鐵磁諧振的分析及實驗開發研究

摘要：論述了由電壓互感器電感的非線性引起的鐵磁諧振的機理、產生原因和抑制措施，介紹了鐵磁諧振的培訓實驗線路和實驗方法。

關鍵詞：電壓互感器；鐵磁諧振；實驗開發

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0187-03

在配電網中，10kV電網的變壓器中性點幾乎都是不接地的，35kV電網變壓器的中性點也有相當部分不接地。在這種中性點不接地系統中，由于檢測的需要，電壓互感器的中性點是接地的，因而其各相線圈電感和對應相的系統對地電容形成一個并聯回路。電壓互感器是帶有鐵芯的一種鐵磁器件，它的電感是非線性的，會隨著運行參數的不同而改變，在正常運行時，互感器不飽和，其電感很大，三相是對稱的。當發生某種沖擊擾動時，如雷電、線路斷線、電網產生瞬間接地等故障，都可能使三相電路的對稱性遭到破壞，引起一相或兩相對地電壓突然升高，就會產生并聯諧振，一般稱為電壓互感器鐵磁諧振，從而使電壓互感器飽和而流過大大超過額定值的電流，導致電壓互感器高壓熔斷器熔斷或電壓互感器燒毀，過電壓還會引起絕緣破壞及避雷器爆炸事故，危及電網安全供電。

電壓互感器鐵磁諧振是配電網一個比較普遍且影響較大的故障，其產生的原因是多種多樣的，必須結合具體電網進行針對性的分析處理，到電力生產一線的電力專業畢業生經常會遇到這種事故。但目前本專科電力專業的電力系統運行教材都很少涉及這一技術問題，更沒有開出這方面的實驗，致使他們在工作中面對這種事故時往往束手無策。因此，研究開發鐵磁諧振實驗，使學生掌握鐵磁諧振的基本原理、分析處理方法和防止措施，并且培養學生分析和解決工程實際問題的能力，是十分必要的。鐵磁諧振發生在10～35kV電網中，要在實驗室用低壓電路進行模擬有很大難度，經過多年的探索和實踐，成功開發了鐵磁諧振的整套實驗，收到了良好的教學效果。

一、鐵磁諧振產生的機理

中性點不接地系統如圖1所示，各相對地電壓由下面公式計算得出：

所以中性點位移電壓反映了一次側的零序電壓，后者是前者的三倍。由式（6）可知，如果三相對地電壓對稱，中性點的位移電壓為零，則鐵磁諧振是在各相對地參數的對稱性遭到破壞時才會產生。

由式（4）可知，中性點的位移電壓值主要取決于三相導納之和（YA+YB+YC）的大小，而各相導納又取決于式（3）中的互感器各相電感L和對地電容C（設頻率一定，1/r為零），而各相L、C是隨所在電網運行工況而變的。在正常運行時，互感器不飽和，其電抗很大，一般比對地電容的容抗大得多，各相導納表現為容性且大致相等，中性點的位移電壓是很小的。但如前所述，在一些不對稱情況下，假如參數配合使總導納接近于零，會導致系統中性點的位移電壓大大增加，就會產生鐵磁諧振。從式（1）可知，各相對地電壓是其電源電壓和中性點位移電壓的相量和，這會使一相、兩相或三相對地電壓顯著升高。

二、鐵磁諧振產生的原因

中性點不接地系統運行中，有多種原因會引起電壓互感器鐵磁諧振。

1.系統單相接地

在中性點不接地的三相系統中，當一相發生接地時，接地相對地電壓為零，未接地兩相對地電壓升高到線電壓。單相接地故障發生后，如果發生間歇性弧光接地，會產生幾倍于正常電壓的過電壓，導致電磁式電壓互感器鐵芯飽和引起的鐵磁諧振過電壓，造成嚴重的短路事故，這種情況最為常見。

2.雷電干擾

雷電流是一個幅值很大、陡度很高的沖擊波電流，電網遭受直擊雷或感應雷擊時，雷電流從輸電線路上進入而導致其對地電壓瞬間升高，使線路發生瞬間單相弧光接地，以致引發鐵磁諧振。電壓互感器燒毀或高壓熔斷器熔斷往往發生在雷電活動頻繁時，就是這一原因。

3.線路斷線

線路發生斷線后，斷線相對地電容便會減小，導致相對地導納降低，各相合成導納的數值和相位差別將變大，因而引起中性點位移，并使某些相電壓升高，從而引發鐵磁諧振。

4.空載母線充電

變電站因檢修或其他原因停電而恢復供電時，往往先對母線充電，然后再向用戶送電。當母線帶電空載運行時，由于母線對地電容較小，其容抗往往與接于母線上的電壓互感器的激磁電抗同一數量級，因而（YA+YB+YC）很小，而三相電路參數總會存在差異，所加電壓不可避免地也存在不對稱，加上三相合閘不會絕對同時，可能使中性點位移電壓大大升高產生鐵磁諧振。這時電壓互感器會因飽和發出聲響，三相電壓升高或指針擺動。

