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[摘 要]探讨矿井35kV及以下供电系统中电压互感器谐振发生的原因，介绍国内外常见技术措施，并提出发生谐振防止措施。
[关键词]电压互感器 电磁谐振 消谐措施
中图分类号：TN65 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-025-01
煤炭系统中大中型矿井变电所电压互感器主要使用常规电磁式电压互感器，对于煤矿35kV及以下供电系统，均为中性点不接地系统，当加在电压互感器上的电压较大或流过一次绕组的电流较大时，其伏安特性会表现出非线性，变化范围大。当系统受到冲击，铁芯可能出现饱和，并与线路对地电容匹配时，就会发生铁磁谐振。铁磁谐振的发生会导致矿井的停电事故，严重的影响了矿井的安全运行，因此对矿井供电系统铁磁谐振的研究，具有重要的意义。
1. 矿井供电系统电压互感器谐振原因分析
矿井35kV供电系统由于接地保护需要，多采用Y0/Y0/开口三角形接法，电压互感器的中性点是直接接地的，因此电压互感器与电网对地电容并联而形成谐振回路，由此引起的铁磁谐振现象在矿井供电系统中颇为多见。
正常运行时，电压互感器的感抗XL远大于电网对地电容的容抗XC，即XL与XC不会形成谐振。但矿井中在发生单相接地故障消失过程、线路开关操作、雷电冲击等，XL与XC会产生不利组合，将产生谐振。有人（HA.Peterson）对此曾做了专门的模拟试验，得到了谐振范围，当XC / XL<0.01时，谐振不会发生，当0.01≤XC / XL≤0.1时，会发生分频谐振；当0.1≤XC / XL≤1时会发生工频谐振，XC / XL≥1时进入高频谐振区。
通过对铁磁谐振的原理分析，下面再对谐振的特征加以说明，为电压互感器的谐振找出可行的措施。铁磁谐振主要分为以下三种：1）工频谐振（基波谐振），主要表现为一相电压降低，两相电压升高。2）高频谐振（三次谐振），在中性点非接地系统中，平顶波可分解成基波、三次谐波，当然还有更高的谐波，如五次谐波和其它高次谐波，可以略去不计。高频谐振的表现是三相电压同时升高，即在工频电压下迭加三次谐波电压，其危害是高频谐振会产生过高的过电压，往往引起设备的绝缘击穿。3）分频谐振，其中大多数为 次谐波谐振。其频率并非严格等于电源频率的一半，而是稍小一些，一般在24～25HZ范围内。由于其起振电压较低，在一定电网条件下最容易发生的，而且破坏力很强，也是电压互感器出现烧坏事故的主要原因。
2. 35kV及以下供电系统消谐措施
目前常用的消谐措施是：通过改善电压互感器高压绕组的零序阻抗特性以破坏谐振产生的条件，或通过向零序网络施加阻尼以抑制和消除谐振。向零序网络施加阻尼的途径有两个：一个是将低阻值的阻尼电阻接在开口三角绕组回路中，然后反射到高压侧，施加到系统的零序电网中；另一个则是在电压互感器高压绕组中性点与地之间接入高阻值阻尼电阻或电感等。
阻尼消谐主要分为一、二次消谐。其中一次消谐是在电压互感器高压侧中点经电阻接地，电阻可以是线性或非线性的。对于非线性电阻，工作时可保持中点对地电位不超过互感器N端对地的绝缘水平。但一次消谐器也存在弱点，即电阻热容量如果不够，会引起电阻损坏，而失去消谐作用。
二次消谐措施是在二次回路加电阻的方法。将阻尼电阻接在开口三角绕组两端，通过开口三角绕组零序阻抗变换器将此阻尼电阻反射到高压零序网中，对铁磁谐振施加阻尼。由于阻尼电阻值接入零序网络的控制方式的不同，阻值相差悬殊。根据阻尼电阻的大小及其接入电网的方式不同，又可分为多种模式，这里不再叙述。
3. 破坏谐振条件
电压互感器高压绕组中点经零序电压互感器接地，即所谓“4TV”接法，属于破坏谐振条件类措施，这种互感器也叫抗谐振电压互感器。是由三个单相全绝缘电压互感器和一个半绝缘（或全绝缘）单相零序电压互感器构成。抗谐振电压互感器它在我国的35kV及以下电网中已积累了二十年的运行经验。然而，我国一些厂家生产的此类产品在运行中却接二连三地出现烧损。据此，人们又提出“4PT”的优化方案，即抗谐振阻振荡电压互感器。
