电磁式电压互感器铁芯饱和引起的铁磁谐振现象

电磁式电压互感器铁芯饱和引起的铁磁谐振现象

杨晔

杨晔

（无锡市恒驰电力发展有限公司214161）

摘要：运行经验证明，在我国中性点绝缘、中性点经消弧线图接地以及中性点直接接地的3～220kV电网中，都曾发生过由于电磁式电压互感器铁芯饱和引起的铁磁谐振过电压。例如，江苏某220kV变电所因中性点临时不接地曾引起互感器的谐振过电压；东北电网某154kV经消弧线图接地系统，曾因消弧线圈；临时脱离运行引起互感器的谐振过电压；其中以在中性点绝缘的配电网中出现的较为频繁，是造成事故最多的一种内部过电压，因为其他接地系统只有当它们变成中性点绝缘系统时才有可能发生这种过电压。

关键词：过电压；物理概念；铁磁谐振现象

Electromagneticvoltagetransformercoresaturationcausedbyferromagneticresonancephenomenon

YangYe

(wuxiconstantchielectricpowerdevelopmentco.,LTD.214161)

Pickto:operatingexperienceproved,inourcountryneutralinsulation,neutralbypetersendiagramgroundandneutraldirectlygrounded3~220kvpowergrid,havehappenedbecauseofelectromagneticvoltagetransformercoresaturationcausedbyferromagneticresonanceovervoltage.Forexample,jiangsua220kvsubstationforneutraltemporarynotearthoncecausedatransformerofresonanceovervoltage;Northeastpowergrida154kvviapetersendiagramgroundingsystem,onceforarcsuppressioncoil;Temporaryfromoperationcausetransformerofresonanceovervoltage;Amongthemwiththedistributionnetworkinneutralinsulationappearedinmorefrequent,causingaccidentsisakindofmostinternalovervoltage,becauseothergroundingsystemonlywhentheybecomeneutralinsulationsystemmaynothappenuntiltheovervoltage.

Keywords:overvoltage;Physicalconcepts;Ferromagneticresonancephenomenon

一、过电压产生的基本物理概念

电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压，从本质上讲，是由于电磁式电压互感器的非线性电感与系统的对地电容构成的铁磁谐振所引起的。试验研究表明，当谐振发生时，中性点出现显著的位移。此时相电压将发生变动，而线电压却保持不变。因此，可以判定它具有零序分量的性质。

考虑到系统导线的阻抗较电压互感器的激磁阻抗小得多，可略之。而系统的线问电容及负载与此现象关系不大，其影响也不计。这样，图2－14所示电网接线图可用图2－15所示的等值电路来表示。

(a)

(b)

图2－14产生中性点位移现象的电网接线图

l一电源；2一导线或母线对地电容；3一电成式电压工感器

l一电源；2一导线或母线对地电容；3一电成式电压工感器

1．工频位移过电压

设中性点位移电压力U。；则UA=U0十EA，UB=U0+EB+,UC=U0+EC根据基尔霍夫电流定律，应有

IA+IB+IC=0

即(U0+)YA+(U0+EB)YB+(U0+EC)YC=0

由此可求得取中性点位移电压的一般数学表达式

U0=(EAYA+EBYB+ECYC)/(YA+YB+YC)

显然，当正常运行时U0=0，电源中性点O具有地电位。若系统受到扰动，YA≠YB≠YC，则U0≠0，电源中性点O将有电位偏移，该电位偏移与各相电感的饱和程度密切相关。根据三相饱和程度的不同，可归纳为如下几种情况：

（1）三相虽有不同程度的炮和，但各相仍为容性导纳。若分别用CA、CB、CC表示并联支路的等值电容，则YA=jωCA，YB=jωCB，YC=jωCC一般CA≠CB≠CC,饱和程度越高，等效电容值愈小。

（2）两相因严重饱和而导纳呈感性，一相仍为容性。若A相为未饱和相，其等值电容为C，其余两饱和相的等值电感LB=LC=L。如图2-18所示。

故U0与EA反相，且U0>EA,与第二种情况相似，中性点O`一定偏移至电压三角形之外，如图2－17（C）所示，造成了两相电压同时升高。

（3）三相均因严重炮和而呈感性。由分析可知，这时与三相呈容性的情况类似，即中性点O‘不会移至电压三角形之外，这样三相电压将不会同时升高，即至少有一相电压是降低的，那么，该相电感就无法达到使导纳呈现感性的饱和程度。因此，对于图2－15所示的电路，实际上不可能出现三相同时饱和的情况。

