1、在中性点不接地电力系统中电压互感器铁磁谐振过电压的判断和抑制在中性点不接地电力系统中，电压互感器铁磁谐振过电压的判断和抑制 【摘 要】本文以本人从事电力运营多年的经验，从理论上对电力系统中，中性点不接地系统的电压互感器铁磁谐振过电压的产生条件，判断、检测方法、产生的后果进行论述，同时提出了抑制的方法。 【关健词】电力网中接地系统的分类特性；铁磁谐振的基本条件；铁磁谐振的判断；产生的后果；防止铁磁谐振的措施 在电力网中，运行的发电机为星形接线时以及在电网中作为供电电源的电力变压器三相绕组为星形接法时，我们把三相绕组尾端连接在一起的公共连接点称之为中性点。电力网的中性点就是指这些设备中性点的总称。
2、 在电力系统中，电力网中性点的接地方式可分为两大类： 类是中性点直接接地系统，当发生单相接地故障时，接地短路电流很大，这种系统又称为大电流接地系统；另一类是中性点不接地系统（包括中性点经消弧线圈接地系统），当发生单相接地故障时，由于不直接构成短路回路，接地故障电流往往比负荷电流小很多，故又称为小电流接地系统。 我图划分标准为：X0 / X1 4 5的系统属于大电流接地系统，X0 / X1 45的系统属于小电流接地系绕。 注：X0为系统零序电抗，X1为系统正序电抗。 1 电力网中接地系统的分类特性： 1.1中性点直接接地系统的特性： 1.1.1正常运行时：各相对地电压等于相电压，中性点的电位在电
3、网的任何工作状态下均保持为零电位。 1.1.2单相接地短路时：在这种系统中，当发生相接地时，故障相的电压为零，非故障相对地电压不会增高（仍为相电压）；接地的这一相直接经过接地点和接地的中性点短路，一相接地短路电流的数值最大，因而应立即使继电保护动作，将故障部分切除。 1.1.3中性点直接接地系统，在发生一相接地故障时，因故障的送电线路被切断，迫使用户的供电中断，供电可靠性差。运行经验表明，特别是在1000V以上的电网中，大多数的一相接地故障，尤其是架空线路的一相接地故障，大都是具有瞬时的性质（例如下雨天的雷击放电等）。在故障部分切除（或解除）后，接地处的绝缘可能迅速恢复，而送电线路可以立即恢复
4、工作。 目前在中性点直接接地的电网内，为了提高供电可靠性，沿线路全长架设避雷线和装设自动重合闸装置，在系统一相接地线路切除后，立即自动重合，再试送一次，如为瞬时故障，送电即可恢复。 1.1.4中性点直接接地的优点：它在发生一相接地故障时，非故障相对地电压不会增高，因而各相对地绝缘即可按相对地电压考虑；电网的电压愈高，经济效果愈大。而且在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中，单相接地电流往往比正常负荷电流小得多，因而要实现有选择性的接地保护就比较困难，但在中性点直接接地系统中，实现就比较容易，由于接地电流较大，继电保护一般都能迅速而准确地切除故障线路，且保护装置简单，工作可靠。 1.2中性点不接
5、地系统的特性： 中性点不接地的供电方式，长期以来在10kV三相三线制供电系统中，得以广泛应用是因为有下述优点： 1.2.1采用中性点不直接接地的供电系统，相对于中性点直接接地的供电系统来说，供电可靠性较高，断路器跳闸的次数较少。特别是在发生单相瞬间对地短路时，由于该供电系统的故障电流是线路的对地电容电流，故障电流不大，瞬间接地故障比较容易消除，因而减小了设备的损害程度。 1.2.2 10kV电力网其线路对地面的距离较近，容易发生树枝误碰高压线路的瞬间接地故障，采用了中性点不接地的供电系统，当发生单相接地时，三相的电压对称性不被破坏，短时间继续运行（规程规定为12小时）不会造成大面积的停电事故。
6、 对于供电范围不大，且电缆线路较短的10kV电力网，釆用中性点不直接接地的供电方式，明显地减少了断路器跳闸的次数，缩小了停电范围，因而事故造成的损失也减少了。 1.3中性点不直接接地的电力网还有以下缺点： 1.3.1当该系统的对地电容电流不能控制在允许范围内时，由于单相接地故障产生的间隙性电弧形成周期性重燃，可能引起系统的内过电压，这种谐振过电压的数值可达2.53倍相电压的峰值，这是很危险的。 1.3.2 当发生单相接地故障时，非故障相的对地电压可能达到相电压的倍，这对线路绝缘水平不高的供电系统，如不及时处理接地故障将会由于非故障相的绝缘损坏而导致大面积的停电，因此必须在2小时以内消除故障才能
