刘旭东
国网北京顺义供电公司，北京，101300
摘要：变电站的10kV、35kV电压互感器基本为电磁式电压互感器，该互感器的固有缺陷就是会与线路的对地电容等发生铁磁谐振，导致互感器高压熔丝熔断，甚至设备烧毁。基于此，本文通过分析LC串联电路谐振原理，阐述了中性点不接地系统中，由于电磁式电压互感器铁心饱和特性产生铁磁谐振的原因，以及铁磁谐振引起过电压、过电流对电力系统的危害。同时针对中性点不接地系统，提出了防范铁磁谐振的措施，对其消谐原理作了相关说明，仅供参考。
关键词：电磁式；电压互感器；铁磁；谐振
引言
电压互感器广泛用于电力系统，起着隔离高电压与变换电压的作用，对电力系统和电力设备的安全性与可靠性有着十分重要的意义。然而，由于一般所用电磁式TV的电磁特性、线路与设备的接地电容，使得系统产生铁磁谐振，出现误发接地信号、烧毁高压熔断器，甚至使TV也过热烧毁、喷油爆炸，严重影响电力系统的安全运行。
1铁磁谐振分类
电磁式电压互感器发生铁磁谐振一般可表现为两种形式：一种情况下由于系统发生断线、 间歇性弧光接地故障时，因铁芯饱和导致的铁磁谐振及过电压；另一种情况下当变压器空载合闸对母线充电时，电磁式电压互感器的一次侧绕组同母线对地电容之间形成振荡谐振条件，从而导致过电压。不接地系统正常运行，线路对地电容与电磁式电压互感器一次绕组之间感抗形成并联回路，由于等效感抗一般均较大，电网对地阻抗主要表现为线路对地电容的容抗，此时三相较为平衡，谐振条件不成立。当出现空载合闸或者间歇性弧光接地故障时，由于互感器三相绕 组之间不同饱和度，中性点会出现较大偏移电压，满足谐振条件时，将会引起谐振过电压。根据铁磁谐振发生频率不同，可分为基波谐振以及谐波谐振。其中基波谐振也称为工频谐振，谐波谐振又可分为分频谐振与高频谐振，分频谐振主要是1/2、1/3、1/5次谐波引发，高频谐振主要为2、3、5次谐波引发。系统发生工频谐振时，中性点出现偏移电压，且该偏移电压为工频电压，此时系统电压出现一相或两相电压升高并伴随一相电压降低。当发生谐波谐振时，系统中 性点偏移电压为谐波电压，会出现三相电压同时升高的异常现象。此外，当电磁式电压互感器发生铁磁谐振时，不仅会造成设备过电压，还会导致互感器开口三角两侧出现较大的零序电压，从而形成接地告警，也就是常见的“虚假接地”现象，对电网正常运行造成较大影响。
已有研究分析得出相应的谐振分类分区，也就是针对系统对地电容容抗与互感器等效感抗之间对 应关系，从而表征出系统可能出现的谐振类型，即为H.A.peterson谐振分区理论。
2铁磁谐振的原理
2.1串联谐振
电力系统的谐振根据电路分为串联谐振和并联谐振。假设在正常运行条件下，其初始状态是感抗大于容抗，即ωL＞1／ωC，此时不具备线性谐振条件，回路保持稳定状态。但当电源电压有所升高时，或电感线圈中出现涌流时，就有可能使铁芯饱和，其感抗值减小。当ωL＝1／ωC时，即满足了串联谐振条件，在电感和电容两端便形成过电压，回路电流的相位和幅值会突变，发生铁磁谐振现象。谐振一旦形成，谐振状态可能“自保持”，维持很长时间而不衰减，直到遇到新的干扰改变其谐振条件时该谐振才可能被消除。
2.2并联谐振
与串联谐振一样，当并联回路中的感抗和容抗满足ωL＝1／ωC时，就会发生并联谐振。并联谐振的阻抗趋近于无穷大，此时，只要谐波源有很小的电流就会在互感器两端产生无穷大的电压，并联的电容与电感回路就会产生无穷大的电流，这种环流会大大超过谐波源注入的电流，严重威胁到互感器一次侧的绝缘和保险丝。因此，并联谐振的危害比串联谐振的危害大得多。
3铁磁谐振过电压的产生及危害
在35kV及以下中性点不接地电网中，为了监视三相对地电压，电磁式电压互感器通常接在变电站的母线上。其初级线圈接成星形，中性点直接接地。假设C0为系统对地电容；L1、L2、L3为电压互感器每相对地的励磁电感；电磁式电压互感器为三相五柱式或三个单相电压互感器构成。对于这种电磁式电压互感器，当通过铁心线圈的电流较小时，可以认为通过铁芯的磁链φ和I成正比。反映这一比值的励磁电感L＝φ／I基本不变，为一个固定常数，这时励磁电感L可看成是线性电感。当通过线圈中的电流I增大到超过某一数值时，铁芯中的磁链φ不再继续随电流的I线性增大，铁芯开始饱和，φ和I的关系呈现非线性。线圈励磁电感L不再是一个固定常数，而是随电流I的增大而减少。
