淺談電力系統(tǒng)諧振過電壓

摘 ?要：本文詳細(xì)分析電力系統(tǒng)線性諧振和參數(shù)諧振，以及諧振過電壓的危害，在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，為了限制和消除這類有危害的過電壓，提出可以采用的方法。電力系統(tǒng)運(yùn)行中，因?yàn)橛须姼?、電容的存在，加之不同情況下對設(shè)備的運(yùn)行方式和狀態(tài)的改變，導(dǎo)致諧振和過電壓，本文探討了實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的多種諧振過電壓以及危害較大、產(chǎn)生頻率較高的鐵磁諧振，并結(jié)合工作實(shí)例進(jìn)行分析，且提出了相應(yīng)的改善措施。我們研究諧振的目的就是要科學(xué)地利用諧振的特征，與此同時(shí)又要預(yù)防它在我們生活和工作中帶來的危害。

關(guān)鍵詞：過電壓;諧振;電容;電感;保護(hù)裝置

中圖分類號：TM864 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）14-0049-03

Talking about the Resonance Overvoltage of Power System

YANG Zhiqiang

（Sichuan Bahe Hydropower Development Co.，Ltd.，Bazhong ?636400，China）

Abstract：In this paper， the linear resonance and parametric resonance of power system and the harm of resonance overvoltage are analyzed in detail. In the operation of power system，in order to limit and eliminate such harmful overvoltage，a method can be proposed. In the operation of the power system，because of the existence of inductance，capacitance，and changes in the operation mode and state of the device under different conditions，resulting in resonance and overvoltage，this paper discusses the various resonant overvoltages and hazards generated in actual operation. Large，high-frequency ferromagnetic resonance is generated，and the corresponding improvement measures are proposed through the combination of working examples. The purpose of our study of resonance is to scientifically exploit the characteristics of resonance，while at the same time preventing the harm it brings in our lives and work.

Keywords：overvoltage;resonance;capacitance;inductance;protection device

0 ?引 ?言

很多電感元件（如變壓器）和電容元件（如輸電線路）都存在于電力電路中，振蕩回路就是由這些帶有電感和電容的元件組成的。在電路運(yùn)行或電路發(fā)生故障時(shí)，外界電路和有些振蕩回路就引起了諧振，諧振過電壓就會在系統(tǒng)的部分元件上產(chǎn)生。諧振過電壓持續(xù)的時(shí)間比操作過電壓長很多，它是一種穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，它可以持續(xù)十分之幾秒還能穩(wěn)定存在，在電路有新的操作且破壞諧振產(chǎn)生的條件下，才會終止，比較嚴(yán)重的后果就是其過電壓會危及設(shè)備的絕緣而燒壞設(shè)備。電力系統(tǒng)的電阻和電容都是線性參數(shù)，電感可能是線性的、非線性的，也可能是周期性變化的。電力系統(tǒng)中一般分為線性諧振、參數(shù)諧振、鐵磁諧振。

1 ?線性諧振和參數(shù)諧振

1.1 ?電路中的電感

電容和電阻值都是常數(shù)，如果忽略數(shù)值很小的電阻，則振蕩回路中的頻率ω=。當(dāng)ω和電源的角頻率相等或者接近時(shí)，回路中電流很大，使感抗和容抗上均出現(xiàn)過電壓，這就是線性諧振過電壓。

1.2 ?參數(shù)諧振過電壓

系統(tǒng)電容元件（如空載線路）和電感參數(shù)（如變壓器、互感器等）做周期性變化的電感元件（如凸極發(fā)電機(jī)的同步電抗在Xd～Xq間周期變化）組成回路，當(dāng)參數(shù)符合某個(gè)條件時(shí)，通過周期性變化的電感一直會持續(xù)性地向電能系統(tǒng)輸送能量，形成參數(shù)諧振過電壓。

2 ?鐵磁諧振

電路中帶有鐵心的電感元件如變壓器、互感器等，它們的電感并不是常數(shù)，其值隨著鐵心的飽和程度不同而改變，滿足一定條件時(shí)，回路中將發(fā)生諧振。

（1）鐵磁諧振過電壓，如圖1所示，表示出帶鐵心電感L和電容C與電源E的串聯(lián)回路。UL=ωLI，Uc=。

（2）由串聯(lián)諧振電路和公式可知，產(chǎn)生鐵磁諧振的必然條件是電容和電感在特性曲線的交點(diǎn)，也即ωl=，如果電路中電容C值很小，使 ?大到其伏安特性和L的特性不能相交點(diǎn)，則電路將不會發(fā)生諧振。

