电压互感器消谐方案的研究及探索

任君 刘芳芳 袁刚

摘要：铁磁谐振是电力系统中常见的故障现象，如何正确分析、判断、处理谐振故障仍是一个有待进一步探讨的问题。采取有效措施将谐振危害降至最低是电网安全运行的保证。本文重点分析了电压互感器铁磁谐振的分类、产生机理及消谐方案。

关键词：电压互感器;铁磁谐振;消谐方案

由非线性电感（铁芯线圈）和线性电容组成的回路，当外施电压发生变化时，由于电感的变化而产生的谐振，这种现象称为铁磁谐振。铁磁谐振是电力系统自激振荡的一种形式。

系统的谐振将增加电压互感器电流，严重时会损坏母线电压互感器，甚至导致电压互感器爆炸。所以在电压互感器选型过程中，应注意铁磁谐振的预防工作，合理估算电压值，制定科学的消谐方案，防止串联谐振的发生，为电力系统的正常运行提供保障。因此，探索电压互感器铁磁谐振的解决方案具有重要的现实意义。

一、电压互感器简述

电压互感器是一种专门用作变换电压的特种变压器。在正常工作条件下，电压互感器二次电压实质上与一次电压成正比，如果在连接方向正确时，二次电压对一次电压的相位差接近于零。

电压互感器的一次绕组并联接在电力系统的线路中，主要是用来给测量仪表和继电保护装置供电，用来测量线路的电压、功率和电能，或用来在线路发生故障时保护线路中的贵重设备、电机和变压器。电压互感器二次绕组接的测量仪器、仪表、继电器等设备即其二次负荷。二次负荷的容量比较小，一般都只有几伏安、几十伏安，最大也不超过一千伏安。

二、铁磁谐振的分类

根据系统频率的不同，铁磁谐振可分为低频谐振（又称分频谐振）、高频谐振、基频谐振（工频谐振）。

1、低频谐振。当系统对地分布电容容抗Xc与电压互感器的感抗XL之比很小时（在0.01～0.07），会发生分频谐振。当电容与电感振荡时，能量交换需很长时间，振荡频率较慢。例如，在50Hz的1/2、1/3、1/4等，因此称为分频谐振。其表现为：①过电压倍数低，一般不超过相电压的2.5倍。②三相电压同时或依次轮流升高，电压表指针在同范围低频（每秒一次左右）摆动。

2、高频谐振。当系统对地分布电容容抗Xc与电压互感器感抗XL之比较大（在0.55～2.8）时，会发生高频谐振，此时线路对地电容小，振荡时能量交换快，谐振频率通常为50Hz的3、5、7倍等，故称为高频谐振。其表现为：①高过电压倍数。②三相电压表指示值同时增加，最大值为相电压的4～5倍，线电压基本正常稳定。③谐振时过电流小。

3、基频谐振。当系统对地分布容抗Xc与电压互感器感抗XL之比接近1时，谐振频率与电网频率相同，因此称为基频谐振，其表现为：①三相电压表指示数值为两相高、单相低，线电压正常。②过电流过大往往导致电压互感器的熔断器熔断，甚至烧毁电压互感器。③过电压倍数在相电压的3.2倍以内，并伴有接地信号指示，即虚假接地。

三、电压互感器发生铁磁谐振的机理

谐振是交流电路中的一种独特现象，通常，交流电路中存在电感和电容的串联现象时，如果感抗等于容抗，导致谐振。一般来说，在电力系统中，当受到电容、电感等元件故障或误操作影响时，会出现以谐振为代表的振荡回路。谐振的串谐特征会对某些系统元件产生不可逆转的破坏性影响，其中，谐振对电压互感器性能的影响非常明显，這是因电压互感器是一个铁芯元件，铁芯参与回路形成的饱和电路将显示非线性电感参数，导致严重损坏。根据当前电力系统谐振问题的影响特征，根据电网结构，谐振问题一般可分为并联谐振和串联谐振，前者反映在小接地电流系统中，铁磁谐振并联会使电容互感器和电压互感器对一次中性接地点的非线性电感形成谐振回路;后者是在接地电流较大的系统中产生的。电磁式电压互感器通过非线性电感和断路器断口的电容共同形成谐振回路。