电网正常运行时，电磁式电压互感器线圈上的电压为正常电网额定相电压，通过线圈的电流I较小，互感器铁芯不饱和，其励磁电感L（ii＝1、2、3）很大，为一固定常数，即L1＝L2＝L3。故与C0并联后的导纳Yi＝ωL－1／ωC呈容性，即电容电流大于电感电流（容抗小于感抗），且Y1、Y2、Y3基本相等。电网三相对地负载是基本平衡的。因此，电网中性点的位移电压U＝（EAY1＋EBY2＋ECY3）（／Y1＋Y2＋Y3）很小，基本为零。
电网中可能出现以下扰动情况：1）向只带有电磁式电压互感器的空母线充电；2）进行投、切空载线路等操作；3）线路发生单相瞬间弧光接地及接地故障消失；4）电网有雷电感应；5）电网负荷轻，电压高时会发生传递过电压等。当出现上述情况时，都可能使电网对地电压产生不同程度的瞬间升高，使相应相的电压互感器励磁电流突然增大，铁芯饱和，导致线圈的励磁电感L减少。由于三相铁芯的饱和程度不同，相应线圈的励磁电感L1、L2、L3就有可能由原来的平衡变为不平衡。某相的导纳Y1就有可能由原来的容性变为感性，使总导纳Y1＋Y2＋Y3显著减少，从而导致了电网中性点位移电压U0＝（EAY1＋EBY2＋ECY3）（／Y1＋Y2＋Y3）大大增加。如果电网参数配合不当，恰好使总导纳接近于零，就产生了串联谐振的现象，在电容电感元件上的电压及回路电流都将突然大幅度跃增。
此时，因为由发电机正常电势决定的电源变压器初级中性点是直接接地的，而电网的中性点是不接地的，因而整个电网对地电压的变动表现为电网中性点位移电压U0急剧上升，三相对地电压等于各项电源电势E和中性点位移电压U0的矢量和，矢量叠加的结果是两相对地电压升高，一相对地电压降低。谐振频率等于工频，这就是基波铁磁谐振的表现形式。这与电网发生单相接地的现象相似，因而又称为虚接地现象。
铁磁谐振是电力系统自激振荡的一种形式，是由于变压器、电压互感器等铁磁电感的饱和作用引起的持续性、高幅值谐振过电压现象。
运行实践证明，由于对地电容和互感器的参数不同，可能产生三种频率的共振：基波共振、高次谐波共振和分频谐波共振。电力系统中发生不同频率的谐振与基频系统对地电容的容抗XC与电压互感器的感抗XL的比值有直接关系：
1）基波共振。当比值为0.01—0.08时，发生分频谐振，表现为：过电压倍数较低，一般不超过相电压的2.5倍，三相电压表的指示数值同时升高，而且有周期性的摆动，线电压指示数正常。系统二相对地电压升高数值超过线电压，一相对地电压降低。类似单相接地，或者是二相对地电压降低，一相对地电压升高数值上超过线电压，中性点有电压，以前者为常见。
2）分频谐波共振。当比值为0.08—0.8时，发生基频谐振，表现为，三相电压同时升高，过电压数值不大，电压表计有波动，中性点有电压，中性点电压频率大多数低于1/2工频。三相电压两相高，一相低，线电压正常；产生很大的过电流会导致互感器熔丝熔断，甚至烧毁电压互感器；过电压倍数在3.2倍相电压以内，伴有接地动作或告警，即虚假接地现象。
3）高次谐波共振。当比值为0.6—3.0时，发生高频谐振，表现为：过电压倍数较高；三相电压表同时升高，中性点有较高电压，频率主要是三次谐波。最大值达相电压的4—5倍，线电压基本正常且稳定；谐振时过电流较小。
综上所述，在发生铁磁谐振现象时，位移电压同样会反映至开口三角绕组的两端，从而发生虚幻接地信号，造成值班人员的错觉。在判断时可依据上述电压变化的特点，仔细观察电压值，如果是三相电压同时升高且发出接地信号，或者尽管有电压降低，但升高相电压数值已超过线电压的情况下，即可判定是因谐振引起的信号误报。
4铁磁谐振过电压的限制及消除措施
4.1改变参数
