电磁式电压互感器的铁磁谐振

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电磁式电压互感器的铁磁谐振
作者：中山市泰峰电气有限公司徐世超来源：输配电产品应用变压器及仪器仪表卷总第80期
摘要：电磁式电压互感器和电容式电压互感器都能满足对电网的计量和保护作用。从性价比分折此两种互感器的优劣，提出呈容性SF6绝缘电磁式电压互感器为高压电压互感器的最佳选择，呈容性树脂绝缘电磁式电压互感器为中压电压互感器的最佳选择之一。
关键词：电磁式电容式电压互感器电磁谐振呈容性的电磁式电压互感器
1电磁式电压互感器（以下简称PT）
1.1原理
一次、二次线圈通过铁芯电磁感应，将高电压变换成标准低电压（100；100/3；V），供计量及保护用。PT入端阻抗为电抗（感抗性质）。
电网的所有元件中，入端阻抗为容抗（XC）性质的有：输电线对地电容；耦合电容器；断路器断口的并联电容及电容式电压互感器（以下简称CVT）。入端阻抗为感抗（XL）性质的有：PT、变压器及电抗器。
当电网正常操作（断路器投切）出现的操作过电压或大气过电压时，电网会因铁磁谐振（电网中容抗与感抗相等）而烧毁电网的某些元件（例：PT）。由于变压器和电抗器在工作电压及过电压时其产品处于铁芯饱和状态，产品的入端阻抗值基本不变，而PT在电网电压改变时自身的感抗值可能会与电网的容抗值相等发生铁磁谐振烧毁PT。所以，在电网中所有的元件中，仅要求PT应避免铁磁谐振的发生。
　　1.2结构
按电压等级不同，主绝缘介质为：油纸绝缘；SF6气体绝缘；环氧树脂绝缘。
1.3特点
PT准确度不受外界因素（环境及运行温度、电源频率、环境污染）的影响，其误差值是稳定的；一次与二次变换是瞬间发生的，无暂态响应问题（PT为电抗元件，不是储能元件）；存在铁磁谐振问题（PT的入端阻抗可能会因电网过电压使其与电网容抗相等）可能烧坏PT。
2电容式电压互感器
2.1原理
电网的一次高电压经电容分压器抽取较低电压值（例：15~20kV)，其等值阻抗为容抗（XC）性质，与电磁单元（中间变压器和补偿电抗器）的阻抗为感抗性质（XL）相等。即达到CVT的理想工作状态（二次回路XC≈XL）时，互感器内阻最小，CVT误差随负荷变化最小；CVT输出容量最大，此时是CVT的正常工作状态。
2.2结构
按电容分压器与电磁单元连接方式分为○1叠装式电容式电压互感器：电容分压器叠装在电磁单元之上，中间变压器的一次高压线由电容分压器内部引线到电磁单元，中压接线封闭在产品内部。结构紧凑。○2分装式电容式电压互感器：电容分压器和电磁单元分开安装，电磁单元有外露套管与电容分压器的中压端子在外部接线。
电容分压器为充油式电容器；电磁单元为变压器油绝缘。
2.4优点
⑴电容式电压互感器是经电容分压器与电网连接，不存在非线性电感，与电网不发生铁磁谐振。
⑵承受高电压的电容分压器内部电场分布较均匀，具有耐受雷电冲击能力强的特点。
⑶超高压（＞500kV）电容式电压互感器的价格比电磁式电压互感器便宜，因为，电容式电压互感器随电压等级增加，其电磁单元基本不变，仅增加电容分压器的价格（增加电容分压器节数的价格）。而电磁式电压互感器随电压等级增加，其绝缘结构随之复杂，使其价格按比例增加。
⑷可兼作耦合电容器使用，用于载波通讯（由于目前移动通讯成本很低，用电容式电压互感器作此用途己较少了）。
2.5缺点：
⑴电容式电压互感器内部可能发生低频谐振
CVT内部是由XC及XL组成，而XL是非线性电感，当电网正常运行或/和出现过电压时，可能发生铁磁谐振(此谐振不会波及到电网，仅会烧毁CVT)。为了限制此过电压，尽管在电磁单元内的中间变压器高压侧加装避雷器和阻尼器，但不能保证能完全起作用。若避雷器动作后，必须停运更换避雷器。它不能根本消除铁磁谐振的发生。
