、消谐电阻,在正常运行状态下电压互感器励磁感抗很大，其数值范围在,兆殴级以上且各相对称,C,数值视线路长短而定，线路愈长容,抗愈小，即以,1 km,线路而言，其每相对地电容约0.004F,故其容抗小于1 M，所以整个网络对地仍呈容性且基本对称,电网中性点的位移电压很小,接近地电位。但电压互感器的励,磁电感随通过的电流大小而变化，其,U-I,特性如图,2,所示,由图,2,可见，曲线的起始一段接近直线，其电感相应地保持常,数。当激磁电流过大时，铁芯饱和，则,L,值随之大大降低。正,常运行时铁芯工作在直线范围，当系统中出现某些波动，如,电压互感器突然合闸的巨大涌流、线路瞬间单相弧光接地等,使电压互感器

9、发生三相不同程度的饱和，以至破坏了电网的,对称，电网中性点就出现较高的位移电压，造成工频谐振或,激发分频谐振,4,铁磁谐振的特点,对于铁磁谐振电路，在相同的电源电势作用下，回路可能不,只有一种稳定的工作状态。电路到底稳定在哪种工作状态,要看外界冲击引起的过渡过程的情况,TV,的非线性铁磁特性是产生铁磁谐振的根本原因，但铁磁元,件的饱和效应本身，也限制了过电压的幅值。此外回路损耗,也使谐振过电压受到阻尼和限制。当回路电阻大于一定的数,值时，就不会出现强烈的铁磁谐振过电压,串联谐振电路，产生铁磁谐振过电压的的必要条件是0,1/L0C,因此铁磁谐振可在很大的范围内发生,维持谐振振荡和抵偿回路电阻损耗

10、的能量均由工频电源供给,为使工频能量转化为其它谐振频率的能量，其转化过程必须是,周期性，且有节律的，即1/2(1,2,3)倍频率的谐振,铁磁谐振对,TV,的损坏，铁磁谐振,分频,一般应具备如下三个条,件,电磁式电压互感器,TV,的非线性效应，是产生铁磁谐振的,主要原因,TV,感抗为容抗的,100,倍以内，即参数匹配在谐振范围,要有激发条件，如投入和断开空载母线,TV,突然合闸,单相接地突然消失、外界对系统的干扰或系统操作产生的过电,压等,由前面分析可知，事故中具备了,3,个条件，才导致了此次事,故。当良站,10 kV,系统发生单相接地时，故障点流过电容电,流，未接地的两相,B,C,相电压升高,

11、3,1/2,对系统产生扰动,在这一瞬间电压突变过程中,TV,高压线圈的非接地两相的励,磁电流就要突然增大，甚至饱和，由此构成相间串联谐振,饱和后的,TV,励磁电感变小，系统网络对地阻抗趋于感性，此,时若系统网络的对地电感与对地电容相匹配，就形成共振回,路，激发各种铁磁谐振过电压。尤其是分频铁磁谐振可导致,相电压低频摆动，励磁感抗成倍下降，产生过电压，过电压,幅值可达到近,23.5Ue,以上，但此过电压达不到避雷器的动,作电压,1.7 kV,故母线避雷器并未动作,同时，感抗下,降会使励磁回路严重饱和，励磁电流急剧加大，电流大大超,过额定值，据试验，分频谐振的电流可达正常电流的,240,倍,以上，

12、导致铁芯剧烈振动,TV,是在这样大的电流下运行，使,本身的温度也迅速升高，当热量积累到一定程度，干式,TV,中,大量绝缘纸、绝缘介质会受热气化，体积急速膨胀，而存放,绝缘纸、绝缘介质的干式互感器内部空间有限，当压强积累,到一定程度时便产生了,TV,爆炸,5,铁磁谐振频率区域的判别（分频、高频,电力网中发生不同频率的谐振，与系统中导线对地分布电容的,容抗,Xc0,和电压互感器并联运行的综合电感的感抗,Xm,两者,的比值,Xc0/Xm,有直接关系,Xco,视具体情况而定，架空线路,Xco,350,3,1/2,L,k/km,电缆,Xco,10,3,1/2,L,k/km；变压器线圈对地电容的容抗,Xc

13、0,一般取,600,1 000 k。其中,L,为线路长度，单位,km,Xm,为由电压互感器的二次侧感抗,100 V/I,折算到一次侧的感抗,其中,I,为二次侧的实际测试电流,5.1,分频谐振,当比值,Xc0/Xm,较小（在,0.01,0.07,时发生的谐振是分频谐,振。电容和电感在振荡时能量交换所需的时间较长，振荡频率,较低，表现为：过电压倍数较低，一般不超过,2.5,倍相电压,三相电压表的指示数值同时升高，并周期性摆动，线电压正常,5.2,高频谐振,当比值,Xc0/Xm,较大（在,0.55,2.8,时发生,的谐振是高频谐振。发生高频谐振时线路的对地电容较小,振荡时能量交换较快。表现为过电压倍