（3）在伏安特性相交的范圍內(nèi)，電容值越小，Uc直線越往上傾斜，二者交點(diǎn)對應(yīng)的電流值越小，產(chǎn)生的諧振概率越大。但由于這時(shí)交點(diǎn)向左移動(dòng)，通過分析其特性曲線可知，此時(shí)過電壓數(shù)值減小，反之C增大，二者交點(diǎn)各坐標(biāo)軸右移動(dòng)，產(chǎn)生諧振概率減小但過電壓數(shù)值增大。產(chǎn)生諧振的根本原因是鐵磁元件的非線性特征，其飽和效應(yīng)本身又限制了過電壓的幅值，經(jīng)驗(yàn)表明一般過電壓系數(shù)不超過3，這都是諧振發(fā)生在工頻在基波的情況，實(shí)際試驗(yàn)和分析表明，在鐵磁電感振放回路中，如果滿足一定條件，其他頻率的諧振現(xiàn)象也有可能出現(xiàn)并會保持連續(xù)性，如果其振蕩頻率等于工頻的整數(shù)倍，電力系統(tǒng)就會因此而產(chǎn)生高次諧波諧振。

3 ?發(fā)生諧振的典型情況

（1）電力系統(tǒng)中這種帶鐵心的電感主要是消弧線圈、變壓器、電磁式互感器。電容是相間電容以及電感線圈對地的雜散電容，系統(tǒng)發(fā)生經(jīng)典的鐵磁諧振是線路故障斷線或者不對稱開路，線路末端接有空載或者輕微的中性點(diǎn)不接地的變壓器，因?yàn)榛芈钒l(fā)生了變化，它與變壓器繞組的非線性勵(lì)磁形成了串聯(lián)諧振回路，發(fā)生這類過電壓經(jīng)常會引起避雷器爆炸，燒壞變壓器和絕緣子，或使變壓器負(fù)載側(cè)相序反轉(zhuǎn)，為防止這種事故的發(fā)生，應(yīng)不使用分相操作的斷路器和熔斷器，并應(yīng)該避免變壓器空載或輕載運(yùn)行（負(fù)荷在額定容量的20%以下運(yùn)行被認(rèn)為是輕載）。

（2）電力系統(tǒng)發(fā)生諧振的另一種典型情況是：中性點(diǎn)絕緣的系統(tǒng)中母線上接有電磁式電壓互感器，在進(jìn)行某些操作時(shí)（如人為讓接地故障消失，非同期合閘）都有可能使一相或幾相電壓瞬間升高，三項(xiàng)鐵心受到不同的勵(lì)磁而呈現(xiàn)不同程度的飽和，使中性點(diǎn)位移而產(chǎn)生諧振過電壓，這種過電壓如果是基波諧振，就可能出現(xiàn)兩相電壓對地升高，若是諧波諧振可能導(dǎo)致三相電壓同時(shí)對地升高。

基于筆者十多年在電力系統(tǒng)的運(yùn)行和實(shí)測經(jīng)驗(yàn)，基波和高次諧波諧振過電壓很少超過三倍工頻電壓有效值，一般均不會有任何危險(xiǎn)。對分次諧波諧振過電壓，由于阻抗的非線性特征，使激磁電流大大增加，可達(dá)到額定激磁電流的幾十甚至上百倍，雖然這種情況下過電壓系數(shù)并不超過2，但是太大的激磁電流會燒毀容絲，或者使互感器發(fā)熱，進(jìn)而出現(xiàn)燒壞或者爆炸。

4 ?諧振過電壓的危害

諧振過電壓在各級電網(wǎng)中都可能發(fā)生，實(shí)踐表明它會導(dǎo)致很多電力系統(tǒng)事故的發(fā)生。系統(tǒng)中部分元件，比如電力變壓器、互感器、發(fā)電機(jī)、消弧線圈為電感元件，補(bǔ)償用的并聯(lián)、串聯(lián)電容器組，高壓設(shè)備的寄生電容是電容元件。這些都是屬于電感性的和電容性的，而導(dǎo)線對地和導(dǎo)線間既存在縱向電感又存在橫向電容。這些元件組成復(fù)雜的L-C振蕩回路，在電力系統(tǒng)中，受某些操作或者動(dòng)力的影響，會形成特定的電路，電路中特定參數(shù)相互變化并配合，定會出現(xiàn)諧振（串聯(lián)或者并聯(lián)）現(xiàn)象，導(dǎo)致高壓設(shè)備電壓的異常升高。諧振通常情況下屬于穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，所以其持續(xù)時(shí)間比操作過電壓長得多且非常穩(wěn)定，直至發(fā)生新的操作而破壞原回路的諧振條件時(shí)才會終止。