改变参数是指改变谐振回路储能元件的电感、电容等参数，破坏谐振的条件，增加激发谐振的难度，从而达到消除谐振的目的。1）选用励磁特性好，在最高线电压下不易饱和的电压互感器，以使非谐振工作状态点a1远离非线性区，或选用电容式电压互感器。2）增大电网对地电容，使XL／XC≤0.01，采用以下方法，如投入备用线路，或母线上装设一组三相对地电容器等。3）把电压互感器一次绕组中性点经过一台单相电压互感器JDZ－10或JDZX－10的一次绕组接地，以增大励磁电感，达到消除谐振的目的。并把主电压互感器的二次辅助绕组由开口三角形变成封闭三角形，以有效消除三角谐波的影响。同时，把绝缘监测电压继电器线圈UJ接在这台单相电压互感器的二次线圈上，动作值整定为25V。实践经验证明，采取这种措施对抑制谐振和减少熔断器不正常熔断效果显著，UJ动作准确。用户变电所电压互感器的一次绕组的中性点可采取不接地的方式。4）采取临时的倒闸措施，如投入消弧线圈等。因后者的感抗远小于电压互感器的励磁电抗，破坏了谐振条件，谐振会立即消失。
4.2增加阻尼
1）在电压互感器二次开口三角形接线绕组的两端接一个低值电阻R用作阻尼。当电网发生谐振有零序电压出现时，电阻R中有电流流过，通过变比关系，该R相当于接在电源变压器的中性点上，或者看成接至电压互感器Y0接线的绕组上。当R小于某值时，中性点位移电压将明显下降，这就表明谐振得到了抑制。因为电阻R所接绕组为开口三角形接线，所以电网正常运行的R不消耗能量。按消除分次谐波谐振的要求选择R值，可同时消除基波位移电压和高次谐波的谐振。对于35kV以下的电压互感器，可采用在开口三角形接线绕组处长期接入普遍照明白炽灯泡的做法。白炽灯钨丝的阻值在冷热状态下非线性变化，能基本满足消除谐振的目的。对于35kV的电压互感器可在其开口角绕组处长期接入500～1000W的灯泡，对6～10kV的互感器可接入200～500W的灯泡。但是，对于单相接地引起谐振消失之后再次激发的谐振和其他原因引起的间隔时间较短的谐波谐振，可能会由于白炽灯先已发热而使电阻显著增大，以至于有时不能消除谐振的作用，这是该方法固有的缺点。运行经验表明，主要由两只反并联的晶体管和相应的触发电路组成消谐装置，连接于开口三角形的接线绕组端，这是目前较为理想的消谐方法。
2）将电压互感器一次绕组中性点经电阻R0接地。当R0足够大时，可限制一次绕组激磁涌流，避免电压互感器的铁心饱和，从而有效地防止或消除谐振。显然，R0值越高，消谐效果越好。若R0→∞，即相当于中性点绝缘，谐振就根本不可能发生。但是考虑到互感器通常是分级绝缘结构，中性点绝缘的实验电压只有2kV，其长期运行电压不宜超过1kV。另外，应考虑接地指示的灵敏度即绝缘监视的正确性，因此R0不能选得过大。对于35kV的互感器，R0值可取30kΩ；对于6～10kV的互感器，R0选用10～20kΩ，容量约为200W。R0可由陶瓷电阻组成，或用高温阀片或线性电阻组成，阀片有利于限制中性点的电压。
3）将电网中性点经电阻接地。中性点电阻接地对大多数可能出现的谐振过电压有抑制作用，且这种方法越来越受到运行部门的欢迎。
4.3其他方法
减少并联运行的电磁式电压互感器台数，增大电压互感器的等值电抗，使系统等值电路一直显感性，阻止TV的铁心工作在过饱和状态；采用激磁特性较好又不易饱和的电磁式电压互感器；在满足运行要求的前提下，采用电容式电压互感器；改变电压互感器的接线方式，或者在倒闸操作步骤上采取防止铁磁谐振的措施，避免产生激励条件.
结语
综上所述，中性点不接地系统的电磁式电压互感器铁磁谐振时有产生，根本原因是电压互感器在激励的条件作用下，其铁心的严重磁饱和、激磁阻抗下降并与系统电容元件构成谐振电路，电力系统局部回路中的感抗和容抗相等时，会发生串联或并联谐振。为防止铁磁谐振事故的发生，应选用励磁特性较好的电压互感器，使电压互感器在运行中不出现铁心饱和现象。另外，各种频率的谐波都有可能使电压互感器发生铁磁谐振，通过减少谐波源，限制注入电网的谐波和采取必要措施使系统参数处于谐波范围之外，可有效预防和抑制铁磁谐振的发生。
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