7、保证可靠地供电。 1.3.3在中性点不直接接地的供电系统中，采用了易饱和的小铁芯电压互感器，当运行参数耦合时将会产生铁磁谐振过电压，因此也必须采取适当措施来避免这种过电压的产生。 2目前我国电力系统中性点的运行方式 （1）对于610kV系统，由于设备绝缘水平按线电压考虑对于设备造价影响不大，为了提高供电可靠性，一般均采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方式。 （2）对于110kV及以上的系统，主要考虑降低设备绝缘水平，简化继电保护装置，一般均采用中性点直接接地的方式。并采用送电线路全线架设避雷线和装设自动重合闸装置等措施，以提高供电可靠性。 （3）2060kV的系统，是一种中间情况，一般一相接地
8、时的电容电流不很大，网络不很复杂，设备绝缘水平的提高或降低对于造价影响不很明显，所以一般均采用中性点经消弧线圈接地方式。 （4）1kV以下的电网的中性点采用不接地方式运行。但电压为380 / 220V的系统，采用三相五线制，零线是为了取得相电压，地线是为了安全。 3 在中性点不直接接地系统中，发生单相接地故障时，电压互感器铁磁谐振过电压的判断。 对于10kV电力网要求中性点不接地系统发生单相接地故障时，对地电容电流不超过30A，10kV以上35kV的中性点不接地系统，发生单相接地故障时，对地电容电流不超过10A，为了限制电力网中性点非直接接地系统发生一相接地时的对地电容电流，对于超过上述标准的
9、电力网，采用了中性点经消弧电抗器接地的方式。 由于电力网的日趋扩大，特别是电缆线路发展的迅速，对于中性点不直接接地的系统发生单相接地故障时，对地电容电流增加幅度很大，造成电压互感器（以下简称为PT）铁磁谐振常有发生，PT爆炸烧毁的现象也屡见不鲜。 本人从事高、低压配电柜的设计和现场事故处理工作多年，现对PT铁磁谐振产生的原因及判断分析如下： 3.1 电压互感器（PT）产生铁磁谐振的基本条件： 在635kV供电系统中常用三相五柱式电压互感器或三个单相电压互感器（带剩余绕组）组成绝缘监察装置。为了反映供电系统的单相接地，该电压互感器一次绕组中性点必须接地，于是形成如图（a）所示的电路。图中C1、C
10、2、C3为各相架空线或电缆对地电容，且通常为C1 = C2 = C3；L1、L2、L3为电压互感器绕组电感，当系统中有多台用于绝缘监察的电压互感器时L1、L2、L3为多台电压互感器的等效感抗。正常时L1、L2、L3上对地电压相等，等于系统相电压；L1、L2、L3、C1、C2、C3组成了各相对地的阻抗。 正常状态下各相对地的阻抗呈容性（因容抗小于感抗XLXC），当系统中发生冲击扰动时，例如：单相断续间隙接地或电源接通空母线等，就可能使一相或两相对地电压升高，则该升高的电压互感器铁芯饱和，L下降，感性电流增加，该相阻抗呈现感性，如图（b）所示。 图（b）是B、C相电压升高后的等效电路，再经等效变换
11、为图（c）所示等效电路。很明显，图（c）电路是一个LC串联电路，只要参数合适，就会发生铁磁谐振（串联谐振）。 谐振的结果：可能一相电压升高，两相电压降低；也可能两相电压升高，一相电压降低；还可能三相电压都升高。在电压升高的同时，电压互感器的励磁电流大大增加，以致使一次侧熔断器熔芯熔断或同时电压互感器烧毁以及系统出现虚幻假接地等，严重干扰配电系统的安全运行；还可能由于电压的持续升高而使回路中的避雷器或过电压保护器烧坏、爆炸。 铁磁谐振为非线性谐振，当谐振频率等于工频时，称为基波谐振，其它还有高次谐振和分次谐波谐振。 3.2 配电系统中电磁式电压互感器产生铁磁谐振的基本条件有以下几点： 3.2.1