抗谐振阻振荡电压互感器由主电压互感器与零序电压互感器构成，其中主电压互感器由三台单相电压互感器组成并接成星形，其高压绕组中性点经零序电压互感器接地。
抗谐振阻振荡电压互感器适用于35kV以下中性点非有效接地系统中作电能、电压测量和继电保护及绝缘监测用。在绝缘系统中，它具有抗铁磁谐振过电压与抑制超低频振荡过电流的独特功能，能有效地防止电压互感器高压绕组烧损和高压熔断器熔断；在共振接地系统中，它具有抗各种内部过电压的功能。
4. 总结
经过以上消谐措施比较，可知二次消谐器对谐振发生后起阻尼作用，能减少或消除谐振对互感器的破坏，但它对超低频放电电流的抑制不起作用。一次消谐器的应用，能有效地消谐，同时也很好抑制超低频放电电流，但其麻烦是正常运行时三相电压不平衡和零序电压超标，以及中性点对地电压可能超过互感器的绝缘水平，甚至消谐器的热容量可能不够也导致消谐器自己被烧坏。因此，必须采取一些补救措施才能得以安全运行。
开口三角短接的4PT接线对消谐和抑制超低频振荡电流都是有效的，但有时开口角内的环流会导致互感器有烧坏的隐患，因此而不完善，开口三角打开的4PT接线及零序电压互感器的特殊设计，消除了开口三角短接的4PT接线的缺陷。因此，抗谐振阻振荡电压互感器对系统的可靠运行是较优的消谐方案。
对于新建智能变电所，在经济技术比较后，也可采用电子式电压互感器，从根本上消除产生谐振的条件。
电压互感器是保证煤矿供电系统安全、可靠运行的重要环节，分析电压互感器諧振具有很重要的现实意义。目前的研究来看，在中性点不接地系统中，电磁式电压互感器与母线或线路对地电容形成的回路，在一定激发条件下可能发生铁磁谐振而产生过电压及过电流，使电压互感器损坏，因此必须采取消谐措施。对于矿井供电系统，可以考虑一次侧采用抗谐振阻振荡电压互感器，增加对地电容破坏谐振条件，同时在二次侧增加微机消谐装置，做到二者配合使用，进行优势互补。对新建智能变电所在技术经济比较后可全部或部分采用电子式电压互感器。
参考文献：
[1] 赖庆波，《电力工程师手册 电气卷》 中国电力出版社 2002
[2] 王亮，施围，沙玉洲，惠兆鹏，贾建华，管清波，安作平.采用4TV法的配电网中铁磁谐振的研究，高电压技术，2005，31（10）：15-17
[关键词]电压互感器 电磁谐振 消谐措施
中图分类号：TN65 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-025-01
煤炭系统中大中型矿井变电所电压互感器主要使用常规电磁式电压互感器，对于煤矿35kV及以下供电系统，均为中性点不接地系统，当加在电压互感器上的电压较大或流过一次绕组的电流较大时，其伏安特性会表现出非线性，变化范围大。当系统受到冲击，铁芯可能出现饱和，并与线路对地电容匹配时，就会发生铁磁谐振。铁磁谐振的发生会导致矿井的停电事故，严重的影响了矿井的安全运行，因此对矿井供电系统铁磁谐振的研究，具有重要的意义。
1. 矿井供电系统电压互感器谐振原因分析
矿井35kV供电系统由于接地保护需要，多采用Y0/Y0/开口三角形接法，电压互感器的中性点是直接接地的，因此电压互感器与电网对地电容并联而形成谐振回路，由此引起的铁磁谐振现象在矿井供电系统中颇为多见。
正常运行时，电压互感器的感抗XL远大于电网对地电容的容抗XC，即XL与XC不会形成谐振。但矿井中在发生单相接地故障消失过程、线路开关操作、雷电冲击等，XL与XC会产生不利组合，将产生谐振。有人（HA.Peterson）对此曾做了专门的模拟试验，得到了谐振范围，当XC / XL<0.01时，谐振不会发生，当0.01≤XC / XL≤0.1时，会发生分频谐振；当0.1≤XC / XL≤1时会发生工频谐振，XC / XL≥1时进入高频谐振区。
通过对铁磁谐振的原理分析，下面再对谐振的特征加以说明，为电压互感器的谐振找出可行的措施。铁磁谐振主要分为以下三种：1）工频谐振（基波谐振），主要表现为一相电压降低，两相电压升高。2）高频谐振（三次谐振），在中性点非接地系统中，平顶波可分解成基波、三次谐波，当然还有更高的谐波，如五次谐波和其它高次谐波，可以略去不计。高频谐振的表现是三相电压同时升高，即在工频电压下迭加三次谐波电压，其危害是高频谐振会产生过高的过电压，往往引起设备的绝缘击穿。3）分频谐振，其中大多数为 次谐波谐振。其频率并非严格等于电源频率的一半，而是稍小一些，一般在24～25HZ范围内。由于其起振电压较低，在一定电网条件下最容易发生的，而且破坏力很强，也是电压互感器出现烧坏事故的主要原因。