⑵电源频率影响互感器的误差
电容式电压互感器工作原理是在电容分压器抽取电压后经电磁变换后得到低电压。电容分压器的电容量C1、C2值是随电网频率f而改变。当电容量变化后，电容式电压互感器的理想工作状态（XC≈XL即接近串联谐振）发生变化，导致互感器的误差改变。电源频率变化的标准为50Hz±1%时，XC的变化可达±2%，可见电容式电压互感器的误差受频率影响的程度。
　　⑶环境污染程度对误差的影响
环境(特殊气候和污秽条件)的污染情况会在电容分压器的伞裙上形成分布的杂散电容和泄漏电流，此分布电容直接与电容分压器的C1、C2并联，改变了电容式电压互感器的XC值，从而对误差产生影响。
　　⑷CVT运行时温度对误差的影响
电容分压器的绝缘介质为聚苯烯薄膜和绝缘纸复合，绝缘介质受温度的改变使得电容温度系数也变化，此影响到电容分压器的C1及C2值变化。最终使得CVT误差变化。叠装式结构的电容式电压互感器，电容分压器的C2值与电磁单元在一体内，受电磁单元运行时温度升高影响大于C1。C1与C2电容值增加的比例不同，抽取的电压变化，因而误差变化。分装式结构的电容式电压互感器，由于电容分压器与电磁单元是分体的，电磁单元的运行温度不会对C2有影响。
　　⑸CVT“滞留电荷”现象对误差的影响
当电网正常操作停运被切断，电荷可能滞留在线路上而未采取措施接地或放电时，电网再次接入时电容分压器的C2将重新充电[-Up(C1/C2)]，并按电磁单元确定的时间常数衰减，此电压叠加在正弦波信号上，会对误差造成很大的影响。
　　⑹叠装式结构的电容式电压互感器不便于作监督试验
电容分压器的C2与电磁单元不能分开作试验，其绝缘状态在现场难判断；中压连线在装配时易产生与电磁单元之间闪络放电；运输必须整体，不能与电容分压器分开运输。运输较难，尤其是电压等级越高越突出。分装式结构的电容式电压互感器无此问题。
⑺CVT不宜做关口计量用电压互感器
由于温度（环境及产品运行的温升）；电源频率；污秽条件(杂散电容和泄漏电流)；“滞留电荷”等因素对电容式电压互感器的误差影响，而这些因素在产品制造和运行中不可避免的，因此有些省局规定电容式电压互感器不宜做关口点计量。对此点，为说明问题，摘录“IEC60044-5:2002电容式电压互感器”有关准确度论述章节：
　a)9.8准确度试验9.8.1一般要求：注2：目前的运行经验表明，CVT可以满意地作为0.5级使用。温度的突变，特殊气候和污秽条件，杂散电容和泄漏电流皆会影响电压误差和相位差。这些仅用理论方法可计算的影响，对于准确度较高的CVT极其重要。
b)10.6准确度检验注2：○1当CVT在其温度和频率的各参考范围内使用时，用裕度考虑温度和频率所引起的误差变化。允许值由温度和频率影响同时出现的最不利情况来确定。裕度取决于电容器介质的类型及其结构。图1的误差图中画出了20%+裕度。裕度由制造厂决定。○2如果是在完整的CVT上作准确度检验，要对温度和频率的综合影响而增加一些裕度。

图1用等效电路作准确度（1.0级）检验的误差图
2.6产品绝缘性能的分析
产品的高压主绝缘由电容分压器承担。电容分压器内部的电场分布均匀，在制造过种中保证电容器的清洁度是绝缘性能可靠的关键。产品内部发生铁磁谐振是对运行造成严重绝缘隐患。传统的电磁单元为了防止铁磁谐振过电压，在中间变压器的高压侧装有避雷器，但仍不能完全保证将过电压限制，在运行中时而烧坏产品。有的厂家将改善中间变压器的设计，使中间变压器本身的入端阻抗从感抗性质改变为容抗性质。这样，从电容式电压互感器的等值电路可见，在过电压因数不超过1.5倍内，电容分压器的容抗与电磁单元的容抗不可能发生铁磁谐振。这样，产品不会出现铁磁谐振过电压，在此种产品内，己取消中间变压器一次侧的避雷器。