在众多的谐振回路中，铁磁电压谐振出现频率最高，影响最大。此外，由于铁磁谐振会破坏电网的正常运行，所以研究电压互感器铁磁谐振消除方案十分必要。电压互感器的铁磁谐振既可能是基频，也可能是分频，甚至可能是高频，一般经常发生的基频和分频。根据运行经验，当电源向带有电压互感器的空母线突然合闸时易产生基频谐振，当发生单相接地时易产生分频谐振。

通常，与感抗相比，若电网容抗值较大，则不易发生铁磁谐振。若受到开关突然合闸或弧光接地影响，则将影响电网的稳定运行，降低感抗并产生谐振。图1显示，电网电压波动，导致电流发生很多变化，从I1上升到I2，这也导致铁芯饱和率在一定程度上增加，容易损坏电压互感器。此外，一旦电网参数发生变化，易降低电网容量，促进容抗增加，会对电压值形成一定程度的扰动，从而为铁磁谐振的发生提供了可能，并诱发谐振现象。

四、电压互感器消谐方案的研究及探索

1、选择具有较好励磁特性的电压互感器。一般来说，电力系统中的谐振现象主要表现在单相接地、空母线突然合闸等结构环境中，大多数励磁性能差的电压互感器设备，在有谐振环境的电路中，先会表现出铁芯工作点变化的趋势，并迅速进入饱和区，此时若系统内部参数相当，将发生大规模谐振。为改变电力系统环境，提高电压互感器的应对能力，需对电压互感器的励磁性能进行调整，产品采用饱和磁密较高的材料。具有高励磁性能的电压互感器能抑制电力系统中的励磁电感，从而控制谐振过程中产生的电压。

可用电容式电压互感器代替励磁性能差的电磁式电压互感器，以改善其励磁特性，防止铁磁谐振事故的发生。电容式电压互感器（CVT）是一种由电容分压器和电磁单元组成的电压互感器，使用时可以避免电磁式电压互感器构成电力系统工频谐振和铁磁谐振条件。

2、设置高压侧接地方式。在电力系统中，单相接地需经历两个过程：接地开始与接地消失，其中系统接地的开始需经与地面联通的方式，以确保未完成接地的两相电源电路形成通道，接地完成后，在整个电力系统的充放电过程中，电路不能通过电压互感器中的高压绕组实现流通。

因此，这种接地方式能有效避免电压互感器的铁磁谐振问题。通过高压侧接地方式的重新设定，能引导中性点通过电阻完成接地，从而抑制谐振产生条件。接地消失后，原有的金属通道将不复存在，电流流通无法借助原有流道途径完成，此时，电流将直接进入电压互感器的高压绕组，受电的高压绕组内部将根据三相储电电荷放电，此时高压绕组将作为直流电源直接与电感线圈连接并发生作用，电压互感器铁芯将深度饱和。在这种情况下，接地相环境相当于变压器空载突然合闸，存在暂态涌流叠加。为解决此问题，尽量在高压侧的中性点安装RO电阻器，在电阻器的帮助下共享电压互感器产生的电压，以避免发生谐振。

操作员操作时还应注意，在母线运行期间，需随时监测母线电压并获取信息。当电压互感器发生铁磁谐振时，操作人员需在第一時间合闸断路器并切断所有回路电容。同时，其他线路投入运行，破坏谐振引起的环境条件，避免谐振引起电力系统设备过电压，从而影响电力系统和操作人员的人身安全。

五、结束语

电压互感器作为电力系统中的一种重要的铁芯电感元件，在一定条件下可与系统中的电容元件“匹配”，从而诱发铁磁谐振过电压，危害电力设备的安全运行。因而，研究及探索电压互感器的消谐方案，采取恰当措施避免铁磁谐振的发生或者降低铁磁谐振的危害，对电力系统安全运行十分必要。

参考文献：

[1]陈杰.电压互感器铁磁谐振解决方案[J].农村电工，2017（09）.

[2]马素燕.电压互感器铁磁谐振解决方案探究[J].贵州电力技术，2015（05）.

[3]张太林任文韬.500kVGIS母线PT谐振原因分析及预防[J].电力安全技术，2017（10）.

[4]李坚、郭建文.变电运行及设备管理技术问答.中国电力出版社，北京2005.

[5]肖耀荣高祖绵.互感器原理与设计基础.辽宁科学技术出版社，沈阳2002.