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1、10KV铁路电力系统谐振过电压产生原因及抑制措施摘 要：铁路10KV电力系统是中性点不接地系统，中性点直接接地的三相五柱电磁式电压互感器线圈电感和电网对地电容与构成谐振条件，在运行中容易产生铁磁谐振，引起内部过电压。本文通过对10KV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，并针对各种抑制谐振过电压的措施进行探讨，得出可行性结论。关键词：铁路；电力；过电压；抑制措施1 概述铁路10KV电力系统均为中性点不接地系统（小电流接地），发生单相接地故障时，由于对线电压不产生影响，允许继续运行2个小时，提高了供电的可靠性和连续性，但是存在着易产生过电压的问题。在10K
2、V配电所的每一段母线上均接有一台三相五柱电磁式电压互感器，其一次线圈中性点直接接地。由于电网对地电容与压互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，甚至能长时间自保持，对系统的安全运行威协极大，它是导致压互高压熔丝熔断和压互烧损、避雷器爆炸的主要原因，也是某些重大事故的诱发原因之一。近五年以来，在我段管内共发生谐振过电压烧坏压互高压保险12次，烧毁10KV压互1台，压互瓷瓶内部引出线烧断1次。2 铁路10KV电力系统谐振过电压产生的条件2.1 内部条件铁路10KV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， 10 kV配电所每段母线上均
3、接有Y/Y/接线的三相五柱电磁式压互。母线电压互感器的高压侧接成Y型，其中性点是接地的，由于铁路10KV电力系统中电缆较多，各相对地电容较高，电网对地电容与压互的电感相匹配构成谐振条件。当发生谐振时，压互感抗显著下降，励磁电流急剧增大，可达到额定值的数十倍，造成压互烧毁或保险熔断。2.2 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）向带有三相五柱电磁式压互的空母线充电（不带馈线负荷的情况下空送母线）。（3）空载线路投切操作。（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。3 铁路10KV电力系统过电压种类及特点3.1 过电压种类
4、 铁路10KV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；过电压一旦发生，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10KV电力系统中过电压大多数都是由铁磁谐振所引起的。在实际运行中，故障形式和操作方式是多种多样的，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。3.1.1 基波谐振通常发生在配电所全所停电作业完成后，向带有电磁式三相五柱压互的空母线送电充电时。表现为三相电压一相降低，但不为零，另外两相电压升高超过线电压，我们也称作“虚幻接地”。往往引起压互高压熔丝熔
5、断、压互过热冒油甚至烧损。这种现象一般在馈线送电后就可消失。3.1.2 分频谐振分频谐振多由雷电感应引起，在线路较短，电磁式压互较多，正常时中性点不平衡电压较高的系统发生。发生分频谐振时三相电压表的指示轮流升高，且不稳定，升高后数值约为线电压值。容易造成压互温度升高，严重时甚至冒油。3.1.3 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。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（主要是三次谐波）。发生高次谐波谐振时压互温度升高，相应电压等级的设备绝缘较弱部位会出现放电现象。3.2 谐振过电压的特点 ACB微机控制器非
6、线性电阻接地变压器消弧线圈阻尼箱铁路10KV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小时的运行时间，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35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。对于电缆出线的供电回路，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
7、与中性点接地的压互绕组形成并联振荡回路，电压互感器三相铁芯会高度饱和，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，导致电压互感器铁芯饱和，其电感迅速减小，当电感降到满足L1/C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，压互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40KM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
8、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6KV提升到10KV，最终导致避雷器爆炸或电缆击穿。4 抑制过电压措施铁磁谐振过电压在铁路10KV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10KV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。4.1 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
9、题。4.1.1 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五大部分组成。图1 自动调谐接地补偿装置4.1.2 作用接地变是作为人工中性点接入消弧线圈，并能够当作所用变使用。消弧线圈电流通过有载开关调节并实现远方自动控制。采用予调节方式，即在正常运行方式情况下，根据电网参数的变化而随时调节消弧线圈的分接头到最佳位置。自动跟踪和自动调谐利用微机控制器实现。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
