淺析鐵磁諧振現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和消除措施

摘要：高壓系統(tǒng)諧振過電壓是電力系統(tǒng)常見的故障現(xiàn)象之一，其實(shí)質(zhì)是電磁式電壓互感器勵磁特性飽和，在特定的運(yùn)行條件下激發(fā)鐵磁諧振，從而電力設(shè)備和系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來危害。文章從故障實(shí)例入手，分析了鐵磁諧振產(chǎn)生的機(jī)理、類型以及鐵磁諧振的特性，并提出多種消除諧振的措施。

關(guān)鍵詞：鐵磁諧振；過電壓；產(chǎn)生條件；影響因素；消除措施

中圖分類號：TM712文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8937（2011）20-0111-03

高壓系統(tǒng)諧振過電壓是電力系統(tǒng)常見的故障現(xiàn)象之一，其實(shí)質(zhì)是電磁式電壓互感器（以下簡稱TV）勵磁特性飽和，在特定的運(yùn)行條件下激發(fā)鐵磁諧振。由于諧振時(shí)會產(chǎn)生很高的過電壓，危及電力設(shè)備和系統(tǒng)安全運(yùn)行，因此必須采取有效的消除和防護(hù)措施。

電力系統(tǒng)的鐵磁諧振可分兩大類：一類是在66 kV及以下中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，由于對地容抗與電磁式電壓互感器勵磁感抗的不利組合，在系統(tǒng)電壓大擾動（如遭雷擊、單相接地故障消失過程以及開關(guān)操作等）作用下而激發(fā)產(chǎn)生的鐵磁諧振現(xiàn)象；另一類是發(fā)生在220 kV（或110 kV）變電站空載母線上，當(dāng)用220 kV、110 kV帶斷口均壓電容的主開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)對帶電磁式電壓互感器的空母線充電，或切除帶有電磁式電壓互感器的空母線時(shí)，操作暫態(tài)過程使連接在空母線上的電磁式電壓互感器組中的一相、兩相或三相激發(fā)產(chǎn)生的鐵磁諧振現(xiàn)象。

1故障實(shí)例

佛子嶺水電站地處山區(qū)，高壓線路架設(shè)于崇山峻嶺之中，雷雨季節(jié)遭受雷擊幾率較高，鐵磁諧振過電壓現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

2007年7月某日，雷擊后，該站發(fā)生35 kVⅡ段母線電壓一相降低，另兩相升高（超過線電壓）現(xiàn)象，發(fā)“單相接地”信號并熔斷2TV高壓保險(xiǎn)。35 kV系統(tǒng)接線圖如圖1所示。其時(shí)，35 kVⅠ、Ⅱ段母線并列運(yùn)行，兩回出線空載。1TV與2TV的型號分別為：YDJJ-35、JDJJ2-35。

2008年某日，110 kV母線停電操作過程中，當(dāng)拉開最后一臺高壓開關(guān)時(shí)，母線電壓瞬時(shí)升高，二次保護(hù)回路電壓繼電器線圈燒毀，如圖2所示。TV型號是JCC6-110，高壓開關(guān)型號是SW4-110Ⅱ，雙斷口帶有均壓電容器。

以上兩起故障是典型的鐵磁諧振過電壓現(xiàn)象，下面我們來簡單分析一下故障的成因。

2鐵磁諧振產(chǎn)生過程及其特點(diǎn)

2.1鐵磁諧振現(xiàn)象的基本概念

我們知道，在簡單的R、C、L電路中，當(dāng)感抗等于容抗時(shí)，即ωL=1/ωC，即滿足了串聯(lián)諧振條件，在電感和電容兩端便形成過電壓，回路電流的相位和幅值會突變，發(fā)生諧振現(xiàn)象。

電力系統(tǒng)中，變壓器、互感器和電機(jī)等鐵芯電感元件，其勵磁電感與磁通密度大小有關(guān)。當(dāng)外加電壓超過其額定電壓時(shí)，或繞組中出現(xiàn)涌流時(shí)，鐵芯中磁通密度嚴(yán)重飽和，電感即呈現(xiàn)出非線性。由非線性電感元件參與的諧振稱為鐵磁諧振。

在圖3所示的簡單串聯(lián)諧振回路中，如電感L為非線性的鐵芯電感元件，則在一定條件下即可能產(chǎn)生鐵磁諧振。

假設(shè)在正常情況下，電感L處于線性狀態(tài)，回路中的初始感抗大于容抗（ωL0＞）電路不具備諧振條件。但是，當(dāng)鐵芯電感L兩端的電壓有所升高，電感線圈出現(xiàn)涌流時(shí)，就有可能使鐵芯飽和。其電感值隨之減小，以至可能使回路達(dá)到ωL0＝，從而滿足串聯(lián)諧振條件，在電感和電容兩端產(chǎn)生過電壓。回路中的電感不是常數(shù)，產(chǎn)生的諧振以磁飽和為特征，這就是鐵磁諧振現(xiàn)象。