2.7电容式电压互感器准确度
计量作为电压互感器的基本性能之一，互感器的准确度必须保证。由于电容式电压互感器是从电容分压器抽取一个中间电压送入电磁单元，经电磁变换后降到标准低电压，供计量和保护用。它的工作状态是容抗与感抗接近相等（串联谐振），此时产品的准确度最高、误差随负载变化最小，输出容量最大。但是在运行中，有多种因素影响从电容分压器抽取的电压值，因而互感器的输出值改变，也就是说，误差偏离出厂值（己调整好的数值）。
影响因素电容分压器的电容值的因素：○1电源频率。○2电磁单元的温升对电容分压器电容C1、C2的影响不同，造成抽取电压变化。○3环境污秽条件不同对电容分压器外绝缘套管的分布电容，使电容C1、C2的影响不同，造成抽取电压变化。○4“滞留电荷”现象对误差的影响。因此，电容式电压互感器不宜做关口计量。
3电磁式电压互感器的铁磁谐振问题
3.1铁磁谐振机理
3.1.1谐振引起的暂时过电压
谐振可能是线性的，也可能是非线性的。铁磁谐振是属于非线性谐振。
非线性谐振时，其谐振频率可能是电源频率（基频谐振）、或其分数（分次谐波谐振）、或其一定的倍数（偶次或奇次谐波谐振）。
在有大电容元件（如串联补偿电容器、电缆等）和具有非线性磁化的电感元件（如变压器、电磁式电压互感器等）的回路内，由于操作或负载突变，可能激发起不同类型的非线性谐振过电压，其持续时间与激发的起因、回路本身的特性有关，或者是稳定的，或仅持续一定时间。
此类谐振过电压可分为：
⑴基频铁磁谐振：
○1在中性点不接地系统中，当空载母线合闸或单相接地，且由于各相电磁式电压互感器的饱和程度不同，可能产生基频铁磁谐振。
○2带空载母线或轻载变压器的线路中，非全相操作或断线，形成电容与非线性电感的串联电路，且该回路总阻抗为容性时，过电压将较高。
基频铁磁谐振过电压通常被铁芯饱和所限制。
⑵分次谐波谐振
在串联补偿电容器、并联电抗器的串联回路和电磁式电压互感器与母线对地电容并联回路内，如作用电压、回路参数（电容值、含铁芯的电感线圈线性部分的电感值、电阻值、饱和后的磁化特性等）满足一定条件时，可因操作而激发起分次谐波谐振过电压（一般为1/2次谐波）。
⑶高次谐波谐振
由变压器供电的轻负载线路，如果由变压器或电磁式电压互感器的激磁支路看去，系统的线性部分的自振频率恰与变压器激磁电流的某一谐波频率相等时，会出现奇次谐波谐振过电压。
由于电感周期性变化，在一定条件下可能激发起基频、偶次谐波谐振。
含铁芯电感线圈接入电源或开断故障时，其磁路内将有过渡过程一非周期性励磁出现，这将使激磁电流内的偶次、奇次谐波，如其外的系统的线性部分的自振频率恰与励磁电流的某一频率相等时，会出现偶次、奇次谐波谐振过电压。
3.1.2谐波谐振过电压
电磁式电压互感器的励磁特性为非线性，它与电网中的分布电容或杂散电容在一定条件下可能形成铁磁谐振。一般情况下电压互感器的感性电抗大于电网的容性电抗。当电力系统正常操作或某种情况产生暂态过程时，需要断路器切合线路(尤其是切合空载母线)时，会出现操作过电压，引起互感器的工作点移动，严重时可能出现饱和，此时在电压互感器感抗降低的过程中，当与电网的容性电抗恰好匹配时，将出现铁磁谐振。
铁磁谐振可能会发生在不接地系统和接地系统中。