图2-18两相饱和时的等值电路

对于以上几种情况，还可以利用等效电源定理，将三相电路化为单相电路进行分析。例如，对图2-18所示的电路，可以以A相等值电容C作为单相电路的负荷，将其余部分化等值电压源，得到图2-19所未的单相等电路和。对以上第一种情况，相当于电容分压电路。对第二\三两种情况，相当于L、C串联回路，当ωC=1/[ω(L/2)](或2ωC=1/ωL)时，回路似乎可以发生谐振，使相电压及中性点位移电压趋于无穷。

图2-19分析中性点偏移的单相等值电路

根据以上对第二、三两种情况的分析，中性点位移电压的出现，都是使饱和相电压升高，即围2－19中等效电感支路电压高于等效电容支路。这表明过电压仅是由于串联回路的“电感一电容”效应造成，实际上回路并未发生铁磁谐振。

实测及运行经验表明，电网中电压工感器饱和过电压多数属于第三种情况，即两相（饱和相）电压升高，一相（未饱和相）电压降低。

2．高次谐波谐振

由电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压除基波和专次分次谐波谐振外，还会出现高次谐波谐振。其中主要是三次谐波谐振。

三次谐波谐振也多在电源向接有互感器的空载母线合问时出现。有时，当变电站的出线很短时，也可能产生三次谐波谐振。

为清楚起见，将三次谐波磁通的向量关系示于图2－27中。

图2一27三次谐波孩通的相量关系（a）助磁作用；（b）去磁作用

由图2－27（a）可见，I03在铁芯中产生的磁通Ψ03，正好与原有三次谐波磁通畅。同相。换言之，I03所产生的磁势起助磁作用，使电容两端的电压为原有电势E30与Ψ03所感应的电势E30之和，即

Uc=E30+E03

显然，三次谐波谐振也使电压互感器两端出现较高的过电压。

综上所述，可以把中性点绝缘系统电磁式电压互感器引起铁磁谐振过电压的基本物理概念归纳如下：

（l）过电压产生的必要和充分条件。

1）系统电源中性点对他绝缘。因为中性点位移电压都属于零序电压，只有电源中性点对地绝缘才有可能发生这种中性点位移。配电网的电源中性点绝大多数是对地绝缘的，具备产生该类过电压的基本条件，所以容易产生该类过电压。

2）电压互感器一次绕组中性点直接接地，开口三角零序电压绕组为开路状态。如果互感器中性点不接地，则各相绕组路接在电源的相间电压上，不再与对地电容C0相并联，因而不会产生中性点位移。

另外，着三角形绕组闭合短路运行，其中所感应的零序电流在三角绕组中自成回路，对互感器高压侧产生去碰作用，可以抑制或消除谐振现象。

3）电网的对地电容与互感器的励磁电感相匹配，且初始感抗应大于容抗。这是因为在铁芯电感L与电容C。的并联电路中，如果在初始状态（较低电压下）XL＞Xc，即二者并联后相当于一个容性阻抗（C’）。当某种原因使电源电压升高时，铁芯趋于饱和，XL下降，并联支路变为XL＜Xc，电感中电流大于电容中电流，即二者并联后相当于一个感性阻抗（L’）。这样才可能使三相导纳不相等，产生中性点位移电压U0。

4）具有一定的外界“激发”条件。因为只有在外界扰动的“激发：，下，才能使互感器铁芯达到饱和，导致中性点位移。激发条件有：①对带有电压互感器的空母线或空载线路突然合间充电。在这种情况下，即使三相断路器同期，但由于三相电压相差120o，它们不可能同时在同样的条件下合闸，可能有的相在电压过零，电流最大时合闸，这样会在电压互感器的绕组中流过幅值很大的不平衡涌流，导致铁芯饱和。②由于雷击或其他原因，使线路发生瞬间单相弧光接地，健全相电压突然升至线电压，在接地消失后，故障相又可能有电压的突然上升，这些过程中都会在电压互感器绕组内出现很大的励磁涌流，导致铁芯严重炮和。目前，在电力系统中，为研究该类谐振过电压，往往采用人工接地，而后再断开接地点的方法来激发谐振。③由传递过电压也可以使电压互感器达到铁芯饱和。例如，在电源变压器的高压侧发生瞬间单相接地或断路器不同期操作时，其零序电压也会传递到接有电磁式电压互感器的这一侧。在此传递过电压作用下，造成互感器铁芯电感饱和。

（2）过电压的特点。

1）对地绝缘的电源中性点位移电压使相对地出现过电压。

2）电源中性点位移电压可以是基频、也可以是分频或高频。

3）中性点位移电压是零序电压，在电网中出现“虚幻”接地现象。