2.2鐵磁諧振的特征

①諧振頻率。諧振頻率f由回路中電感和電容的參數(shù)決定。鐵磁諧振的頻率可以等于電源頻率（基波頻率），也可以等于電源頻率的簡單倍數(shù)（高次諧波）或等于電源頻率的簡單分?jǐn)?shù)（分次諧波）。

②諧振的必要條件。產(chǎn)生鐵磁諧振的必要條件是電感和電容兩條伏安特性曲線必須有交點(diǎn)，交點(diǎn)處有：ωkL＝，交點(diǎn)以前有：ωkL0＞。其中L0為鐵芯尚未飽和時(shí)初始電感值。對變壓器、互感器等設(shè)備而言，一般指其在額定線電壓的激磁電感值。ωk為諧振頻率。

③諧振的自保持和自消失。鐵磁諧振一旦激發(fā)起來，當(dāng)短時(shí)的激發(fā)條件消失后，在較低電源電壓作用下，鐵磁諧振仍可能長期存能在下去，即諧振能夠自保持。同樣鐵磁諧振在激發(fā)因素過后也可能自行消失。

3中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的鐵磁諧振

發(fā)電廠（變電所）母線上的TV高壓繞組接成星形，中性點(diǎn)直接接地；低壓繞也接成星形，輔助繞組接成開口三角形，用于電壓指示、電度計(jì)量、繼電保護(hù)及故障判斷指示。TV具有很大的激磁阻抗，它與輸電線路等設(shè)備的對地容抗形成特殊的單相或三相諧振電路，激發(fā)起各種諧波的鐵磁諧振過電壓。

3.1TV鐵磁諧振的物理過程

如圖4所示，TV組成了三相諧振回路。其中C0為架空線路、電纜及母線其它設(shè)備的對地電容，L為TV的激磁電感，EA、EB、EC為三相電源電勢。在正常情況下，TV三相激磁電感工作在線性狀態(tài)下，可認(rèn)為是三相對稱的。當(dāng)某種原因激起諧振時(shí)，TV的一相、兩相或三相繞組上電壓升高，各相導(dǎo)線對地電壓發(fā)生變化，表現(xiàn)為電源變壓器中性點(diǎn)發(fā)生電位移，出現(xiàn)了一個(gè)零序電壓U0。

設(shè)在某種故障情況下，電源電壓A相降低，B、C兩相升高，則A相TV勵磁電抗仍為線性初始值，且大于容抗，它與容抗并聯(lián)后使A相的對地導(dǎo)納為容性，而B、C相由于電壓升高，B、C相的TV勵磁電抗已進(jìn)入飽和區(qū)，它與容抗并聯(lián)后使B、C相的對地導(dǎo)納并為感性。即：YA=+jωC0=C'，YB=YC=+jωC0=-j。

圖4所示的回路轉(zhuǎn)變?yōu)閳D5的三相等值網(wǎng)絡(luò)。

因?yàn)椋桑甶=（Ｉ．i+Ｕ．0）Yi（i=A、B、C），且Ｉ．=0，則得到：Ｕ．0=-，將各相導(dǎo)納帶入，得Ｕ．0=-。

總結(jié)以上分析，諧振過電壓的產(chǎn)生是由于系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)了零序電壓Ｕ．0，而Ｕ．0的產(chǎn)生又導(dǎo)致TV非線性電感的飽和。產(chǎn)生諧振條件為：

①電源變壓器中性點(diǎn)不接地，使得零序性質(zhì)的串聯(lián)諧振回路得以形成。即TV引起的鐵磁諧振只能在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)才會產(chǎn)生。

②中性點(diǎn)直接接地，開口三角形負(fù)載很小，基本為開路狀態(tài)。如果TV中性點(diǎn)不接地，則各相繞組跨接在電源相電壓上而不與對地電容并聯(lián)，從而諧振回路不能形成。另外若開口三角形繞組閉合短路，其中所感應(yīng)的零序電流在三角繞組中自成回路，對TV高壓側(cè)產(chǎn)生去磁作用，可以抑制或消除諧振現(xiàn)象。

③電網(wǎng)的對地電容與TV勵磁電感相匹配，且初始感抗大于容抗。

④一般需要外激條件，TV鐵芯達(dá)到飽和，才能激起諧振。常見激發(fā)條件有：空載母線或線路的突然合閘、雷擊、線路瞬時(shí)弧光接地、電源變壓器高壓側(cè)的傳遞過電壓等等。

3.2TV鐵磁諧振的影響因素

①TV特性的影響。TV特性不好，鐵芯容易飽和，在諧振時(shí)繞組中將流過很大的電流，導(dǎo)致熔絲熔斷、TV燒毀。在電網(wǎng)中，由于往往有很多臺TV并聯(lián)運(yùn)行。在諧振回路綜合激磁阻抗由每臺TV并聯(lián)而成，故并聯(lián)TV臺數(shù)越多綜合激磁阻抗越小，越容易激發(fā)諧振。因此，要消除諧振，不但要用特性較好的TV，而且盡可能減少并聯(lián)臺數(shù)。