12、在电源变压器中性点不接地系统中， 电磁式电压互感器一次侧接成星形且中性点直接接地时，各相绕组的电感L与对地分布电容C0并联组成一个独立的LC振荡回路，可视为电源的三相对称负载；当电网遭受突然冲击时，会造成三相对地负载不平衡。当L与C的数值恰达到电感和电容谐振条件，而三相回路的谐振频率等于电网的电源频率时，则电网中性点位移电压急剧上升，发生过电压，幅值可达1.5 2.5倍的最高运行电压，过电压可持续几百毫秒。 3.2.2 电压互感器铁心质量差（磁通密度低），伏安特性不好； 3.2.3 配电系统对地分布电容（母线、线路、线圈等对地电容C0）与PT铁心电感（L）参数的匹配不好； 3.2.4 系统中有
13、一个强力冲击扰动（激发条件），例如变电站母线的空载投入合闸瞬间、单相瞬时接地、持续性单相接地故障的切除瞬间以及操作过电压及雷击过电压等。 3.3电压互感器PT铁磁谐振的判断： 在配电系统中由于系统对地容抗（XC0）和电压互感器（PT）励磁感抗（XLC）的不同匹配组合，在一定条件下能产生不同频区的谐振，可分为基波谐振、分频谐振和谐波谐振，这几种不同频区的谐振所反映的现象也不尽相同，现简述如下： 3.3.1 基波谐振： 当电路自振频率 小于工频时，容易产生基波谐振，所反映的现象是系统中两相对地电压升高（大于线电压），另一相对地电压降低，同时在电压互感器开口三角形绕组中出现3倍零序电压，形成接地假象
14、（虚幻接地），这种基波谐振大多数发生在系统对地电容较小时，例如变电站空载母线合闸时可出现基波谐振，而往往使值班人员误认是系统单相接地故障。 3.3.2 分频谐振： 当系统对地电容较大时，电路自振频率（f0）略低于电源的分数频率f/n时就可能出现分频谐振，所反映的现象是，三相对地电压依次轮流升高并缓慢摆动。由于谐振频率低，电压互感器容易产生磁饱和，PT一次绕组中流过的电流能达到额定励磁电流的数十倍甚致上百倍，使三相电压互感器一次绕组严重过载而烧毁爆炸，一次高压熔丝多相熔断。 3.3.3 谐波谐振： 当系统对地电容极小或三相电压互感器非饱和时，可能产生谐波谐振（主要是三次谐波谐振）。所反映的现象是
15、三相对地电压同时升高或其中一相升高另两相降低，升高的数值大于线电压。 3.4系统接地故障和谐振故障的判断如下表所示： 3.4.1 铁磁谐振过电压的判断 3.4.2判断接地故障相的主要方法 注： Umax、Umod、Umin分别表示指示值最大、中间和最小的电压表指示值。 以上两种方法同时釆用，可更准确迅速地判断出故障相。 例如：某中性点不接地的10kV电网，单相接地时3只相电压表的指示：A相为5.58kV，B相为4.83kV，C相为7.23kV；此时，对地电压最高相为C相，所以可以判断接地故障相为下一相，即A相。 4 中性点不直接接地系统中，发生单相接地故障时的检测： 在中性点不直接接地系统中，
16、我们通常采用零序互感器检测接地电流，当系统发生单相接地时，零序电流可达到正常时的3倍及以上。采用带剩余绕组（开口三角形）的电压互感器检测零序电压；正常运行时，开口三角形两端电压理论上应为零，实际上由于三个电压互感器阻抗不等会有40V以下电压存在，当系统发生单相接地时，则开口三角形两端出现100V电压。 当零序电流和零序电压同时存在时，我们判定该系统有单相接地现象的存在。 三相电压互感器剩余绕组（开口三角形）两端零序电压的产生和相量分析： 在10kV供电系统中带剩余绕组（带开口三角形）的电压互感器正常运行情况下，由于电力系统三相相电压是对称的，感应到电压互感器二次统组中的三个相电压也是对称的，如
17、接线原理图（a）和相量图（b）；开口三角形的三个绕组是首、尾串联接线。因此，开口端（aD、xD）的电压是三个相电压的相量和，在正常运行情况下应为零（或有一个很小的不平衡电压）， 即： 当电力系统发生接地故障时（例如图a假定W相接地），从图中可以看出，电压互感器一次侧W相绕组的首端和尾端均是地电位，因此W相绕组上没有电压，感应到电压互感器二次w相绕组的电压亦为零。由于w相接地后，w相与大地等电位，因此，电压互感器一次侧V相绕组两端的电压为；U相绕组两端的电压为，即都等于线电压。显然，感应到电压互感器二次侧相应的u相、v相统组电压也均为正常情况下相电压的倍。从图（b）相量图分析，由于w相接地时，系
