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摘要：在铁路10kV的电力系统中，大多数采用中性点不接地的方式。为了监测铁路电力系统的运行状态，设置了大量的电磁式电压互感器。因外界的扰动（例如线路的接地，倒闸操作等）导致电压互感器产生铁磁谐振，激发出持续的过电压和过电流，这种内部过电压，轻则造成电压互感器一次侧熔断器烧毁，重则烧毁电压互感器或炸毁绝缘子，严重威胁电力系统的安全运行。本文基于电压互感器铁磁谐振故障原因分析与处理展开论述。
关键词：电压互感器;铁磁谐振;故障原因分析与处理
引言
随着工业的发展以及科学技术的进步，电网中各类非线性负荷呈现出爆发式的增长，同时电网中各种复杂的、精密的用电设备也越来越多，电网的谐波问题愈发受到重视。故近年来各省市供电公司开始大力推进电网的电能质量在线监测系统的建设，并开展一系列的电能质量普测工作，目前，10kV系统中的PT主要采用电磁式电压互感器，其接线方式易造成3次谐波测量结果的异常已引起工程技术人员的广泛关注。
1 铁磁谐振产生机理
以图1为例，分析铁磁谐振产生机理。Xm是电压互感器PT一次侧绕组L的感抗值，Xc0是系统对地电容C0的容抗值。在中性点不接地的系统中，出于保护的需要，电压互感器的中性点是直接接地的。正常运行情况下三相阻抗对称，系统中性点位移基本接近于零，电压互感器的励磁感抗很大，励磁电流很小。此时励磁感抗大于线路对地电容的容抗，即Xm>Xc0。当出现一个激发条件，电压互感器的三相铁芯出现不同程度的饱和，使得互感器励磁电感L变小，励磁阻抗发生变化，中性点发生位移。当参数配合恰当，就会产生铁磁谐振。其主要特点有：①铁磁谐振回路中需存在非线性铁芯电感;②铁磁谐振需要一定的激发条件;③谐振一旦形成，会产生“自保持”，会存在很长时间，除非谐振条件被破坏才会被消除。
2 电压互感器发生铁磁谐振的机理
谐振是交流电路当中独有的一种现象，通常情况下，交流电路当中出现了电感以及电容的串联现象，会出现感抗等于容抗，从而造成谐振。一般来说，电力系统当中，受到电容、电感等元件故障影响或者误操作时，就会产生以谐振为代表的震荡回路。谐振所具有的串谐特征，还会对某些系统元件产生不可逆的破坏性影响，其中电压互感器在谐振影响下的表现十分明显，这是由于电压互感器作为铁芯元件，而铁芯在参与到回路当中所形成的饱和电路会表现为非线性的电感参数，从而造成其严重破坏。就目前的电力系统谐振问题影响特征来看，谐振问题一般可以依据电网结构分为并联谐振以及串联谐振两种谐振类型，前者表现在小接地单流系统内部，并联状态下的铁磁谐振会使得电容与电压互感器在一次中性接地点的非线性电感之上，构成谐振回路;而后者则是在大接地电流系统当中产生。
电磁式电压互感器会通过非线性电感与断路器断口的电容共同构成谐振回路。而在众多谐振回路当中，铁磁电压谐振出现最为频繁，同时影响力也最大。由于铁磁谐振会对电网的正常运行产生损害，因此完善电压互感器铁磁谐振解决方案的制定，具有十足的必要性。通常情况下，与感抗相比，若电网容抗的数值较大，轻易不会产生铁磁谐振现象。若受开关突然合闸或者弧光接地的影响，则会对电网稳定运行造成沖击，使得感抗降低，产生谐振。
3 铁磁谐振分类