铁磁谐振的谐振频率是根据电网的电容值而定，谐振频率可为工频和较高的工频或较低的工频所产生的谐波。铁磁谐振产生的过电流和/或高电压都会造成电压互感器的损坏，特别是低频谐振时，电压互感器相应的励磁阻抗大为降低而导致铁芯深度饱和。励磁电流急剧增大，高达额定值的数十倍至百倍，严重损坏电压互感器。
3.2中性点不接地系统的铁磁谐振
　3.2.1对电磁式电压互感器应用的要求
我国配电网系统为中性点绝缘或中性点经消弧线圈接地，统称为中性点非有效（不接地）接地系统。电磁式电压互感器作为电网的计量及保护而大量使用。为此，对电磁式电压互感器的要求有：
⑴在发生单相接地故障时系统不停电，要求电磁式电压互感器继续安全地运行规定的时间（相对于不同电压因数的连续运行时间），并要求电压互感器应发出正确系统单相故障信号，以保护电网的安全供电。
⑵装配自动流水线应采取措施保证电磁式电压互感器安全可靠运行：在中性点不接地系统中，电磁式电压互感器是非线性元件，它与线路对地电容形成并联谐振回路，当单相接地或线路合闸等激发条件下，会出现铁磁谐振，烧坏电压互感器。为了避免此损坏，要求电磁式电压互感器本身可与电网不发生铁磁谐振；采取措施限制铁磁谐振的发生。
3.2.2铁磁谐振机理
在中性点不接地系统中，电源变压器中性点不接地，为了监视绝缘，采用三相接地电磁式电压互感器，互感器的一次绕组中性点直接接地（图2）。互感器的励磁电感分别为Lu、Lv、Lw，与其并联的电容Co表示此相导体和母线的对地电容。Co与励磁电感并联后的导纳为Yu、Yv、Yw。

图2中性点不接地系统中三相电压互感器谐振时电路图
在正常运行下，励磁电感Lu=Lv=Lw，即导纳Yu=Yv=Yw。三相对地负载是平衡的，中性点电位为零。
当电网中发生冲击扰动，例：电源合闸至空母线时，使互感器的一相或二相出现涌流现象，或线路瞬间单相弧光接地（或熄灭）后，健全相（或故障相）电压突然升高也会出现很大涌流，造成该相互感器磁路饱和，励磁电感L相应减小，这样三相对地负载就不平衡，中性点出现位移电压，其值为：

式中：EO??中性点位移（对地）电压，V；
Eu、Ev、Ew??三相电源电压，V；
Yu、Yv、Yw??三相励磁电感与母线电容并联后的导纳，s。
若果在正常运行时，由于互感器励磁阻抗很大，各相的导纳呈现容性，电网发生扰动的结果使V压片机模具相和W相电感即Lv、Lw减小，电感电流增大，可能使V相和W相导纳变成感性（见图2）。感性导纳L＇和容性导纳C＇相互抵消，使总导纳Yu+Yv+Yw显著减小，位移电压Eo大为增加。当出现参数配合适当时，总导纳接近于零，此时产生了串联谐振现象，中性点位移电位将急剧增加。三相导线的对地电压等于各相电源电势和位移电位的相量和，结果是两相对地电压升高，一相对地电压降低。这就是基波谐振的形式。
电磁式电压互感器铁芯磁化曲线是非线性的，由于铁芯的磁饱和引起电流、电压波形的畸变，即产生了谐波，使上述谐振回路还会对谐波产生高频、工频和分频谐振过电压。
当空载母线合闸时Co（该相导线和母线对地电容）很小，将产生3倍以上高频谐振过电压。当空载母线合闸时有较大的Co则会出现工频谐振。当空载母线合闸时有很大的Co（出线较长）时，将产生分频（通常为1/2次）谐振。
分频谐振过电压一般不超过2倍相电压，但由于励磁感抗减半，电压互感器又深度饱和，在励磁电流急剧增大，甚至达额定值的百倍以上，造成电压互感器过热、烧坏。
由上述分析可见，在中性点不接地系统出现的谐振过电压属于零序性质。
　　损坏电磁式电压互感器通常有两种情况：
○1电压互感器的一次绕组烧坏，是持续的铁磁谐振造成。一般是发生在空载母线合闸时，该相母线的对地电容较小，产生三倍频的高频谐振过电压。
