10kV电力系统谐振过电压的原因及抑制措施_孟繁宏

供变电 电气化铁道 2005年第3期 2210 kV电力系统谐振过电压的原因及抑制措施 孟繁宏，李学山，张占胜 摘 要：通过对10 kV中性点不接地运行方式下谐振过电压的分析，说明产生谐振过电压的条件、种类及特点，

并提出以下抑制谐振过电压的措施：采用自动调谐接地补偿装置或可控硅多功能消谐装置，在电压互感器的中性点接消弧线圈，或接消谐器等。 关键词：铁路；电力；过电压；抑制措施

Abstract: By analyzing the resonant over-voltage in 10 kV power supply system with its neutral point being

unearthed, illustrates the conditions causing the resonance over-voltage and their types and characteristics, and puts forward the following measures to suppressing resonant over-voltage: by adopting automatic tuned earthing compensation device or silicon-controlled resonance suppressor, connecting the arc-extinguishing coil with neutral point of the voltage transformer or connecting the resonance suppressor. Key words: Railway; power supply system; over-voltage; suppression measure

中图分类号：U223.6 文献标识码：B 文章编号：1007-936X(2005)03-0022-04

0 概述 在10 kV配电所的每段母线上都接有1台电压互感器，其一次线圈中性点直接接地。由于电网对地电容与电压互感器的线圈电感构成谐振条件，在运行中容易产生铁磁谐振，引起内部过电压，这种过电压持续时间长，是导致电压互感器高压熔丝熔断和电压互感器烧损、避雷器爆炸的主要原因，也是诱发某些重大事故的原因之一。近5年以来，在大同西供电段管内共发生谐振过电压烧坏电压互感器高压保险12次，烧毁10 kV电压互感器1台，烧断电压互感器瓷瓶内部引出线1次。 1 谐振过电压产生的条件

1.1 内部条件 铁路10 kV电力系统是中性点不接地系统，为了监视系统的三相对地电压，该配电所每段母线上均接有1台三相五柱电磁式电压互感器，其电气接线原理图略。 母线电压互感器的高压侧在接成Y型时其中性点是接地的，由于铁路10 kV电力系统中电缆较多，各相对地电容较高，电网对地电容与电压互感

作者简介：孟繁宏.朔黄铁路发展有限公司原平分公司，工程师，山西 原平037005，电话：029-93638（路电）； 李学山，张占胜.大秦铁路股份有限公司大同西供电段。

器的电感相匹配构成谐振条件。当发生谐振时，电压互感器感抗显著下降，励磁电流急剧增大，可达到额定值的数十倍，造成电压互感器烧毁或保险熔断。 1.2 外界激发条件 激发产生谐振过电压的外部条件有以下几种：（1）线路发生单相接地或瞬间接地。（2）不带馈线负荷的情况下向带有三相五柱电磁式电压互感器的母线送电。（3）进行空载线路的投切操作。（4）电力线路有雷电感应。（5）电网负荷轻，电压高，发生传递过电压。 2 过电压种类及特点

2.1 过电压种类 铁路10 kV电力系统过电压主要分为谐振过电压、雷电过电压和操作过电压，其中谐振过电压在正常运行操作中出现频繁，危害性较大；一旦产生过电压，往往造成电气设备损坏和大面积停电事故。运行经验表明，铁路10 kV电力系统中过电压大多数都是由铁磁谐振引起的。在实际运行中，故障形式和操作方式多种多样，谐振性质也各不相同。因此，为了制订防振和消振的对策与措施，应该了解各种不同类型谐振的性质与特点。 2.1.1 基波谐振 通常在配电所全所停电作业完成后向带有电10 kV电力系统谐振过电压的原因及抑制措施 孟繁宏，李学山，张占胜 供变电 23磁式三相五柱电压互感器的空母线送电、充电时发生基波谐振。表现为三相中的一相电压降低，但不为零，另外两相电压升高超过线电压，也称作“虚幻接地”，往往引起电压互感器高压熔丝熔断、电压互感器过热冒油甚至烧损。这种现象一般在馈线送电后就可消失。 2.1.2 分频谐振 分频谐振多由雷电感应引起，在线路较短，电磁式电压互感器较多，正常时中性点不平衡电压较高的系统中发生。发生分频谐振时三相电压表的指示轮流升高，且不稳定，升高数值约为线电压值。容易造成电压互感器温度升高，严重时甚至冒油。 2.1.3 高次谐波谐振 在线路电容足够小且负荷较轻，母线电压较高时发生高次谐波谐振。此时三相电压表指示同时升高，数值基本相同，一般不超过线电压值，即在工频电压的谐波上叠加了高次谐波分量（主要是3次谐波）。发生高次谐波谐振时电压互感器温度升高，相应电压等级的设备绝缘较弱部位会出现放电现象。 2.2 谐振过电压的特点 铁路10 kV电力系统发生单相接地时不影响线电压值，允许维持不超过2 h的运行时间，以减少用户断电。大多数单相接地故障因接地点接触不良而形成高阻接地，在接地点出现瞬燃瞬熄的电弧放电，从而造成电压突变，极易引发电能、磁能振荡。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，致使系统中绝缘薄弱的地方击穿放电，并发展为相间短路，造成开关跳闸和设备损坏事故。对于电缆出线回路，由于电容电流大，单相接地后电弧不能自行熄灭，产生的弧光过电压往往导致相间短路使电缆、中间（终端）头及避雷器击穿。 线路发生单相接地时，系统突变两相电压瞬时升高，线路对地电容与中性点接地的电压互感器绕组形成并联振荡回路，电压互感器三相铁心会高度饱和，各相感抗发生变化，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，导致电压互感器铁心饱和，其电感迅速减小，当电感降到满足ωL＝1/ωC时，具备了谐振条件，就会产生并联谐振过电压。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。如果电流超过了电压互感器额定电流，熔丝却没有及时熔断，电压互感器就会长时间处于过电流状态而烧损。 铁路电力系统由于供电线路长，自闭、贯通线路供电臂一般达到40 km左右，变压器较多，常因电缆及避雷器故障形成单相接地，引起系统谐振，产生间歇性过电压，致使非接地的两相电压升高到线电压，由于不能及时切除故障线路，电缆、避雷器长时间运行在非正常电压下。避雷器流过数倍于正常的泄漏电流，迅速劣化，而电缆的非接地相对地（屏蔽及钢铠）耐压由6 kV提升到10 kV，最终导致避雷器爆炸或电缆击穿。 3 抑制过电压措施