电磁式电压互感器发生铁磁谐振一般可表现为两种形式：一种情况下由于系统发生断线、间歇性弧光接地故障时，因铁芯饱和导致的铁磁谐振及过电压;另一种情况下当变压器空载合闸对母线充电时，电磁式电压互感器的一次侧绕组同母线对地电容之间形成振荡谐振条件，从而导致过电压。不接地系统正常运行，线路对地电容与电磁式电压互感器一次绕组之间感抗形成并联回路，由于等效感抗一般均较大，电网对地阻抗主要表现为线路对地电容的容抗，此时三相较为平衡，谐振条件不成立。当出现空载合闸或者间歇性弧光接地故障时，由于互感器三相绕组之间不同饱和度，中性点会出现较大偏移电压，满足谐振条件时，将会引起谐振过电压。根据铁磁谐振发生频率不同，可分为基波谐振以及谐波谐振。
4 电磁式电压互感器接线方式
PT广泛应用于10kV系统，其具有非线性的电磁特性，在外部操作或系统故障时，互感器与系统内的容性元件极易发生铁磁谐振，产生极高的谐振过电压，进而导致高压熔断器熔断、互感器绝缘击穿损坏、绕组过热烧毁甚至爆炸，严重威胁电网的安全运行。为了有效防止PT发生铁磁谐振，10kV系统中广泛采用如图1所示的三相四线制接线方式。
图2中的三相PT由三台单相PT通过组合而成，一次侧绕组和二次侧的一组绕组按Y0y0接线，另一组二次绕组（又称剩余绕组）接成开口三角形，接线方式是Y0y0Δ（开口）。一般在PT一次绕组Y0接线中性点与地之间安装高容量非线性电阻消谐器，起阻尼与限流的作用，从抑制铁磁谐振的角度考虑，消谐器的阻值越大越好，此时一次侧绕组零序阻抗也人为增大。
5 电容式电压互感器的结构
电容式电压互感器（CVT，CapacitanceTypeVoltageTransformer）主要由分压电容器、补偿电抗器、中间变压器和阻尼器组成。（1）分压电容器。分压电容是变压器入口端的降压单元，可将高电压降低到较低的振幅电压，作为中间变压器的输入端，可显着降低中间变压器的绝缘要求。（2）补偿反应器。如果在电容式电压互感器中添加了分压电容器，导致主侧回路的阻抗发生变化，使变压器无法准确反映访问的电压值，则需要添加补偿电抗器。（3）中间变压器。中间变压器主要是电压变压器的关键组件，能够将输入电压变压器的高电压转换为二次测量测量或保护装置所需的低电压。（4）阻尼器。变压器内部有一个中间变压器，当内核饱和时会产生铁磁共振（铁磁共振是由变压器、电压变压器等铁磁电感饱和引起的持续高振幅共振过电压现象），励磁电流增加了几倍，铁心温度升高，变压器损坏。添加阻尼器可以在一定程度上减少铁磁共振对设备的不利影响。
6 电容式电压互感器的优缺点
相比于电磁式电压互感器，电容式电压互感器的一次侧为电容分压器，不易与线路的电容形成谐振。此外，CVT的绝缘强度更高、制作简单、体积小、重量轻，它的分压电容器还可作为信号回路的耦合电容器。而它的缺点是输出容量小，误差特性和暂态特性较差。
结束语
随着新型电力机车，尤其是在铁路上的普及，电气铁路的谐波问题受到学者们的极大关注。电气参数计量是保障铁路安全稳定运营的重要环节，也关系到国家的经济利益和社会发展。使用电容式电压互感器代替电磁式电压互感器能够大幅度减少铁路电力系统中的铁磁谐振，优化铁路电力系统，增强了其可靠性和安全性。
参考文献：
[1]蔡建峰，黄晓波，马志学，巫小彬，李冲.电容式电压互感器的谐波传递特性研究[J].自动化应用，2019（08）：66-67.
[2]李志新，陈文广，葛磊蛟，吴桥，陈飞，尧赣东.电子式电压互感器运行失效风险监测的信息熵方法[J/OL].电力系统及其自动化学报：1-6
[3]刘小沛.电容式电压互感器二次电压监测法的应用[J].集成电路应用，2019，36（09）：49-51.
