关键词：电磁式电压互感器、铁磁谐振、消除措施
1、引言
随着电网高速发展，电磁式电压互感器作为保护与计量设备广泛应用于35kV及以下电压等级的中性点不接地系统中。但系统中发生单相接地故障或者开关开断操作时，电磁式电压互感器等电磁元件与电网系统中电容元件以及线路对地电容等形成谐振回路，系统中产生能够激发铁磁谐振的谐振频率。变电站35kV及以下系统大量安装电磁式电压互感器，然而由于电磁式电压互感器电磁特性，经常发生铁磁谐振，导致电压互感器烧损，严重时甚至发生爆炸事故。本文结合实际事故进行原因分析，并提出相应的预防治理措施。
2、事故现象及初步结论
2.1 事故发生过程
某日03时10分40秒，某330kV变电站#1主变低压侧35kV#1电容器#3561开关动作合闸，#1主变三侧电压无异常。03时25分19秒030毫秒，35kV#1电容器#3561开关动作分闸，#1电容器组退出运行，35kV I段母线三相电压发生畸变，故障录波显示最大电压幅值达到56kV如图1所示。35kV#1电容器、#2电容器、#1所用变保护报频率异常、装置报警。该过程持续到03时48分52秒910毫秒，故障持续时间为23分34秒。
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图1 #1电容器组退出运行后电压开始畸变
03时49分24秒794毫秒，#1主变35kV侧C相电压互感器断线，发生35kV I母C相单相接地故障，35kV#1电容器、#2电容器、#1所用变保护报频率异常、03时49分24秒814毫秒，#1主变保护装置运行异常。该过程持续到03时54分57秒315毫秒，持续时间为：5分33秒。从故障录波图可以看出，最终C相电压减小为零，呈单相金属接地故障。如图2所示..png)
图2 单相接地过程故障录波图
03时54分57秒315毫秒，发生35kV I母A、C相相间短路故障。这一过程中A、C相母线电压变大，并且伴随有24.6kA（峰值43kA）的短路电流产生。通过局部详细分析结果得到：A、C相电流大小相等，相位相反，判断A、C相发生相间短路故障。该过程持续到03时54分57秒665毫秒，持续时间为350毫秒。保护动作信息：03时55分18秒238毫秒，#1主变SGT756保护装置中压侧负序电压动作；03时55分18秒476毫秒，#1主变SGT756保护装置低压侧复压过流1时限动作；03时55分18秒536毫秒，#3501开关分位。故障过程录波，如图3所示。
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图3 相间短路过程故障录波图
03时55分18秒675毫秒，#1主变CSC-336保护本体压力释放动作；03时55分18秒764毫秒，#1主变CSC-336保护本体重瓦斯动作，#1主变跳闸。
2.2 事故初步结论
由以上事故过程可以判断，本次事故为某330kV变电站35kV开关柜内母线电磁式电压互感器发生铁磁谐振，过电压导致#1主变35kV侧C相电压互感器断线形成单相接地故障，5分钟后电磁式电压互感器A相炸裂，临近C相电磁式电压互感器受损并与A相电磁式电压互感器发展为相间短路故障，最终导致主变发生进区短路事故，#1主变低压绕组A、C相承受了350ms、24.6kA的短路电流冲击。造成#1主变低压绕组匝间、层间短路放电，最终造成某变电站#1主变线圈烧损。
3、事故原因分析
3.1 铁磁谐振发生机理
在电网系统正常运行时，电磁式电压互感器自身的励磁阻抗非常大，系统感抗远大于线路对地及系统中电容元件容抗，即系统中.png)
，此情况下不会发生铁磁谐振，电磁式电压互感器铁心不会饱和。但是，当系统发生单相接地故障、雷击线路、断路器分合闸时断路器接口并联的电容作用于系统中、断路器分合闸时发生重燃等情况都有可能导致系统中感抗等于容抗而发生谐振，即系统.png)
。尤其对于电磁式电压互感器，过电压、过电流会导致电磁式电压互感器铁心饱和，电磁式电压互感器绕组电感下降使电磁式电压互感器发生铁磁谐振。
3.2 铁磁谐振类型
谐振的类型可以分为高频谐振、基频谐振、分频谐振，根据PETERSON的研究理论可以
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图4 PT励磁特性下的谐波振荡区域
（1）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。
（2）发生基频谐振表现为：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）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，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。
3.3 事故原因具体分析
表1 某330kV变电站#1主变35kV系统线路参数
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事故为某330kV变电站35kV系统断路器分闸时产生过电压，电磁式电压互感器铁心饱和，电磁式电压互感器励磁电流激增，等值电感严重下降导致系统三相电压同时升高，且为电压幅值不超过2.5倍相电压呈周期性摆动，所以此次系统发生分频谐振。