②電網(wǎng)對地電容的影響。電網(wǎng)對地電容參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，直接影響產(chǎn)生諧振的性質(zhì)。當(dāng)該值變化（增大或減小）到某一值時(shí)，可使諧振不能發(fā)生。

③其它影響因素。激發(fā)因素對于諧振的產(chǎn)生與否、諧振的性質(zhì)有著較大的關(guān)系。回路電阻、TV高壓繞組的損耗電阻、TV開口三角形的電阻以及TV高壓側(cè)線端及中性點(diǎn)的電阻等，對諧振都具有阻尼作用，可使諧振區(qū)域縮小。

3.3中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)鐵磁諧振產(chǎn)生的原因

由前面的分析得知，對中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，TV繞組分別與各相電源電勢相連，電網(wǎng)中各點(diǎn)電位被固定，不會出現(xiàn)中性點(diǎn)位移過電壓，因此不會發(fā)生鐵磁諧振。但是，在某些條件下，由于操作不當(dāng)或某些倒閘過程，也會形成局部電網(wǎng)在中性點(diǎn)不接地方式下短時(shí)運(yùn)行。在中性點(diǎn)直接接地電力系統(tǒng)中，一般鐵磁諧振的激發(fā)因素為合刀閘和開關(guān)分閘。在進(jìn)行此操作時(shí)，由于電路內(nèi)受到足夠強(qiáng)烈的沖擊擾動，使得電感L兩端出現(xiàn)短時(shí)間的電壓升高、大電流的振蕩過程或鐵芯電感的涌流現(xiàn)象。這時(shí)候很容易和高壓開關(guān)的均壓電容Ck一起形成鐵磁諧振。

4消除鐵磁諧振的措施

從原理上說欲消除諧振，就必須設(shè)法破壞諧振條件。通過前面的分析，我們可以從兩個(gè)方面采取措施：改變電網(wǎng)電氣參數(shù)及接入阻尼電阻。常見的消諧措施有以下幾種。

4.1中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的消諧措施

采用勵磁特性較好的TV，這是一種治本的措施，但TV的勵磁特性越好，產(chǎn)生TV諧振的電容參數(shù)范圍就越小，雖可降低諧振發(fā)生的概率， 但一旦發(fā)生，過電壓、過電流更大，可能會帶來更大的危害；在母線上裝設(shè)中性點(diǎn)接地的三相星形電容器組，增加對地電容；TV一次側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)零序電壓互感器接地，此類型接線方式的TV稱為抗諧振電壓互感器；TV二次側(cè)開口三角形繞組接入阻尼電阻，其電阻值越小，越能抑制諧振的發(fā)生。常見的方式是接入一只500～1 000 W白熾燈泡或消諧器來消除諧振。佛子嶺水電站即采用后者。從實(shí)際運(yùn)行效果來看，該裝置對消除高次諧波和分次諧波諧振效果明顯，但對消除基波諧振作用不大；變壓器中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地；TV高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)阻尼電阻接地；減少系統(tǒng)中TV中性點(diǎn)接地臺數(shù)。

4.2中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)的消諧措施

盡量保證開關(guān)動作時(shí)三相同期性，防止非全相運(yùn)行；改用電容式電壓互感器，從根本上消除了產(chǎn)生諧振的條件，但是電容式電壓互感器價(jià)格高、帶負(fù)載能力差；母線TV高壓繞組串接或并接一個(gè)阻尼繞組；在開口三角形回路中接入消諧裝置。

在上述各種消諧方法中，多數(shù)需要加裝設(shè)備和增加投資，或者受現(xiàn)場運(yùn)行條件所限而難以實(shí)現(xiàn)。因此，應(yīng)根據(jù)各廠（站）的實(shí)際情況，盡量采取最簡單有效的措施。以本文中佛子嶺水電站實(shí)發(fā)故障為例，對35 kV系統(tǒng)，可采取母線分段運(yùn)行或解除一組TV中性點(diǎn)接地的措施；發(fā)生諧振時(shí)，可迅速短接TV二次側(cè)開口三角形繞組或拉開一回空載線路。對110 kV系統(tǒng)，最可行的方式是改變倒閘操作程序：停運(yùn)母線時(shí)，先拉開母線TV，再拉開線路開關(guān)。

綜上所述，鐵磁諧振現(xiàn)象在電網(wǎng)運(yùn)行中容易發(fā)生并且具有相當(dāng)?shù)奈：π浴Ｎ覀儽仨毤訌?qiáng)對現(xiàn)場運(yùn)行人員的技術(shù)培訓(xùn)，使其掌握一些諧振產(chǎn)生的條件、特征，在系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)判斷并采取正確的措施，從而避免和限制事故的發(fā)生。

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