18、统电源中性点对地电位为-，因此各相对地电压为： = + （-） = 0 = + （-） = = + （-） = 这个结论和前面分析是相符合的，即系统发生金属性接地故障时，接地相对地电压为零，其它未接地两相对地电压在数值上为相电压的倍；从图（b）一次电压相量图上可看出和的夹角为600，在这种情况下，加在电压互感器一次侧的三个相电压、变得不对称了，通过相量计算不难求得+=3 即合成电压为3倍的零序电压. 同理感应到电压互感器二次侧开口三角形两端的电压=+=3，即此时开口三角形两个端头间出现3倍的零序电压 （金属接地故障时： =+= 3 = 3100/3 = 100V）。其相量推算如下： 在E（-）
19、中 = 2 （ sin600= ）= 又因在E（-）中 = 2 （ sin600 =） = 2 = 3 同理可推在二次开口三角形两端电压： = += 2 = 3 = 100 / 3 （V） = += 2 = 3 = 3 100 / 3 = 100 （V） 5 在中性点不直接接地系统中，发生单相接地故障时，产在的后果： （1） 金属性接地时，接地相对地电压为零，非接地两相对地电压升高到相电压的倍，即等于线电压，而各相之间电压大小和相位保持不变；可概括为：“一低、两高、三不变”。 （2） 虽然发生一相接地后，三相系统的平衡没有破坏（线电压大小、相位的不变），受电设备可以继续运行，但由于末接地，相对
20、地电压升高，在绝缘薄弱系统中有可能发生另外一相接地故障，造成两相短路，使事故扩大。因此，不允许长时间一相接地运行（一般不超过2h）；如未及时处理将会出现电压互感器（PT）因过饱和温度上升引发炸裂或烧毁（如图片所示）。 应当注意，对于电缆线路一旦发生单相接地，其绝缘一般不可能自行恢复，因此不宜带接地故障继续运行，应尽快切断故障电缆的电源，避免事故扩大。 （3）在中性点不接地的三相系统中，当一相接地后（如C相接地），其它两相（如A、B相）对地电压升高到，这两相的对地电容电流也相应地增大了倍，即I= I=I，其中I=。因C相接地，故C相对地电容被短接，C相对地电容电流变为零，此时，经过C相接地点流入
21、地中的电容电流（即接地电流）不再是零，而是 ，A相的电容电流超前，B相的电容电流超前。经过向量相加，可知绝对值为： （A） 式中-系统的相电压，V； 一角频率， = 2； C 一相对地电容，F。 从以上公式可知，单相接地时，通过接地点的电容电流为未接地时每一相对地电容电流的3倍，此时易引发铁磁谐振事故的发生。 （4） 单相弧光接地具有更大的危险性，因为电弧容易引起两相或三相短路造成事故扩大。此外，断续性电弧还能引起系统内过电压，这种内部过电压，能达到4倍相电压，甚至更高，容易使系统内绝缘薄弱的电气设备击穿，造成较难修复的故障。 弧光接地故障的形成与接地故障点通过容性电流的大小有关，为避免弧光接
22、地对电力系统造成的危险，当系统接地电流大于5A时，发电机、变压器和高压电动机应考虑装设动作于跳闸的接地保护装置。当10kV系统接地电流大于30A时，为避免难以克制的电弧接地危害，中性点应采用经消弧线圈接地的方式。消弧线圈是一个带有可调铁心的线圈，当发生单相接地故障时，它产生一个与接地电容电流相位差1800的电感电流，起到补偿作用，通过调整铁心电感达到适当的补偿，能使接地故障处的电流变得很小，从而消除和减轻了电弧接地的危险。 （5） 在单相不完全接地故障时，各相对地电压的变化与接地过渡电阻的大小有关，具体情况比较复杂；在一般情况下，接地时相对地电压降低，但不到零，非接地的两相对地电压升高，但不相
23、等，其中一相电压低于线电压，另一相可略低于线电压。 （6） 下面是两组因单相接地引发铁磁谐振的照片： 第一组照片是08年2月发生在某技术开发区的用户10kV变电所内，2只PT被炸裂烧毁，二次微机消谐装置也被烧坏发黑。 第二组照片是2011年4月发生在某35kV变电所内，PT被炸裂，避雷器也被击穿。 上述两次事故分析会均由供电局、设计院、用户及制造厂参加。事故原因，是因为系统接地（电业局调度室均有记载）造成，二次微机消谐装置可控硅击穿，造成PT开口三角形长时间短接运行，加剧了PT的温升上升。 6 在中性点不直接接地系统中， 防止电压互感器铁磁谐振的措施： 针对铁磁谐振产生的因素，为防止谐振采取的