2. 35kV及以下供电系统消谐措施
目前常用的消谐措施是：通过改善电压互感器高压绕组的零序阻抗特性以破坏谐振产生的条件，或通过向零序网络施加阻尼以抑制和消除谐振。向零序网络施加阻尼的途径有两个：一个是将低阻值的阻尼电阻接在开口三角绕组回路中，然后反射到高压侧，施加到系统的零序电网中；另一个则是在电压互感器高压绕组中性点与地之间接入高阻值阻尼电阻或电感等。
阻尼消谐主要分为一、二次消谐。其中一次消谐是在电压互感器高压侧中点经电阻接地，电阻可以是线性或非线性的。对于非线性电阻，工作时可保持中点对地电位不超过互感器N端对地的绝缘水平。但一次消谐器也存在弱点，即电阻热容量如果不够，会引起电阻损坏，而失去消谐作用。
二次消谐措施是在二次回路加电阻的方法。将阻尼电阻接在开口三角绕组两端，通过开口三角绕组零序阻抗变换器将此阻尼电阻反射到高压零序网中，对铁磁谐振施加阻尼。由于阻尼电阻值接入零序网络的控制方式的不同，阻值相差悬殊。根据阻尼电阻的大小及其接入电网的方式不同，又可分为多种模式，这里不再叙述。
3. 破坏谐振条件
电压互感器高压绕组中点经零序电压互感器接地，即所谓“4TV”接法，属于破坏谐振条件类措施，这种互感器也叫抗谐振电压互感器。是由三个单相全绝缘电压互感器和一个半绝缘（或全绝缘）单相零序电压互感器构成。抗谐振电压互感器它在我国的35kV及以下电网中已积累了二十年的运行经验。然而，我国一些厂家生产的此类产品在运行中却接二连三地出现烧损。据此，人们又提出“4PT”的优化方案，即抗谐振阻振荡电压互感器。
抗谐振阻振荡电压互感器由主电压互感器与零序电压互感器构成，其中主电压互感器由三台单相电压互感器组成并接成星形，其高压绕组中性点经零序电压互感器接地。
抗谐振阻振荡电压互感器适用于35kV以下中性点非有效接地系统中作电能、电压测量和继电保护及绝缘监测用。在绝缘系统中，它具有抗铁磁谐振过电压与抑制超低频振荡过电流的独特功能，能有效地防止电压互感器高压绕组烧损和高压熔断器熔断；在共振接地系统中，它具有抗各种内部过电压的功能。
4. 总结
经过以上消谐措施比较，可知二次消谐器对谐振发生后起阻尼作用，能减少或消除谐振对互感器的破坏，但它对超低频放电电流的抑制不起作用。一次消谐器的应用，能有效地消谐，同时也很好抑制超低频放电电流，但其麻烦是正常运行时三相电压不平衡和零序电压超标，以及中性点对地电压可能超过互感器的绝缘水平，甚至消谐器的热容量可能不够也导致消谐器自己被烧坏。因此，必须采取一些补救措施才能得以安全运行。
开口三角短接的4PT接线对消谐和抑制超低频振荡电流都是有效的，但有时开口角内的环流会导致互感器有烧坏的隐患，因此而不完善，开口三角打开的4PT接线及零序电压互感器的特殊设计，消除了开口三角短接的4PT接线的缺陷。因此，抗谐振阻振荡电压互感器对系统的可靠运行是较优的消谐方案。
对于新建智能变电所，在经济技术比较后，也可采用电子式电压互感器，从根本上消除产生谐振的条件。
电压互感器是保证煤矿供电系统安全、可靠运行的重要环节，分析电压互感器諧振具有很重要的现实意义。目前的研究来看，在中性点不接地系统中，电磁式电压互感器与母线或线路对地电容形成的回路，在一定激发条件下可能发生铁磁谐振而产生过电压及过电流，使电压互感器损坏，因此必须采取消谐措施。对于矿井供电系统，可以考虑一次侧采用抗谐振阻振荡电压互感器，增加对地电容破坏谐振条件，同时在二次侧增加微机消谐装置，做到二者配合使用，进行优势互补。对新建智能变电所在技术经济比较后可全部或部分采用电子式电压互感器。
参考文献：
[1] 赖庆波，《电力工程师手册 电气卷》 中国电力出版社 2002
[2] 王亮，施围，沙玉洲，惠兆鹏，贾建华，管清波，安作平.采用4TV法的配电网中铁磁谐振的研究，高电压技术，2005，31（10）：15-17