○2高压熔断器频繁熔断。是由超低频铁磁谐振造成。超低频铁磁谐振是在单相接地故障消失瞬间，电网对地电容与电压互感器励磁电感产生的一种短暂电磁振荡。这种情况出现在空载母线合闸时有较大的母线对地电容的电网中。尤其是在间隙性电弧接地故障时，更为严重。
3.2.3限制或消除铁磁谐振的措施及其分析

⑴在电压互感器的剩余绕组开口三角装消谐器（图3）
消谐器可以为固定的电阻：低值电阻或白炽灯泡（6~10kV可用200W；35kV可用500W）或专用的消谐器（非线性电阻型：电子微机型、电感型、电容型）。
本措施是在电压互感器的二次加装消谐器，称二次消谐器。低值电阻在正常运行是要消耗能量，对开口三角电压也有影响。电子微机型消谐器是当谐振发生时瞬时接通高阻抗回路，有良好的消谐效果。但是对低频振荡不起作用。因此，只适用于对地电容较小的电网。
图3在电压互感器剩余绕组的开口三角装消谐器
⑵在电压互感器一次绕组中性点与地之间接入线性电阻：
　10kΩ级的电阻。属于一次消谐器。它对抑制铁磁谐振和超低频谐振都有较好的效果，适用于对地电容较大的电网。
一次消谐器安装位置会造成以下问题，因而一次消谐器的应用受到限制：
○1高压中性点发生位移，造成三相电压不平衡。
○2使电压互感器二次侧相电压波形中出现明显的三次谐波，导致相电压测量结果严重失真。
○3电压互感器开口三角会滤出三次谐波的干扰信息，其值可达几伏到十几伏，影响接地信号继电器的整定。
⑶在电压互感器一次绕组中性点与地之间接入非线性电阻：
电子型、电感型、电容型。属于一次消谐器，同样，也存在与⑵同样的问题。
⑷在互感器一次侧中性点经高阻抗接地（图4）：
在三相电压互感器或三台单相电压互感器的一次侧中性点与地之间接一单相零序电压互感器。俗称“4PT”法，属于一次消谐器。它对抑制铁磁谐振和超低频谐振都有较好的效果，适用于对地电容较大的电网。
“4PT”法的特点：
○1采用零序电压互感器二次绕组的补偿作用，消除了二次相电压测量中三次谐波的影响。
○2三相电压互感器的开口三角回路是短接的，因此，零序电压互感器承担测量零序电压，三相电压互感器测量正序电压。
○3零序回路中只有单相电压互感器一种电感，与三相电压互感器的励磁电感小得多，在激发的过电压作用下，感抗值无法与电网的对地电容相等，产生铁磁谐振的充分必要条件不具备，即起到抑制或消除铁磁谐振的作用。

图4在电压互感器一次侧中性点经高阻抗接地
⑸在电压互感器的一次侧加装避雷器来限制操作过电压或暂态过电压：
控制互感器的工作点（即互感器的励磁电抗值）在一定的范围内，这样，破坏了产生铁磁谐振的充要条件，达到限制电铁磁谐振的目的。
⑹在电压互感器的一次侧或二侧加装熔断器：
当发生铁磁谐振时，产生的励磁电流急剧增大，用熔断器来保护互感器不烧毁。
⑺在母线上加装一定的对地电容，使之超过一定临界值，使回路超过谐振区域：
化工、冶炼行业是电能巨大的用电大户，为了减少电费，将负荷功率因素呈容性，因而安装了静补装置，即在电网上的对地电容大大增加，电网对地电容远大于系统的感抗。铁磁谐振的条件不可能存在。从根本上解决了铁磁谐振问题。
　　⑻选用在额定电压因数为2倍内呈容性的电磁式电压互感器：
在中性点非有效接地系统中对电压互感器的额定电压因数值的要求为1.9倍。电磁式电压互感器运行在额定电压因数2倍以下时，PT呈容抗性质，电网铁磁谐振的充要条件不存在，避免了谐振。
⑼采用电容式电压互感器。
⑽将电源变压器的中性点经消弧线圈接地。
综上所述，由于铁磁谐振的复杂性，尚未出一个措施是十全十美的方案，任何措施有其局限性。应按照使用场合电网的配合具体情况，应用某一个消谐措施。
3.3中性点直接接地系统的铁磁谐振
3.3.1铁磁谐振机理
