教案9断线谐振和电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压

《电力系统过电压与保护》 （《Power System Over Voltage》）

课程编号 200320 总学时 32 总学分 2 先修课程 《电路理论》、《电力系统分析基础》 适合专业 电气工程及其自动化 所属院系部 电力系 所属教研室 高电压与电磁兼容

§第一讲 《集中参数回路和长线路中的暂态过程》 （请与本讲具体内容链接） §第二讲 《变压器和电机绕组内的暂态过程》 （同上） §第三讲 《过电压保护装置》 （同上） §第四讲 《工频过电压类型、原理及限制措施（1）》 （同上） §第五讲 《工频过电压类型、原理及限制措施（2）》 （同上） §第六讲 《谐振分类及特点》 （同上） §第七讲 《消弧线圈补偿电网中的线性谐振》 （同上） §第八讲 《超高压电网中的谐振过电压传递过电压》 （同上） §第九讲 《断线和电磁式电压互感器饱和引起的铁磁谐振过电压》 §第十讲 《操作过电压---间歇电弧接地过电压》 （同上） §第十一讲 《操作过电压---投、切空载线路过电压》 （同上） §第十二讲 《操作过电压---切空载变压器过电压和解列过电压》 （同上） §第十三讲 《电力系统的绝缘配合》 （同上） §第十四讲 《电力系统的绝缘配合---实例》 （同上） §第十五讲 《测控系统电子设备的过电压防护导论》 （同上） §第十六讲 《总结复习》 （同上）

教案执笔： 屠幼萍 教案审核： 制定日期：2005-9-10 § 第 9 讲 《断线和电磁式电压互感器饱和引起的铁磁谐振过电压》 一、教学目标 1. 掌握断线引起铁磁谐振过电压的机理，包括中性点绝缘系统和中性点直接接地系统中发生单相断线等情况； 2. 了解电力系统运行中为避免发生断线铁磁谐振而采取的措施； 3. 掌握电磁式电压互感器铁芯饱和引起工频位移过电压和谐波谐振过电压的机理； 4. 了解抑制由于电磁式电压互感器铁芯饱和引起的铁磁谐振过电压的措施。

二、教学重点 重点阐述断线引起铁磁谐振过电压的机理，重点阐述电磁式电压互感器铁芯饱和引起工频位移过电压和谐波谐振过电压的机理

三、教学难点 四、教学内容和要点 (一) 中性点绝缘系统中发生单相断线时产生谐振过电压

设有一中性点绝缘系统，线路末端接有空载变压器，A相导线折断，如上图所示。线路长度为l，导线折断处至电源短距离为)1~0(xxl，线路对地电容及相间电容分别为0C、

12C，A相电源侧导线对地电容及相间电容分别为00xCC，1212xCC，负载侧

00)1(CxC，1212)1(CxC。忽略电源内阻抗、线路感抗。

等值电源定理：任何一个复杂电路，对外都可以转化为由等值电势和等值内阻串联的简单等值电路。上图中，0C看作为负载，等值电势应为将0C拿开后用电压表在A点与地间侧得的电压值，应是A点和o间电压，考虑到电压源B、C的负荷是对称的，o点的电位应是BCU的中点，从向量图显见，AAoEU5.1，求等值阻抗时，将全部电压源短路、全部电流源开路后，从A点与地间测得的阻抗为等值电源的内阻抗。单相等值电路图如下图所示。 对上图进一步利用等值电源进行简化，mn电感支路左侧部分简化为等值电压源，等值电势即m、n两点间的开路电压，等值电容为m 、n两点间的入口电容。

120012012000022225.1CCCCCCCCCCEEA



AAEQxE5.12115.1

其中 01203CCC 为线路正序电容与零序电容的比值 12000

000222CCCCCCCC



001231KCxxC

TLL5.1 简单的等值串联谐振回路。如下图所示。

在简单单相等值电路中不发生基波谐振的必要条件：CL1 如果单相断线同时伴有负载侧导线接地，则A相对地电容0C被短接，如果单相断线同时伴有电源侧导线接地，则将0C短接，此时02C直接接在电势两端，故02C可不予考虑。随着断线（非全相运行）的具体情况不同，都有相应的等值单相接线图和等值简单串联谐振回路，其等值参数Q、K的计算式参看表。

(二) 中性点直接接地系统中发生单相断线时产生谐振过电压 设A相断线，将0C看作负载，去掉图中直接接于电源上的电容12C、0C、0C，A相电势与右侧电路部分没有关系，由此得单相等值电路。简化的谐振电路，等值电势E及电容C分别为 2115.1

AEE

211310xCC

因此，在中性点直接接地系统中也会因操作中性点不接地的变压器时断路器拒动或断线而引起铁磁谐振，造成事故。

消弧线圈补偿电网，谐振回路中起主要作用的还是负载变压器的励磁电感。因此，不论消弧线圈原来是欠补偿或是过补偿，断线的结果都有可能激发起铁磁谐振。

谐振的结果使得负载变压器三相对地电压呈现出不平衡：一相高两相低，两相高一相低，甚至三相电压同时升高。

谐振过电压的出现会导致系统中性点位移，负载变压器的相序反倾，绕阻电流急剧增大，绕阻两端即导线对地的过电压。参看武水—方瑜—P.119~120。

画出谐振后的电压相量示意图。如上图所示，A点接地，等值电动势等于1.5EA，“S”点位于向量B、C连线的中点.。假定UL＝2EA，由于UL与1.5EA处于反相，故a点应位于