24、措施大致有以下几方面： （1） 选用优质铁心的电压互感器，降低电压互感器的磁通密度；选用伏安特性较高的电压互感器。为了弥补伏安特性不足的缺陷，在实际应用中可以将电压互感器的中性线经零相线圈接地（也可采用单相电压互感器的绕组当作零相线圈）这样可以提高对地励磁阻抗，即提高了伏安特性。 （2） 调整电网中对地电容与电压互感器励磁感抗的配合，在设计和运行中应尽可能减少互感器中性点直接接地的处所。 （3） 在电压互感器开口三角形绕组中，接入适当的阻尼电阻，消耗谐振能量，破坏谐振条件。 阻尼电阻大小的选择与系统实际情况有关（对地容抗与PT励磁感抗的比值有关）。在10kV的配电装置中，为消除基波或谐波谐振过
25、电压，在开口三角形绕组中接入100W、100的管形电阻一般即可消除谐振；为消除分频谐振，可在开口三角形绕组中接入200W、50的电阻，但应注意，当发生单相接地故障时，互感器的负荷将超过额定值，因此应严格监视互感器的运行情况。 （4） 在电压互感器中性点中串入阻尼电阻，在10kV配电装置中可取3050k。 （5） 目前已有成品生产的消谐器，如RXQ-10型消谐器，将消谐器串接在电压互感器中性点中，既能消除由PT引起的谐振，又能限制流过绕组的过电流，工作可靠. （6） 若电网中性点位移电压较大，则在开口三角形输出端接的过电压继电器动作时，将一个电阻（约9k、150W）瞬间接入电压互感器一次侧中性点
26、与大地之间，经1min左右再自动断开。 （7） 目前较普遍使用的是接在开口三角形两端的FXG1型消谐器，它是由鉴频环节与消谐环节两大部分组成；当系统发生谐振时，装置的鉴频系统自动投入“消谐电阻”吸收谐振能量，消除铁磁谐振。另外还有KSX196微机消谐装置等。 （8） 中性点经消弧线圈接地： 在中性点不接地系统中，当接地的电容电流较大时（此时般属于非金属接地），在接地处引起的电弧就很难自行熄灭；在接地处还可能出现所谓间隙电弧，即周期性熄灭与重燃的电弧。由于交流电网是一个具有电感和电容的振荡回路，间歇电弧将引起相对地的过电压，其数值可达2.53Ue；这种过电压会传输到与接地点有直接电连接的整个电网
27、上，更容易引起另一相对地击穿，而形成两相接地短路。 在电压为36kV的电力网中，一相接地时的电容电流不允许大于30A，否则电弧不能自行熄灭，10kV的电力网中，规定一相接地电流不得大于20A；在3560kV电压级的电力网中，间隙电弧所引起的过电压，数值更大，对于设备绝缘更为危险；而且由于电压较高，电弧更难自行熄灭。因此，在这些电网中，规定一相接地电流不得大于10A。当一相接地电容电流超过了上述的允许值时，可以用中性点经消弧线圈接地的方法来解决，该系统即称为中性点经消弧线圈接地系统。 消弧线圈主要由带气隙的铁芯和套在铁芯上的绕组组成，它们被放在充满变压器油的油箱内；绕阻的电阻很小，电抗很大；消弧
28、线圈的电感，可通过改变接入绕组的匝数加以调节。显然，在正常的运行状态下，由于系统中性点的电压三相不对称电压，数值很小，所以通过消弧线圈的电流很小。采用过补偿方式，即使系统的电容电流突然减少（如某回线路切除）也不会引起谐振，而是离谐振点更远。 在中性点经消弧线圈接地的系统中，一相接地时和中性点不接地系统一样，故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高，三相线电压仍然保持对称和大小不变，所以也允许暂时运行，但不得超过2小时；消弧线圈的作用对瞬时性接地系统故障尤为重要，因为它使接地处的电流大大减小，电弧可能自动熄灭。接地电流小，还可减轻对附近弱电线路的影响。在中性点经消弧线圈接地的系统中，各相对地绝缘和中性点不接地系统一样，也必须按线电压设计。 目前在新建的1020kV电网系统中，推广使用的经消弧线圈接地的系统较多，作为用户变电所内的PT消谐装置，应尽可能地选用一次消谐装置为宜。 作者简介： 高志强（1974），男，助理工程师，2005年毕业于华北电力大学电气工程及其自动化专业，内蒙古集通铁路集团有限责任公司。 . .
