淺談鐵路10kv電力系統中鐵磁諧振現象及防范

喬壘

摘 要：文章對鐵路10kv電力系統設備運行中出現的鐵磁諧振現象進行研究分析，提出防范措施，以提高電力設備供電可靠性。

關鍵詞：鐵磁諧振；研究分析；防范措施

引言

普速鐵路10kv電力系統和高速鐵路電力配電所調壓變壓器一次側中性點不接地，單相接地故障時電流很小，允許運行接地運行2h。在這種系統中，時常會出現這樣一些現象，如：在分、合斷路器時，出現瞬時接地信號指示、電壓互感器高壓保險熔斷；在出現單相接地時，電壓互感器高壓保險熔斷或電壓互感器燒毀；負載小的時候，出現三相電壓指示嚴重不對稱。這些故障現象很多都是鐵磁諧振造成的，為確保供電可靠性，提高信號等重要負荷供電質量，有必要對此進行研究，并提出防范措施。

1 鐵磁諧振的原理

鐵路10kv電力系統中大量存在著有鐵心的電感線圈和電容的電器設備及大量電纜，為鐵磁諧振的發生創造了條件。有電感和電容的電路，在一定條件下就會出現諧振。電容、電感串聯的電路，會出現電壓諧振；電容、電感并聯的電路，會出現電流諧振。在分、合閘操作時就會引起諧振現象發生。

實際的電力系統電路復雜，不僅是三相的，電容也不一定是明顯的電容器，可能是空載電纜線路或架空線路，電感線圈可能是變壓器、互感器、電抗器，激發因素也不一定明顯。下面舉例說明。例如：當10kv電力系統發生單相接地時，因鐵磁諧振造成電壓互感器高壓熔斷器熔絲熔斷。

圖1 10KV電力系統接線圖

圖2 等效電路圖

如圖1所示，系統中性點是不接地的，但是電壓互感器的中性點是接地的，它的高壓繞組與外線對地電容構成L、C并聯回路，圖中，BI代表變壓器的二次繞組，Ca、Cb、Cc代表三相對地電容，La、Lb、Lc代表電壓互感器一次繞組，可以看成是帶鐵心的線圈。

當C相接地時，故障點流過電容電流，該系統的等效電路如圖4所示。因為Cc、Lc被短路，所以圖中沒有畫出，La、Ca組成一個并聯回路，兩端電壓Uca是1.732倍的相電壓，在這一瞬間電壓突變過程中，電壓互感器高壓線圈的非接地兩相的勵磁電流就要突然增大，呈現不同程度的飽和， 電壓互感器的各相感抗發生變化， 各相電感值不相同， 中性點位移， 產生零序電壓。由于線路電流持續增大，導致電壓互感器鐵芯逐漸磁飽和，其電感迅速減小。當電感降到滿足L=1/C 時，即具備諧振條件，從而產生諧振過電壓，結果引起了串聯諧振，使熔斷器熔絲熔斷，如果電流達不到電壓互感器熔絲熔斷值，但超過電壓互感器允許電流值，導致電壓互感器燒毀。個別情況下，由于長時間運行在過電壓下，還會引起電纜擊穿、避雷器、變壓器、斷路器的套管發生閃絡或爆炸。Lb、Cb組成的并聯回路中也有可能出現這一現象。由于接地電弧熄滅時間不同，故障點的切除就不一樣。因此，不一定在每次出現單相接地故障時，電壓互感器高壓線圈中都要產生很大的激磁電流，其高壓側熔斷器的情況也有所不同。

2 產生鐵磁諧振的因素

運行經驗和理論分析表明，鐵磁諧振往往是在系統對地電壓（相電壓）出現不對稱或某相電壓升高，電壓互感器鐵心出現飽和而致使系統對地分布電容和電壓互感器的激磁電抗達到某種匹配的情況下發生，并且可能發生分頻諧振、基頻諧振和高頻諧振。因此，鐵磁諧振經常在某種外部條件的激發下產生，歸納如下：

（1）運行方式方面：電源的中性點不接地；有中性點接地的電壓互感器；電力線路運行中有對地電容等。

（2）參數方面的原因：鐵心電感的起始值和等效電容組成的電路的自振頻率小于并接近諧振頻率；非線性電感的變化范圍比較大等。

（3）設備方面：電壓互感器的鐵心過早飽和，即伏安特性不好；斷路器三相不同期嚴重等。

（4）激發因素方面：倒閘操作；系統發生故障，造成電流、電壓劇增、外部線路接地故障等。如當配電變壓器內部發生單相接地故障時，故障電流通過抗電能力強的絕緣油對地放電，也會產生不穩定的電弧激發鐵磁諧振；隨意帶負荷拉開分支線路隔離刀閘，或帶負荷拉開配電變壓器的高壓跌落保險，造成刀閘間弧光短路而引發諧振。

3 防范措施

下面幾種方法應根據諧振的具體原因區別采取，方法有：

（1）改變系統諧振條件：如在電壓互感器的開口三角上接一個電阻；在母線上接入一定大小的電容器，使設備參數不滿足諧振條件。

（2）選用伏安特性好的抗飽和電壓互感器。

（3）改變引起鐵磁諧振的倒閘操作順序，嚴格按照規程規定的倒閘操作程序進行，送電時先送電源側開始，停電時從負荷側開始。

（4）保證貫通線各回路三相合閘的同期合閘，可以減少諧振的誘因，降低諧振發生的概率。目前斷路器基本采用三相合閘同期性較好的斷路器。

（5）發生鐵磁諧振時（根據電壓監視），可以迅速投入空載線路，如主供所發生鐵磁諧振，投入備供所，改變系統參數值，達到消除諧振的目的。

4 結束語

10kv電力系統諧振一旦發生將造成設備燒毀，造成設備停電，嚴重影響設備的安全可靠運行，必須根據設備情況進行科學分析，采取切實可行合理有效的消諧措施，才能保證電力設備的安全可靠供電。

參考文獻

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