電力系統(tǒng)鐵磁諧振的產(chǎn)生及消除措施

張 凱 王建恩 韋宏偉

（北方聯(lián)合電力蒙西發(fā)電廠，內(nèi)蒙古 烏海016014）

鐵磁諧振是由鐵芯電感元件，如發(fā)電機(jī)、變壓器、電壓互感器、電抗器、消弧線圈等和系統(tǒng)的電容元件，如輸電線路、電容補(bǔ)償器等形成共諧條件，激發(fā)持續(xù)的鐵磁諧振，使系統(tǒng)產(chǎn)生諧振過(guò)電壓[1]。過(guò)電壓造成勵(lì)磁電流劇增，有時(shí)可達(dá)額定電流的幾十倍，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，就會(huì)造成熔斷器的熔斷，設(shè)備的燒損或爆炸，乃至大面積停電事故[2]。

1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中鐵磁諧振的產(chǎn)生原理

如圖1所示，電源變壓器中性點(diǎn)不接地，為了監(jiān)視絕緣，電壓互感器的一次繞組中性點(diǎn)直接接地，其勵(lì)磁電感分別為L(zhǎng)U、LV、LW，與其并聯(lián)的電容C0代表該相導(dǎo)線和母線的對(duì)地電容。C0與勵(lì)磁電感并聯(lián)后的導(dǎo)納為YU、YV、YW。

在正常運(yùn)行條件下，勵(lì)磁電感LU=LV=LW，故YU=YV=YW，三相對(duì)地負(fù)載是平衡的，中性點(diǎn)電位為零。

當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生沖擊擾動(dòng)，例如電源合閘至空母線使互感器一相或兩相出現(xiàn)涌流現(xiàn)象，或線路瞬間單相弧光接地（或熄?。┖螅∪啵ɑ蚬收舷啵╇妷和蝗簧咭矔?huì)出現(xiàn)很大涌流，造成該相互感器磁路飽和，勵(lì)磁電感L相應(yīng)減小，這樣三相對(duì)地負(fù)荷就變得不平衡，中性點(diǎn)出現(xiàn)位移電壓，其值為

在正常運(yùn)行情況下，由于電壓互感器勵(lì)磁阻抗很大，各相導(dǎo)納呈現(xiàn)容性，而擾動(dòng)結(jié)果使V相和W相電感即LV和LW減小，電感電流增大，可能使V相和W相導(dǎo)納變成感性，構(gòu)成如圖1(b)所示的等值電路圖，感性導(dǎo)納 和容性導(dǎo)納 相互抵消，使總導(dǎo)納YU+YV+YW顯著減小，位移電壓E0大為增加，如果參數(shù)配合適當(dāng)，總導(dǎo)納接近于零，就產(chǎn)生了串聯(lián)諧振現(xiàn)象，中性點(diǎn)位移電壓將急劇上升[3]。引起電磁式電壓互感器勵(lì)磁電流急劇上升等，即鐵磁諧振現(xiàn)象。

2 常見(jiàn)的鐵磁諧振過(guò)電壓現(xiàn)象

2.1 運(yùn)行開(kāi)關(guān)操作引起的鐵磁諧振

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中運(yùn)行的接地電壓互感器，其每相繞組和線路每相電容并聯(lián)，形成并聯(lián)諧振回路，在暫態(tài)激發(fā)的條件下，如開(kāi)、合閘，倒閘操作引發(fā)電流、電壓的沖擊擾動(dòng)，就有可能發(fā)生鐵磁諧振。當(dāng)PT發(fā)生諧振以后，鐵芯里產(chǎn)生零序磁通，這個(gè)磁通在開(kāi)口三角線圈里感應(yīng)出零序電壓，現(xiàn)行的PT鐵芯截面積小，一般運(yùn)行在勵(lì)磁曲線的飽和點(diǎn)以下，一般在線電壓下就飽和了，導(dǎo)致PT的感抗XL嚴(yán)重下降，這樣就和線路或母線對(duì)地電容XC組成了諧振回路。

2.2 不對(duì)稱(chēng)接地故障引起的鐵磁諧振

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，電網(wǎng)電壓、相位維持不變，故障相電壓下降為近似零值，非故障相上升為額定電壓近似值的1.732倍，當(dāng)系統(tǒng)接地故障消除后，非接地相在過(guò)電壓期間，由于線路電容的作用，已對(duì)線路充入電荷，這部分電荷在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，只能對(duì)電壓互感器的高壓繞組電感線圈放電，而流入大地，在這個(gè)電壓瞬變過(guò)渡過(guò)程中，非接地相電壓互感器一次繞組勵(lì)磁電流突然出現(xiàn)數(shù)倍于額定電流的峰值電流，可將一次電壓互感器保險(xiǎn)熔斷甚至燒毀PT。另外除三相電壓互感器外，其余的主變、配變中性點(diǎn)均不接地，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生一個(gè)周波重燃多次的弧光斷續(xù)接地時(shí)，電壓互感器成為系統(tǒng)對(duì)地放電的通道。其放電電流可達(dá)2A左右，是一般電壓互感器一次額定電流200倍左右，這樣重燃多次斷續(xù)放電，可能造成電壓互感器因劇烈發(fā)熱而燒毀。