66kV及以上的电网为中性点直接接地系统。为研究最严重情况，考虑变电站所仍采用带断口电容器的少油断路器（新建变电站大多采用无断口电容的SF6断路器）。见图5，设母线上接有电磁式电压互感器，其电感为L，与其并联的相导体及母线对地电容为Co。当母线停电切除或恢复设备运行或其它运行方式中，只要出现断路器断口电容与电压互感器形成串联回路，同时母线对地电容Co较小与电压互感器并联后其伏安特性呈感性（假设其等值电感为L1），当电源电压具有足够在的电压扰动、互感器铁芯出现饱和时的等值电感减小到ωL1=1/ωCo时，就产生铁磁谐振，长时间的磁饱和是流将烧坏电压互感器。
电磁式电压互感器在断路器分闸或隔离开关合闸时可能与断路器并联均压电容或杂散电容形成铁磁谐振。由于电源系统和互感器中性点均接地，各相的谐振回路基本上是独立的，谐振可能在一相发生，也可能在两相或三相发生。

图5中性点直接接地系统电压互感器谐振时接线图
铁磁谐振的性质：此种谐振是在电源变压器和电压互感器的中性点都直接接地的条件下产生的，具有正序和负序性质。所以，将电压互感器剩余电压绕组开口短接是不能完全消除谐振的，应采用其它方法。
3.3.2限制或消除铁磁谐振的措施
⑴改变倒闸操作方式，避免带断口电容的断路器投切带电磁式电压互感器的空载母线。
对于参数配合不好、易激发谐振且己投运的变电站，一般采用改变倒闸操作方式，避免带断口电容的断路器投切带电磁式电压互感器的空载母线。具体操作时一定要作到：投入时先投入断路器；切除时事先切除电磁式电压互感器；切除时在有可能时也可先临时断开电源变压器的中性点。
⑵采用电容式电压互感器，根本上消除此种谐振的可能性。
⑶选用在额定电压因数为2倍内呈容性的电磁式电压互感器。
在中性点非有效接地系统中对电压互感器的额定电压因数值的要求为1.9倍。电磁式电压互感器运行在额定电压因数2倍以下时，PT呈容抗性质，电网铁磁谐振的充要条件不存在，避免了谐振。
蜂房哈夫尼菌 4电压互感器的选择
高压电压互感器一般指66kV~1000kV电压等级的电压互感器：油纸绝缘或SF6绝缘电磁式电压互感器；电容式电压互感器。
中压电压互感器一般指35kV及其以下电压等级的电压互感器：油纸绝缘或环氧树脂绝缘电磁式电压互感器。
以下简述其特点，提出选择意见。
4.1高压电压互感器的选择
表1高压电压互感器性能比较

性能	电压互感器的型式
性能	SF6绝缘电磁式电压互感器 (呈容性)	SF6绝缘电磁式电压互感器 (呈感性)	油浸绝缘电磁式电压互感器 (呈感性)	油浸绝缘电容式电压互感器 (呈容性)
主绝缘介质	SF6气体	SF6气体	油、纸	油、纸
绝缘性能稳定性	优良	优良	良好	良好
产品的tgδ	无	无	有；可能回升	有；可能回升
产品本身存在高频谐振的可能性	无	无	无	有
具有在线监测功能	有	有	无自动钎焊设备	无
环境及运行温度对误差的影响	无	无	无	有
电网频率对误差的影响	无	无	无	有
一二次电压变换的瞬时响应	瞬时反应	瞬时反应	瞬时反应	知识竞赛系统不能瞬时反应
故障后”滞留电荷”影响误差	无“滞留电荷”问题	无“滞留电荷”问题	无“滞留电荷”问题	“滞留电荷”影响误差
污秽状态对误差的影响	无	无	射击标靶无	有
产品呈容性或感性	呈容性	呈感性	呈感性	呈容性
与电网发生铁磁谐振的可能性	不可能	可能	可能	不可能
变电站要求无油化产品	符合	符合	不符合	不符合
现场监测产品绝缘性能试验的难易程度	易	易	易	难,对整体式CVT难于对中间变压器进行单独绝缘试验
运行安全、可靠及运行维护	运行安全可靠、少运行维护	运行安全可靠、少运行维护	运行中需定期绝缘监测及维护	运行中需定期绝缘监测及维护