系统长时间谐振导致#1主变35kV侧C相电压互感器铁心过热，并在长时间过电压作用下使#1主变35kV侧C相电压互感器断线，发生35kV I母C相单相接地故障。最终导致电磁式电压互感器炸裂，电压互感器A相与C相相间短路，主变进区相间短路接地#1主变低压绕组A、C相承受了350ms、24.6kA的短路电流冲击。造成#1主变低压绕组匝间、层间短路放电，最终造成某330kV变电站#1主变绕组烧损。
此次某330kV变电站35kV系统采用中性点不接地系统，如图5所示，根据此图研究电磁式电压互感器发生铁磁谐振的原因。
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图5 中性点不接地系统
图中电感为电压互感器绕组线圈，电容为系统对地电容及系统中电容元件。在正常运行时电压互感器中性点流过电流为0，电压互感器内感抗远大于系统容抗，电压互感器励磁电流较小，铁心不会发生饱和现象。但系统中发生单相接地故障或者开关开断操作时，电磁式电压互感器等电磁元件与电网系统中电容元件以及线路对地电容等形成谐振回路，电磁式电压互感器发生铁磁谐振。
4、预防措施
4.1电磁式电压互感器中性点串联接入非线性消谐电阻或消弧线圈
当电磁式电压互感器发生铁磁谐振时，电磁式电压互感器中性点加装非线性消谐电阻会使中性点电压升高，电压互感器一次绕组上电压降低，电压互感器铁心饱和程度同样会降低。非线性消谐电阻起消耗能量的作用，从而抑制铁磁谐振，但要注意当发生接地故障时，电压互感器中性点会产生电压，有可能烧损击穿中性点绝缘，并且阻值过大会影响电压互感器保护灵敏度。
当电磁式电压互感器发生铁磁谐振时，电压互感器中性点加装消弧线圈。流过故障相的新增加的消弧线圈会阻止电流的增大，使得故障相电压互感器铁心的饱和度降低。同时，电压互感器中性点加装消弧线圈会进一步提高电压互感器感抗，从而使其能够更好的避开谐振发生区域。但要注意电压互感器中性点加装消弧线圈，当铁磁谐振发生时也会在电压互感器中性点产生一定电压，有可能烧损击穿中性点绝缘。
4.2选用励磁特性较好的电磁式电压互感器或电容式电压互感器
当互感器励磁特性不好时，铁磁谐振情况下铁心饱和或导致等效电感急剧下降同时零序电流急速上升，对设备绝缘形成较大冲击。选用高饱和电压互感器可有效增强电压互感器对励磁电流的承受能力，电容式电压互感器则能更好的预防铁磁谐振的发生。
4.3尽量减少负荷侧电磁式电压互感器中性点接地运行的数量
谐振的发生条件为系统XL =XC，单个电压互感器感抗要远远大于系统容抗，铁磁谐振不易发生，但当系统中并联过多电磁式电压互感器时，会使得系统感抗下降，电压互感器综合励磁特性变差，有可能造成铁磁谐振仍然会出现，所以在满足保护及计量需求的前提下，尽可能减小电压互感器并入系统的数量。
4.4电磁式电压互感器开口三角绕组接入电阻或灯泡
可通过在电磁式电压互感器二次侧辅助开口三角绕组两端接入电阻或白炽灯来消除铁磁谐振，当电压互感器发生铁磁谐振时，开口三角形绕组中会产生励磁电流，此电流对高压侧绕组拥有去磁作用，从而抑制铁磁谐振。目前，二次消谐也有采用微机消谐装置，其原理是当发生铁磁谐振时首先区别谐振类型（高频、基频、分频谐振），然后再对开口三角绕组通过电阻短时间内短接，产生电流抑制铁磁谐振。但二次消谐有着一定的局限性，一般适用于电网较小，线路及电缆对地电容不大的场合。
4.5对电网进行全绝缘化处理、减少断路器断口电容
可通过对电网绝缘化处理，减少电网发生短路事件减少电网扰动，但投资代价较大。减少断路器断口电容检查当分合闸操作时造成电网内容抗上升，但减少断口电容会导致断路器开断能力急剧下降。
4.6采用4PT法消谐
4PT法即为在电压互感器中性点再加装一个零序电压互感器，其原理如图6所示，主要是在电磁式电压互感器中性点再加装一个电压互感器这样会使得电压互感器的等值电抗增大，当发生谐振时，其零序电压主要加在中性点电压互感器上，使原电磁式电压互感器绕组上不会承受过高的过电压，电磁式电压互感器的铁心不会发生饱和现象，使其有效避免铁磁谐振产生。4PT接线原理图如下图所示。但4PT法也有其缺点，低频谐振时候造成的过电流可能会存在较长时间，零序电压互感器上流过的电流大于其他三个电压互感器，有可能导致零序电压互感器损坏。
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图6 4PT法接线原理图
5、结论
当电力系统发生系统扰动时，系统感抗及容抗将有可能相等，此时系统内电磁式电压互感器极有可能发生铁磁谐振，会造成电压互感器烧损及爆炸事故，对于抗短路能力不足的老旧主变，低压侧母线电压互感器出现铁磁谐振，还有可能引起主变烧损事故。所以要加强对电磁式电压互感器的消磁设计，尤其对主变等重要设备附近的电磁式电压互感器采取消谐措施，具体选用消谐措施应结合现场实际情况进行制定。
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作者简介:
梁晓强（1994）男，助理工程师,大学学士。主要从变电检修工作，电话13997200785。
李彬堂（1993）男，助理工程师,大学学士。主要从变电检修工作，电话18897098060。
论文作者:梁晓强,李彬堂
论文发表刊物:《中国电业》2019年 23期
论文发表时间:2020/4/24
标签：电压互感器论文; 谐振论文; 相电压论文; 电磁式论文; 过电压论文; 发生论文; 绕组论文; 《中国电业》2019年 23期论文;