铁磁谐振过电压在铁路10 kV电力系统中频繁发生。这种过电压持续时间长，因而对系统的安全运行威胁极大，它是导致高压熔丝熔断和电磁式电压互感器烧损爆炸的重要原因。铁路10 kV系统一般都是作为沿线各站及区间的信号主备电源，大部分是一级负荷，因此也是重大事故的诱发原因之一。下面就常用的消除谐振过电压的措施分别进行讨论。 3.1 自动调谐接地补偿装置 采用自动调谐原理的接地补偿装置，能够较好地解决谐振过电压的问题。 3.1.1 装置组成 目前自动调谐接地补偿装置组成如图1所示，主要由接地变压器、电动式消弧线圈、微机控制部分、阻尼电阻部分、中性点专用互感器和非线性电阻5个部分组成。

图1 自动调谐接地补偿装置 A

CB

微机控制器非线性电阻 接地变压器

消弧线圈

阻尼箱供变电 电气化铁道 2005年第3期

243.1.2 作用 接地变压器是作为人工中性点接入消弧线圈，并能够当作所用变压器使用。消弧线圈电流通过有载开关调节并实现远方自动控制。采用预调节方式，即在正常运行方式情况下，根据电网参数的变化而随时将消弧线圈的分接头调到最佳位置。利用微机控制器实现自动跟踪和自动调谐的功能。通过测量位移电压和中性点电流与电压之间的相位，能自动计算、判断、发出指令进行调整，显示有关参数，并且能追忆、报警、自动打印和信号远送，满足无人值班变电所的需要。 自动调谐接地补偿装置能够实现全补偿运行或消弧线圈的脱谐度很小，主要是由于在消弧线圈的一次回路中串入了大功率的阻尼电阻，增大阻尼率，降低中性点谐振过电压的幅值使之达到相电压的5%～10%。当系统的电容电流与消弧线圈工作电流相等时，即在谐振时中性点电压限制在允许值以下，这样就可实现全补偿，这是残流最小的最佳工作方式，接地时残流很小，不会引起弧光过电压。 3.2 可控硅多功能消谐装置 可控硅多功能消谐装置，也是抑制铁磁谐振过电压，保护高压熔丝和电压互感器免遭损坏的理想的自动保护装置。 3.2.1 用途 可控硅多功能消谐装置是单一功能消谐装置的升级换代产品。能消除电网中常见的多种频率铁磁谐振。可有效地防止电压互感器的烧损，确保电网的安全运行。 3.2.2 结构与原理 多功能消谐装置主要由变压器、单（双）向可控硅、选频电路、触发电路、计数显示电路等部分组成。 3.2.3 主要功能特点 集多种功能于一体，电路简单，工作可靠，系统正常时，开口三角电压U0≈0，装置处于备用状

态，因此装置功耗可忽略不计，使用寿命长久。 消谐频率范围宽，对电网中常见的17 Hz和25 Hz等各种频率的铁磁谐振均能有效消除。 抗干扰力强，当电网中发生单项接地等异常现

象时，装置可靠不动。 3.3 中性点接消弧线圈 对由电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压的限制，目前虽然有多种方式，但效果大多不够理想，这是由于铁磁谐振过电压本身是一个非线性过程，现象比较复杂。分频谐振的频率为基波的1/2、1/3、1/6及1/8等，高频谐振有2、3次，还有工频谐振，有时几种谐振同时发生，一些消谐措施不那么有效。在系统上有多台电磁式电压互感器时，必须要使系统参数发生较大的变化才能将谐振过电压抑制住。 如果在系统的中性点上接入消弧线圈，破坏它的谐振条件，就能够有效地抑制谐振过电压的发生。其原理也很简单，如图1所示。电压互感器的励磁感抗比较大（千欧至兆欧级），而消弧线圈的感抗（百欧级）比较小，这样谐振条件ωL=1/ωC

很难满足，谐振就不会发生。另一方面无消弧线圈时单相接地发生间歇性电弧时电容上多次充放电造成电压互感器烧毁、熔丝熔断；有了消弧线圈后，电容对小感抗放电，电压互感器中电流很小就不会烧毁了。因此在中性点接入消弧线圈，对于由电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压起到很好的限制作用。 3.4 电压互感器中性点经消谐器接地 消谐器是一种特别配置的非线性复合电阻，串接在电压互感器一次侧中性点回路，其接入相当于在电压互感器一次侧各相对地都接入电阻，能够起到抑制电压互感器过电压、过电流、阻尼和抑制谐波的作用。 安装消谐器后，系统感容等效电路可用图2表示。