[4]张辉，黄海飞，钱苏华，钱杰.一起220kV电容式电压互感器介损超标分析[J].电力安全技术，2019，21（08）：23-25.
[5]陈浩，王渊博.一起10千伏电压互感器烧损击穿事故的剖析[J].决策探索（中），2019（08）：65.
关键词：电压互感器;铁磁谐振;故障原因分析与处理
引言
随着工业的发展以及科学技术的进步，电网中各类非线性负荷呈现出爆发式的增长，同时电网中各种复杂的、精密的用电设备也越来越多，电网的谐波问题愈发受到重视。故近年来各省市供电公司开始大力推进电网的电能质量在线监测系统的建设，并开展一系列的电能质量普测工作，目前，10kV系统中的PT主要采用电磁式电压互感器，其接线方式易造成3次谐波测量结果的异常已引起工程技术人员的广泛关注。
1 铁磁谐振产生机理
以图1为例，分析铁磁谐振产生机理。Xm是电压互感器PT一次侧绕组L的感抗值，Xc0是系统对地电容C0的容抗值。在中性点不接地的系统中，出于保护的需要，电压互感器的中性点是直接接地的。正常运行情况下三相阻抗对称，系统中性点位移基本接近于零，电压互感器的励磁感抗很大，励磁电流很小。此时励磁感抗大于线路对地电容的容抗，即Xm>Xc0。当出现一个激发条件，电压互感器的三相铁芯出现不同程度的饱和，使得互感器励磁电感L变小，励磁阻抗发生变化，中性点发生位移。当参数配合恰当，就会产生铁磁谐振。其主要特点有：①铁磁谐振回路中需存在非线性铁芯电感;②铁磁谐振需要一定的激发条件;③谐振一旦形成，会产生“自保持”，会存在很长时间，除非谐振条件被破坏才会被消除。
2 电压互感器发生铁磁谐振的机理
谐振是交流电路当中独有的一种现象，通常情况下，交流电路当中出现了电感以及电容的串联现象，会出现感抗等于容抗，从而造成谐振。一般来说，电力系统当中，受到电容、电感等元件故障影响或者误操作时，就会产生以谐振为代表的震荡回路。谐振所具有的串谐特征，还会对某些系统元件产生不可逆的破坏性影响，其中电压互感器在谐振影响下的表现十分明显，这是由于电压互感器作为铁芯元件，而铁芯在参与到回路当中所形成的饱和电路会表现为非线性的电感参数，从而造成其严重破坏。就目前的电力系统谐振问题影响特征来看，谐振问题一般可以依据电网结构分为并联谐振以及串联谐振两种谐振类型，前者表现在小接地单流系统内部，并联状态下的铁磁谐振会使得电容与电压互感器在一次中性接地点的非线性电感之上，构成谐振回路;而后者则是在大接地电流系统当中产生。
电磁式电压互感器会通过非线性电感与断路器断口的电容共同构成谐振回路。而在众多谐振回路当中，铁磁电压谐振出现最为频繁，同时影响力也最大。由于铁磁谐振会对电网的正常运行产生损害，因此完善电压互感器铁磁谐振解决方案的制定，具有十足的必要性。通常情况下，与感抗相比，若电网容抗的数值较大，轻易不会产生铁磁谐振现象。若受开关突然合闸或者弧光接地的影响，则会对电网稳定运行造成沖击，使得感抗降低，产生谐振。
3 铁磁谐振分类
电磁式电压互感器发生铁磁谐振一般可表现为两种形式：一种情况下由于系统发生断线、间歇性弧光接地故障时，因铁芯饱和导致的铁磁谐振及过电压;另一种情况下当变压器空载合闸对母线充电时，电磁式电压互感器的一次侧绕组同母线对地电容之间形成振荡谐振条件，从而导致过电压。不接地系统正常运行，线路对地电容与电磁式电压互感器一次绕组之间感抗形成并联回路，由于等效感抗一般均较大，电网对地阻抗主要表现为线路对地电容的容抗，此时三相较为平衡，谐振条件不成立。当出现空载合闸或者间歇性弧光接地故障时，由于互感器三相绕组之间不同饱和度，中性点会出现较大偏移电压，满足谐振条件时，将会引起谐振过电压。根据铁磁谐振发生频率不同，可分为基波谐振以及谐波谐振。