S点的下方2EA处。又因ALaEUU34320，由此确定中性点“0”位置；连接0b和0c，

即得负载变压器其它两相的绕组电压。aA两点间的电位差就是断线相导线的对地电压

AcEU5.30，由此可知，不仅断线相出现了严重过电压，负载变压器的电压相序0a、0b

和0c与原来的完全相反(反倾)，这使接在负载变压器上(或其低压侧)的小容量的电动机发生反转。

(三) 不发生断线铁磁谐振的条件 为避免发生基频谐振，可使IfUC和IfUL两曲线无交点，即等值回路中的容抗CX应大于初始励磁电抗0LX，也就是等值电容C应当足够小，线路很短。在所列几种断线故障中，第三种情况即中性点绝缘系统单相断线且负载侧导线接地时，等值电容较大，尤以在x=1即断线发生在负载端时电容C最大，意味着这种故障情况下满足谐振条件所对应的线路长度最短。

00312543CxxCC

005.113TLC

mXC5.410

其中0TmLX为变压器为饱和时的励磁电抗，可根据变压器的额定线电压eU（单位Kv）、额定容量nP（单位MVA），空载电流对额定电流的百分数0I（%），不难计算出励磁阻抗

nemPIUX02 ，单位

设每公里长导线对地电容为dC，以Pf计，有 21205.410UCPIldb



，单位km

满足式（1）的条件可避免基频及分频谐振，但仍可能产生高频谐振。 (四) 限制断线铁磁谐振过电压措施 1. 保证断路器的三相同期动作，避免发生拒动，不采用熔断器。 2. 加强线路的巡视和检修，避免发生断线。 3. 如断路器操作后发生异常现象，应即复原和进行检查。 4. 在中性点直接接地的电网中，操作空载变压器时应将其中性点临时接地；必要时，可在中性点上接以棒间隙。

(五) 电磁式电压互感器铁芯饱和引起的工频位移过电压 显然，中性点位移过电压值决定于零序回路的参数。接在相间的元件不起作用，线电压是由电源所固定不变，所以这些参数在电路图中略去。如下图 中性点绝缘系统带有Y0联接的电压互感器的三相电路 等值电路 电压互感器各相激磁电感为 LA、LB、LC ，各相导线及母线等的对地电容为C0 ，并联后的导纳分别为YA、YB、YC ，中性点电位偏移

CBACCBBAAOYYYYEYEYEE







系统正常运行，三相参数对称，铁芯不饱和时有，XL  XC0，三相导纳呈容性，且有00E，无过电压

系统受到扰动，电压互感器绕组受激磁涌流的激发而饱和，且由于三相绕组饱和的程度不同，致使三相导纳的数值、性质的不同，即CBAYYY，则必然导致中性点位移00E，位移电压可能是工频，也可能是谐波频率。

（a） （b） （c） 1）三相虽有不同程度的饱和，但各相仍为容性导纳。CA、CB、CC表示并联支路的等值电容，中性点电位偏移 CBACCBBAACCCCECECEE







0

矢量分析，电流平衡条件0CBAIII，只要三相导纳性质相同，中性点O在电压三角形之内，如图（a），这种情况下会出现一相或两相电压升高的现象，但电压升高不会超过线电压。

2）一相因严重饱和而导纳呈感性，其余两相仍为容性。A相饱和等值电感为L，B、C两相等值电容为CCCCB，中性点电位偏移

LCLCEEA/12/10

21/12/1LCLC

OE与AE同相，且2/0AEE，中性点O偏移至电压三角形之外，如图（b）。于是造

成一相（饱和相）电压升高的现象。 3）两相因严重饱和而导纳呈感性，一相仍为容性，若A相互感器不饱和，其等值电容为C，B、C两相等值电感为L，中性点电位偏移

LCLCEEAO/2/1

式中 1/21/11/2/122LCLCLC

LC



可知，OE与AE反相，且AOEE，作电源测电压三角形，原来中性点O与地（O）是重合的，现因出现OE，O移至三角形之外，如图（c）所示。B、C饱和相对地电压升高，不饱和相A相的对地电压降低，电网出现虚幻接地现象。显然，位移电压愈高，相对地过电压愈高。

4）三相均因严重饱和而呈感性。情况与三相呈电容性相似，中性点O不会偏移至电压三角形之外。三项电压将不会同时升高，至少有一相电压是降低的，该相电感就无法达到是导纳呈现感性的饱和程度，实际上不可能出现三相同时饱和的情况

扰动使互感器铁芯饱和是随机的，所以出现虚幻接地时，哪一相是零电位（低电压）也是随机。