10、所的需要。 自动调谐接地补偿装置能够实现全补偿运行或很小的脱谐度，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，这是残流为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。4.2 可控硅多功能消谐装置可控硅多功能消谐装置，也是仰制铁磁谐振过电压，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。4.2.1 用途ACBRacbmnPT0.1KVX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
11、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。4.2.2 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。4.2.3 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Uo0，装置处于备用状态，因此装置功耗可忽略，使用寿命长久。消谐频率范围宽，对电网中常见的17HZ和25HZ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。4.3 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
12、振过电压本身是一个非线性过程，现象比较复杂。我们知道分频谐振有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，一些消谐措施不能有效的限制。在系统上有多台电磁式压互时，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，能够有效地抑制谐振过电压的发生。其原理也很简单，如图2所示。压互的励磁感抗比较大(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L=1/C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压互烧毁、熔丝熔断；有了消弧线圈后，电容对小
13、感抗放电，压互中电流就很小，不会烧毁了。所以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具有很好的限制作用。4.4 压互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，串接在压互一次侧中性点回路，它的接入相当于在压互一次侧每相对地都接入电阻，能够起到抑制压互过电压、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。图2 安装消谐器后压互回路示意图压互中性点接入消谐器后，可以限制系统在一相接地或弧光接地时流过压互另两相的高压绕组的过电流。如图2接线示意图中，当系统C相（或A、B相）发生单相接地时，C相对地电压：UCX=0，在此情况下，若没装消
14、谐器，则：UAX=UBX=UAC=UBC= U此时流过A、B两相高压绕组的电流为： 式（1）式中：XLE-压互的单相感抗即I为正常值的3倍。因此，即使系统不发生过电压，单相接地时也可能烧坏另两相的高压绕组。若系统因单相接地而引起过电压，则此电流会更大。当压互高压侧中性点上安装消谐器后，在C相单相接地时，流过A、B两高压绕组的电流为： 式（2）只要当6R2- RXLE0，即:时，式（2）中电流值就小于式(1)中的电流值，即通过A、B两相高压绕组的电压受到消谐器R的限制。而实际上消谐电阻的阻值与感抗之比（R/XLE）远大于0.28。因此消谐器的接入，削弱了单相接地时流过非故障相互感器高压绕组的电流
15、，可有效地防止压互过电压和过电流。4.5 压互开口三角绕组接电阻由于电阻接在开口三角绕组两端，必然会导致一次侧电流增大，也就是说压互的容量要相应增大。从抑制谐波方面考虑，R值越小，效果越显著，但压互的过载现象越严重，在谐振或单相接地时间过长时甚至会导致保险丝熔断或压互烧毁。一般来说接入10 kV 压互开口三角绕组的电阻取16.533。4.6 其他抑制谐振过电压的措施4.6.1 选用励磁特性好，不易饱和的电压互感器。4.6.2 在满足系统运行要求的情况下采用防谐振式压互4.6.3 在三相五柱式压互开口三角上接灯泡或接入晶闸管消谐装置，增加阻尼，破坏谐振条件。5 应用效果在实际运行中，压互开口三角
16、绕组接电阻、压互开口三角绕组接分频消谐装置等方法不能有效避免谐振的发生及保险熔断。在谐振发生或线路单相接地时压互一次侧电流显著增大及因本身元件故障而失去消谐作用是上述两种装置的主要缺陷。采用在压互中性点加装消谐器的方法，在线路单相接地时能够使压互各相绕组电压均能保持在正常相电压附近而不会饱和，从而很好地抑制铁磁谐振，降低压互一次侧电流，同时亦保持了接地指示装置对零序电压幅值和相位的灵敏度，其优点较为突出。我段在2000年对部分小负荷10KV配电所母线压互进行了改造，在其一次侧中性点上加装了消谐器，改造后效果明显，运行至今未出现过压互保险熔断与“虚幻接地”现象。随着负荷增加，出线回路增多，线路增
17、长，系统对地电容电流也大幅度增大。近年，部分10KV配电所安装了自动调谐式接地补偿装置，装置自投入后运行稳定，对电网的自动跟踪补偿、报警和信号动作准确，取得了满意的效果。在线路故障发生时，有效的避免了母线爬弧、避雷器爆炸、压互保险熔断等异常现象。从实际应用情况看，自动调谐式接地补偿装置很好地跟踪补偿了系统的接地电流，有效防止了系统内过电压的危害，提高了系统的连续供电能力和运行可靠性，为保证铁路供电畅通和安全生产起到了重要作用。参考文献：1 刘肖杰，张剑. 铁路中性点不接地电力系统铁磁谐振的产生原因及特点.电气开关,2004（06）2 索元宏，李学山，赵建平. 10kV中性点不接地系统铁磁谐振原因分析及消谐措施探讨.铁道机车车辆,2002（06）本文发表在电气化铁道2005第3期
10KV铁路电力系统谐振过电压产生原因及抑制措施