因?yàn)橹C振過電壓的持續(xù)時(shí)間長，所以其危害也較大。因此在電力系統(tǒng)中，因諧振而產(chǎn)生持續(xù)的過電流而燒斷熔絲或設(shè)備的情況時(shí)有發(fā)生，諧振過電壓還會危及電氣設(shè)備的絕緣，諧振過電壓對保護(hù)裝置的工作條件也會帶來很多的改變并產(chǎn)生不利影響。筆者在工作中時(shí)常遇到普通避雷器在諧振過電壓下運(yùn)行，特別是雷雨季節(jié)，假如不能有效滅弧，避雷器就會遭到多次非常嚴(yán)重的破壞。

5 ?限制和消除有危害的過電壓

限制和消除有危害的過電壓可采用的方法如下：

（1）實(shí)際的電網(wǎng)運(yùn)行過程證明，不接地的中性點(diǎn)系統(tǒng)中，鐵磁諧振過電壓（由于電壓互感器鐵心飽和引起的）比較多，即使采取了很多的措施來限制諧振過電壓，如在TV高壓中性點(diǎn)增設(shè)電阻，電路中加消諧器等，也沒有從根本上或者從本質(zhì)上解決問題。TV燒毀、熔絲熔斷仍不斷發(fā)生。由于中性點(diǎn)不接地電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式的主要特點(diǎn)是當(dāng)單相接地后，規(guī)程是允許保持正常線路運(yùn)行一定的時(shí)間（一般可以為2h）的，而不至于導(dǎo)致影響用戶用電，但隨著出線線路增長、電力輸出線路數(shù)增多、中低壓電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大、中低壓電網(wǎng)對地電容之電流亦大幅度增加，單相接地時(shí)接地電弧不能自動(dòng)熄滅必然產(chǎn)生電弧過電壓，經(jīng)驗(yàn)表明一般為3～5倍U相電壓甚至?xí)?，致使電網(wǎng)中絕緣薄弱的地方被高電壓放電擊穿，以致發(fā)展為相間短路，進(jìn)而造成設(shè)備損壞和停電事故。在工作中通常采用自動(dòng)調(diào)諧接地補(bǔ)償裝置，來較好地規(guī)避此類問題。

（2）在電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)接入電阻，或者把阻尼電阻短時(shí)接在電壓互感器開口三角形繞組中。

（3）在條件許可的情況下，對10kV及以下電壓等級的線路上最好利用電纜代替架空線，或者在母線上裝設(shè)三相對地電容器，以此來增大線路的對地電容，就可以適當(dāng)?shù)乇苊庵C振。

（4）采取臨時(shí)倒閘措施，如投入消弧線圈，將變壓器中性點(diǎn)臨時(shí)接地以及投入事先裝好的線路或者設(shè)備等。

（5）把消弧線圈接在系統(tǒng)的中性點(diǎn)上，這樣就可以破壞系統(tǒng)產(chǎn)生諧振的條件，就可以有效地抑制諧振過電壓的產(chǎn)生。因?yàn)橄【€圈的感抗比較?。ò贇W級），反而TV的勵(lì)磁感抗比較大（千歐至兆歐級），這樣諧振條件無法滿足要求，諧振就不會發(fā)生。再則，若無消弧線圈，單相接地發(fā)生間歇性電弧時(shí)，電容上多次充放電造成TV燒毀、熔絲熔斷;加上消弧線圈后，互感器TV中電流就很小，電器就不會燒毀了。所以把消弧線圈接入中性點(diǎn)，能夠很好地抑制因?yàn)殡妷夯ジ衅麒F心飽和引起的諧振過電壓。

6 ?結(jié) ?論

電力系統(tǒng)中，諧振常常會發(fā)生在很多設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)中，電磁諧振是電路里的電感和電容等蓄能元件在特定的條件下產(chǎn)生的電磁共振。在諧振狀態(tài)下，電路的總阻抗達(dá)到極值或近似達(dá)到極值，在沒有特別需要和設(shè)備控制的情況下，這種諧振是有害的，會對電器設(shè)備造成很大的破壞，而諧振過電壓對電網(wǎng)造成的危害，諸如電網(wǎng)設(shè)備絕緣損毀，電壓互感器燒毀、保護(hù)裝置誤動(dòng)作，電壓互感器熔絲熔斷、甚至造成相間短路等等，所以很有必要加強(qiáng)對這類過電壓的防治。

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作者簡介：楊志強(qiáng)（1988.04-），男，漢族，四川平昌人，電氣助理工程師，本科，研究方向：電氣運(yùn)行和檢修。