14、数较高；三相电压表,的指示数值同时升高，最大值可达到,4,5,倍相电压，线电压,基本正常；谐振时过电流较小,5.3,基频谐振,当比值,Xc0,Xm,接近于,1,时，发生谐振的谐,振频率与电网频率相同，故称之为基频谐振。其表现为：三,相电压表中指示数值为两相升高、一相降低，线电压正常,过电流很大，往往导致电压互感器熔丝熔断，严重时甚至会,烧坏互感器；过电压不超过,3.2,倍相电压，伴有接地信号指示,称为虚幻接地现象,当,Xc0/Xm,0.01,或,Xc0/Xm,2.8,时，系统不会发生铁磁谐振,在不同的谐振区域，谐振的外施触发电压是不同的。分频谐,振区谐振外施电压为最低，在正常额定电压下系统稍有

15、波动,就可触发谐振。而高频谐振区的谐振外施电压最高。在同一,谐振区域内不同的,Xc0/Xm,比值下，谐振的最低外施触发电,压（临界值）也是不同的,6,防止铁磁谐振的措施,电网的不断发展使线路参数发生变化，铁磁式电压互感器的,大量使用，使电网产生铁磁谐振的可能性增大。所以，为了,使电网安全可靠供电，必须采取有效措施防止铁磁谐振的发,生,防止铁磁谐振的产生，应从改变供电系统电气参数着手，破,坏回路中发生铁磁谐振的参数匹配。这样既可防止电压互感,器发生磁饱和，又可预防电压互感器铁磁谐振过电压的产生,6.1,改变电气参数,6.1.1,装设继电保护设备,当电网发生单相接地故障时，为改变电压互感器的谐振参

16、数,可通过装设一套继电保护设备来实现。该装置是利用单相接,地时所产生的较大谐振电流，启动电流继电器投入，将电压,互感器二次侧开口三角处绕组短接。当故障排除后，保护装,置恢复原状，电压互感器恢复正常运行,6.1.2,选用不易饱和的或三相五柱式电压互感器,10 kV,系统中使用的电压互感器，应选用励磁感抗大于,1.5,M的电压互感器,6.1.3,减少电压互感器台数,在同一电网中，应尽量减少电压互感器的台数，尤其是限制中,性点接地电压互感器的台数。如变电所的电压互感器只作为测,量仪表和保护用时，其中性点不允许接地,6.1.4,串接单相互感器,在三相电压互感器一次侧中性点串接单相互感器，使三相电压,互

17、感器等值电抗显著增大，以满足,Xc0/Xm,0.01,的条件，可,避免因深度饱和而引起的谐振,6.1.5,每相对地加装电容器,此法可使网络等值电容变小，网络等值电抗不能与之匹配，从,而消除谐振,6.1.6,在中性点装设消弧线圈,在,10 kV,系统中发生谐振，且单相接地电流值较大或接近,30 A,时，可将中性点通过消弧线圈接地,6.1.7,投入备用线路,当系统中只有一组电压互感器投入的情况下，若供电线路总长,度较短时，可投入部分备用线路，以增加分布电容来防止谐振,的发生,6.2,消耗谐振能量,6.2.1,在,TV,开口三角形侧并联阻尼电阻,当电网运行正常时，电压互感器二次侧开口三角处绕组两端没

18、,有电压，或仅有极小的不对称电压。当电网发生单相接地故障,时，由于此电阻阻值较小，故绕组两端近似于短接，起到了改,变电压互感器参数的作用。这一措施不仅能防止电压互感器发,生磁饱和，而且能有效地消耗谐振能量，防止产生谐振过电压,此方法常用在要求不太高的变电站，如消谐电阻采用电灯泡或,电阻丝，当其损坏后将不会有消谐作用；当系统发生单相接地,时，在开口三角侧将产生,100 V,的电压，而由于电灯泡或电阻,丝的冷态电阻是较小的，这将在,TV,开口三角侧流过较大的电流,引起,TV,损坏,6.2.2,在电压互感器一次侧中性点与地之间串接消谐电阻,R0,又称消谐器,此电阻可用以削弱或消除引起系统谐振的高次谐

19、波。模拟试验,表明：当,R0/Xm,5,51,10,3,时，即使系统发生单相接地故,障，也不会激发分频铁磁谐振。但阻值太大，则会影响系统接,地保护的灵敏度,消谐电阻,R0,的计算。先测出各电压互感器二次侧的励磁感抗,Xm,求出各电压互感器并联后的,Xm,值，再折算至一次侧,即为系统总的,Xm,R0,的值应在,0.008 8,0.0500Xm,间选择,R0,的容量可按,P0,U,2,0/R0 = (3R0U/Xm,2,R0,来选择,消谐电阻应按电压互感器中性点处串接,R0,后，用开口三角处,电压U的变化量U来校验,U,(,U,5,U,1/6(3R0/Xm)2(1,2Xm/Xj,100,式中,Xj