4 电磁式电压互感器接线方式
PT广泛应用于10kV系统，其具有非线性的电磁特性，在外部操作或系统故障时，互感器与系统内的容性元件极易发生铁磁谐振，产生极高的谐振过电压，进而导致高压熔断器熔断、互感器绝缘击穿损坏、绕组过热烧毁甚至爆炸，严重威胁电网的安全运行。为了有效防止PT发生铁磁谐振，10kV系统中广泛采用如图1所示的三相四线制接线方式。
图2中的三相PT由三台单相PT通过组合而成，一次侧绕组和二次侧的一组绕组按Y0y0接线，另一组二次绕组（又称剩余绕组）接成开口三角形，接线方式是Y0y0Δ（开口）。一般在PT一次绕组Y0接线中性点与地之间安装高容量非线性电阻消谐器，起阻尼与限流的作用，从抑制铁磁谐振的角度考虑，消谐器的阻值越大越好，此时一次侧绕组零序阻抗也人为增大。
5 电容式电压互感器的结构
电容式电压互感器（CVT，CapacitanceTypeVoltageTransformer）主要由分压电容器、补偿电抗器、中间变压器和阻尼器组成。（1）分压电容器。分压电容是变压器入口端的降压单元，可将高电压降低到较低的振幅电压，作为中间变压器的输入端，可显着降低中间变压器的绝缘要求。（2）补偿反应器。如果在电容式电压互感器中添加了分压电容器，导致主侧回路的阻抗发生变化，使变压器无法准确反映访问的电压值，则需要添加补偿电抗器。（3）中间变压器。中间变压器主要是电压变压器的关键组件，能够将输入电压变压器的高电压转换为二次测量测量或保护装置所需的低电压。（4）阻尼器。变压器内部有一个中间变压器，当内核饱和时会产生铁磁共振（铁磁共振是由变压器、电压变压器等铁磁电感饱和引起的持续高振幅共振过电压现象），励磁电流增加了几倍，铁心温度升高，变压器损坏。添加阻尼器可以在一定程度上减少铁磁共振对设备的不利影响。
6 电容式电压互感器的优缺点
相比于电磁式电压互感器，电容式电压互感器的一次侧为电容分压器，不易与线路的电容形成谐振。此外，CVT的绝缘强度更高、制作简单、体积小、重量轻，它的分压电容器还可作为信号回路的耦合电容器。而它的缺点是输出容量小，误差特性和暂态特性较差。
结束语
随着新型电力机车，尤其是在铁路上的普及，电气铁路的谐波问题受到学者们的极大关注。电气参数计量是保障铁路安全稳定运营的重要环节，也关系到国家的经济利益和社会发展。使用电容式电压互感器代替电磁式电压互感器能够大幅度减少铁路电力系统中的铁磁谐振，优化铁路电力系统，增强了其可靠性和安全性。
参考文献：
[1]蔡建峰，黄晓波，马志学，巫小彬，李冲.电容式电压互感器的谐波传递特性研究[J].自动化应用，2019（08）：66-67.
[2]李志新，陈文广，葛磊蛟，吴桥，陈飞，尧赣东.电子式电压互感器运行失效风险监测的信息熵方法[J/OL].电力系统及其自动化学报：1-6
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[4]张辉，黄海飞，钱苏华，钱杰.一起220kV电容式电压互感器介损超标分析[J].电力安全技术，2019，21（08）：23-25.
[5]陈浩，王渊博.一起10千伏电压互感器烧损击穿事故的剖析[J].决策探索（中），2019（08）：65.