2.3 串聯(lián)諧振

串聯(lián)諧振的現(xiàn)象：線電壓升高、表計(jì)擺動(dòng)，電壓互感器開(kāi)口三角形電壓超過(guò)100V。輸電線路中的導(dǎo)線斷落、斷路器非全相運(yùn)行以及熔斷器的一相或兩相熔斷也可能使系統(tǒng)中的電感、電容元件形成串聯(lián)諧振回路，其中電感一般是指空載或輕負(fù)載變壓器的勵(lì)磁電感等，電容一般是指導(dǎo)線的對(duì)地和相間電容，或電感線圈的對(duì)地雜散電容等。因此，在中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，斷線諧振出現(xiàn)的頻率非常高，并且會(huì)造成各種嚴(yán)重后果。而且由于鐵芯的磁飽和引起電流、電壓波形的畸變，即產(chǎn)生了諧波，使諧振回路還會(huì)對(duì)諧波產(chǎn)生諧振。

3 消除鐵磁諧振的措施

為了限制和消除這種零序性質(zhì)的諧振過(guò)電壓，采用下列措施將取得顯著效果。但根據(jù)某高校仿真研究結(jié)果，任何措施都有一定局限性，不是絕對(duì)可靠的，采用時(shí)應(yīng)予以注意。

3.1 在剩余電壓繞組開(kāi)口三角端子并接一個(gè)電阻R或加裝專(zhuān)用消諧器。

在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，開(kāi)口三角繞組端口基本無(wú)電壓，如果在端口上接入電阻R,R不消耗能量，當(dāng)系統(tǒng)因單相接地故障而發(fā)生中性點(diǎn)偏移時(shí)，開(kāi)口三角繞組端口出現(xiàn)電壓，R消耗能量，而且R值越小，消耗能量越多，限制諧振的作用越明顯。如果R=0，即開(kāi)口三角繞組被短接，相當(dāng)于電壓互感器T型等值電路的二次側(cè)短路。

3.2 將互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)高阻抗（零序互感器或可變電阻）接地。

在三相電壓互感器高壓側(cè)中性點(diǎn)串入1臺(tái)單相電壓互感器的高壓線圈，而其低壓線圈則串入三相電壓互感器低壓側(cè)的中性點(diǎn)接地回路中。正常運(yùn)行時(shí),三相電壓互感器的中性點(diǎn)電位接近0,單相電壓互感器中沒(méi)有電流流過(guò)。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)一相接地時(shí)，兩正常相的對(duì)地電壓升高1.732倍。但由于三相電壓互感器的中性點(diǎn)對(duì)地之間串聯(lián)了1臺(tái)單相電壓互感器的高壓線圈，這樣就相當(dāng)于增加了每一相的勵(lì)磁電感，因此鐵芯中磁通不會(huì)升高到嚴(yán)重飽和的狀態(tài)[]。能夠使電壓互感器各相電壓保持在正常相電壓附近而不飽和，提高了電壓互感器零序勵(lì)磁特性，降低電壓互感器的一次電流，同時(shí)，也保持了接地指示裝置對(duì)零序電壓幅值和相位的靈敏度，是一種比較優(yōu)越的消諧方法。但是單相電壓互感器型號(hào)的選取要依據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇，如有觀點(diǎn)認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)選取與三相電壓互感器變比相等的單相電壓互感器。

3.3 將電源變壓器中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)消弧線圈接地。

在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的情況下，其電感值遠(yuǎn)比互感器的勵(lì)磁電感小，回路的零序自振頻率決定于電感和電容，互感器所引起的諧振現(xiàn)象也就成為不可能。35 KV系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)，可采取此法。需要指出的是，加裝消弧線圈以后，系統(tǒng)中若發(fā)生斷線故障或出現(xiàn)縱向不對(duì)稱(chēng)電壓時(shí)，消弧線圈可能與系統(tǒng)電容和電壓互感器勵(lì)磁電感之間呈現(xiàn)串聯(lián)諧振狀態(tài)，同樣可能引起鐵磁諧振問(wèn)題。因此加裝消弧線圈抑制鐵磁諧振的問(wèn)題需要針對(duì)配電網(wǎng)特點(diǎn)考慮這種可能性。

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析，中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)中產(chǎn)生的鐵磁諧振過(guò)電壓會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重的后果，因此采用將電壓互感器開(kāi)口三角短接或電壓互感器中性點(diǎn)經(jīng)高阻抗接地等措施可大大減少鐵磁諧振的發(fā)生，至于采用何種消諧方法，應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)的實(shí)際情況，結(jié)合系統(tǒng)的運(yùn)行方式，在充分借鑒和積累的基礎(chǔ)上，分別采取措施，以達(dá)到預(yù)期的目的。

[1]劉暉.淺析電力系統(tǒng)鐵磁諧振過(guò)電壓[J].江西電力，2006.

[2]李順福.電壓互感器鐵芯飽和諧振過(guò)電壓的分析及預(yù)防措施[J].青海電力，2003.

[3]凌子恕.高壓互感器技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005.

[4]郭景武，張榮新.消諧裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].天津電力技術(shù)，2005年增刊.

[5]黃建碩.鐵磁分頻諧振過(guò)電壓的產(chǎn)生、危害及措施[J].電工技術(shù)應(yīng)用，2007.