磁谐振对电压互感器的损害及消谐措施

1　铁磁谐振过电压产生的机理

在最简单的带铁芯电感L和电容C与电源E的串联回路中，电容压降
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，电感压降UL =I·ωL。

由于与Uc 和UL 反向，所以
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式中　Uc--电容压降


　　　UL--电感压降


　　　I--线路电流


　　　E--电源电压


　　　L--电感量


　　　C--电容量


　　　ω--2πf



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图1　串联铁磁谐振电路特性曲线


由于铁磁电感具有非线性特征，求解这一电路采用图解法。图1表示UL－I、Uc－I的伏安特性。可以看出，Uc－I是一条斜直线，而Uc－I具有铁磁饱和的特性，它们相交于e点。图中同时画出Δu与I的关系曲线，它和E直线相交于a1，a2，a3三点，在三个点上，E=Δu时，称为平衡点，即电路可能的工作点。由图可知，电源E没有足够大扰动，则电路便稳定工作在a1点，电感和电容上的电压分别为 和，且 ，故 电路呈感性，这时电流较小，电路处于非谐振状态。但由于10kV配电系统大多采用中性点不接地方式运行，其线路(尤其是电缆出线)对地存在分布电容，当系统运行正常时，各相电压互感器的感抗相等，中性点电压等于零。但如果当线路因断线、雷击或其他原因而产生单相接地故障时(如A相)，接地相对地电压降到接近于零，而非故障相对地电压上升倍，导致严重的中性点位移，中性点对地电压升高，系统的稳定性和对称性遭到破坏。


另一方面由于中性点不接地运行方式的主要特点是单相接地后，允许维持一定的时间，一般为2h，不致于引起用户断电。但随着中压电网的扩大，出线回路数增多、线路增长，中压电网对电容电流亦大幅度增加，在发生单相接地故障时，其接地点电阻较大且接触不良，因而在接地点出现瞬燃瞬熄的电弧放电，从而造成电压瞬高瞬低，同时引发电能、磁能的振荡。


单相接地时接地电弧不能自动熄灭，必然产生弧光过电压，一般为3～5倍相电压甚至更高，致使电网中绝缘薄弱的地方放电击穿，并会发展为相间短路造成设备损坏和停电事故。对于全部(或大部分)是电缆出线的电网，网络的电容电流会更大，单相接地后电弧不能自行熄灭，产生的弧光过电压可能导致相间短路而电缆"放炮"。所以当线路发生单相接地故障时，就会使电源电压瞬间升高，工作点越过ΔU－I曲线的最高点达到a2点，但a2点并不是稳定工作点，因为电路中电流一旦偏离a2点而增大时，电源电势E便大于ΔU，使回路电流I继续增大，这使带铁芯电感更加饱和，L值进一步下降，I随之增加，达到串联谐振点e点，在e点ωL=1/ωC，理论上此时过电压将趋于无穷大，但e点也不是稳定工作点，随着电流激增L将继续减少，电路就自动偏离谐振条件而跃变到新的稳定工作点a3为止，此时，虽然工作点已偏离理论上的谐振工作点e，但这时电流已经很大， 、 都很高，所以我们说电路仍处于谐振状态。此时由于 ，电路呈容性。从以上分析可以看出，所谓铁磁谐振就是由于铁芯饱和而引起的一种跃变过程，由于a1点到a3点的跃变，使电路由原来的感性状态转变为容性状态，电路相位发生180°反转。


通过以上对串联铁磁谐振电路的分析，我们就能够明白，当线路发生单相接地时，两相电压瞬时升高，三相铁芯受到不同的激励而呈现不同程度的饱和，电压互感器的各相感抗发生变化，各相电感值不相同，


中性点位移产生零序电压。由于线路电流持续增大，导致电压互感器铁芯逐渐磁饱和，其电感迅速减小，当电感降到满足ωL＝1/ωC时，即具备谐振条件，从而产生谐振过电压。在发生谐振时，电压互感器一次励磁电流急剧增大，使高压熔丝熔断。如果电流尚未达到熔丝的熔断值，但超过了电压互感器额定电流，长时间处于过电流状况下运行，必然造成电压互感器烧损。