20、,电压互感器在,Uj,下的励磁电抗,选择消谐器应选择通流,500mA,以上的铜材产品,7,三相防谐振电压互感器,在中性点对地绝缘的电力系统中，为了监视线路的绝缘,状况，采用,3,台星形联结的接地式电压互感器，其中性点直,接接地，这样当任何一相母线发生单相完全接地事故时,其故障相对地的电压为,0 V,而非故障相的相电压上升到线,电压，即提高了,31/2,倍，借助电压互感器二次绕组测量每,相电压的,3,块电压表就可以方便地监视到哪一相绝缘出了问,题。然而母线对地分布电容的存在，并且该电容与电压互,感器的一次绕组形成并联电路，由于互感器是典型的非线,性铁磁元件，电压的突然升高以及短路点的电弧所导致的

21、,瞬间涌流，很可能使电压互感器铁芯进入饱和区，这样非,线性铁磁元件的感抗,XL,降低，当线路中感抗等于容抗,XL,XC,时，将产生铁磁谐振。谐振一旦发生，将会给设备,造成很大的破坏。为了预防谐振的发生，人们采取了许多,措施，包括：采用低磁密或高导磁率铁芯的电压互感器,在电源中性点与地之间或互感器开口三角内串入适当的阻,抗；调整、加大线路母线对地电容量，以及在电源中性点,与地之间接入消弧线圈；在电压互感器一次与地之间接入,消弧线圈；在电压互感器一次与地之间接入消谐装置,适当的电阻或电压互感器；采用电容式电压互感器等等,7.1,铁磁谐振产生的基本原理,人们如此重视铁磁谐振，是因为在供电线路中存在产

22、生谐,振的潜在因素，主要发生在线路中包含有电容和非线性铁,磁元件所形成的并联电路，而且电源的中性点对地绝缘以,及线路处于空载或轻载时，产生谐振离不开外界的激励条,件，在并联铁磁谐振中，激励谐振产生的因素是电流。理,论上，当,XL = XC,时，将产生谐振，但对于铁磁谐振而言,由于,XL = XC,条件在某一电流下成立，而导致谐振开始于如,图,1,所示的拐点处，曲线上的拐点即为谐振的激发点,图,1,b,的曲线,U(I,的第二个拐点实际上是不存在的。在,图,1(a,中，已清楚的看出，曲线,U(I,在,XL,XC,时，电路为,容性，处在第一象限，而在,XL,XC,时，电路为感性，进入,第四象限，只是

23、为了分析问题的方便，把本来是在两个象,限的轨迹划在了同一个象限内，才出现第二个拐点。图,1(b,中,U(I,曲线与图,1(a,略有差别，是考虑到电路中实际电阻及,铁芯损耗的影响,图,1,中,UL(I,与,UC(I,两条曲线的交点表示,XL = XC,其中,1,点,所对应的电流为激发电流。在该电流的激发下，电压由,1,点,突变到,2,点所对应的值，并且电路由容性变为感性。产生谐,振时，在总电流不变的情况下，通过每个支路的电流就会,有很大的增加，往往比总电流大许多倍，导线过热很可能,会引发互感器的爆炸事故,7.2,三相防谐振式电压互感器原理,三相防谐振式电压互感器，是专门针对母线单相接地事故,导致

24、电源中性点偏移而引发的并联铁磁谐振而设计制造的,很明显，如果用来监视线路绝缘的,3,个电压互感器的一次绕,组中性点不接地，那么不管哪一相母线接地都不会引起互,感器绕组电压的任何改变。然而在这种情况下，监视线路,绝缘状况的电压表的指标值，并不会因母线接地与否而改,变，反而失去了监视的作用。能否使互感器中性点既不接,地，电压表又能达到监视的目的呢？三相防谐振式电压互,感器就可以满足上述要求，即互感器的中性点通过另一台,电压互感器接地的方法，将,3,台电压互感器的一次中性点,N,通过另,1,台规格、型号、参数相同,全绝缘电压互感器接地，这里称其为零序电压互感器，其,极性联结与,3,台测量用互感器相同

25、，并且极性端接地，如图,2,所示。在正常运行时，由于三相平衡，其中性点对地电压,为,0 V,零序电压互感器初级电压为零，故其二次无输出,当任何一相母线接地时，零序互感器与接地相电压互感器,绕组形成并联关系，其一次电压与接地相电压相同，二次,产生一个对应的相电压，因为互感器的次级所有非极性端,联结在一起并接地，则由于零序互感器的二次与接地相二,次幅值一致，相位相同，所以零序互感器的极性端与接地,相极性端之间的电压为,0 V,与非故障相电压为相电压的,31/2,倍，达到了监视绝缘的目的。二次极性的联结如图,3,所,示可以出现以下两种情况：其中在不正确的联结时，与接,地相的电压为,2,倍的相电压，与非故障相之间的电压不变,这与习惯上的判定原则相违背，可以认为是错误的（如图,3b,所示,零序电压互感器做成二次抽头方式,n,YJ,之间电压为,100V,供所配继电器用，中间抽头,n,e,为,100(3)1/2 V,作为监视电压用。我公司早在,1998,年引进国外环氧树脂浇,注成型的户外全绝缘全封闭浇注式互感器，采用,4,台分体式,结构，按本图所示的接线方式联结，不仅有效的防止了紫,