5.互感器的勵磁特性差

在配電網中，中性點不接地系統鐵磁諧振頻發，與互感器的勵磁特性差直接相關。一些廠家為了省材料、降成本，減少互感器鐵心截面和線圈匝數，使互感器在外因的誘發下很易飽和。

三、鐵磁諧振培訓實驗開發

1.鐵磁諧振實驗接線

鐵磁諧振實驗接線如圖2所示，由下列主要設備組成：一是隔離變壓器組TM。由三臺BK-100型220V/220V隔離變壓器通過YNy接法組成。一次側外接AC380V電源，二次側獨立形成中性點不接地系統。二是電壓互感器組TV。由三臺JDG-0.5型單相電壓互感器組成，變比為V，接線方式為星形—星形—開口三角。電壓互感器一、二次側星形中性點接地。三是消弧線圈L。用一臺1kVA單相調壓器代替，隔離變壓器TM中性點經QL和調壓器輸出端連接后接地。調壓器輸出由最大調至零，可改變電抗值。四是母線。每相通過兩只1?F、630V的電容接地，模擬線路的對地電容。A相上有開關Qc可斷開，對地泄漏電阻假設為無窮大。五是可調電感TB。由兩臺1kVA的單相調壓器1TB、2TB串聯而成，通過開關Qv和電壓互感器并聯。六是接地線路。隔離變壓器TM二次側A相通過開關Qd接地，可以實現單相接地或不接地。七是電壓表PV和電流表PA。

2.鐵磁諧振產生的實驗

正常無故障時，線路三相的導納呈容性且大致相等，中性點位移電壓和開囗三角零序電壓都很小。假設線路在電源端A相斷線，完全忽略該相的對地電容，使系統各相對地參數不平衡，這時A相的導納只有互感器的感抗而呈感性，故使總導納YA+YB+YC大幅降低，使中性點位移電壓顯著上升，各相對地電壓隨之上升且不平衡，非斷線B、C相的電壓互感器趨于飽和，從而激發鐵磁諧振。分析和實驗表明，產生鐵磁諧振后，A相對地電壓變化不大，而B、C相對地電壓升高較多，且C相最高可達到相電壓的3倍。

在圖2的接線做實驗時，為了模擬線路電源端完全斷線，要打開Qc將A相原接的兩只電容斷開，然后合上電源測量各相對地電壓及中性點對地電壓等參數，將各項數據與正常運行值對比，觀察和分析鐵磁諧振時各量的變化。由于實驗會使電壓互感器B、C相對地電壓升高，因此不要長時間通電，實驗完后就要斷開電源。另外，還可以只斷開A相一只電容作不完全斷線實驗，斷開兩相電容做兩相斷線實驗。這一產生鐵磁諧振的實驗方法簡單易行，可以從容觀察鐵磁諧振現象，但在實際的配電系統中，因同一電壓系統有多條線路運行，一條線路在電源端完全斷線，也不會使該相對地電容趨于零，因而實際系統因單純斷線（不接地）產生鐵磁諧振的幾率不大。另一個產生鐵磁諧振的實驗方法是調節電壓互感器電感。鐵磁諧振產生的內因是電壓互感器電感的非線性，在外加電壓升高時互感器趨于飽和，但采用可調的高電壓不易實現也不安全，故可設法在正常電壓下調節互感器的電感進行模擬。為此在電壓互感器一次A相繞組并聯一臺可調電感器，如圖2所示，它由兩臺調壓器串聯而成。當電感調到最大時，互感器的等效電感基本不變，當電感調到最小時，互感器的等效電感為零，等于A相接地。

實驗時將圖2的Qv合上，調節調壓器模擬電感從最大值緩慢減小，觀察電壓互感器三相電流表讀數的變化，當某一相讀數突然變大時，說明已發生鐵磁諧振，觀察和記錄有關的數據并進行分析。

3.鐵磁諧振防止措施實驗

以下實驗都是模擬線路A相在電源端完全斷線，即打開Qc將A相原接的兩只電容斷開，激發鐵磁諧振，然后采取不同的措施來抑制鐵磁諧振。

（1）電壓互感器TV中性點接電阻。電壓互感器TV一次側繞組中性點經500Ω、200W的電阻接地，然后合上電源后記錄有關數據，觀察分析這一措施對鐵磁諧振的抑制作用和效果。將1000Ω、2000Ω電阻分別進行接地實驗，比較不同電阻值的抑制情況，實驗中可用一臺可調滑線電阻器代替固定電阻。

（2）電壓互感器TV開口三角接電阻。在電壓互感器TV開口三角繞組接上100W燈泡，合上電源后測量記錄有關數據，觀察分析這一措施對鐵磁諧振的抑制作用和效果。將100W燈泡改為200W，比較不同電阻值的抑制情況。

（3）電壓互感器中性點接零序互感器。將電壓互感器TV的開口三角繞組短接，然后在一次側繞組中性點串接一臺零序電壓互感器（可采用一臺單相380/100V互感器），測量零序電壓互感器二次側繞組電壓，分析零序電壓互感器對鐵磁諧振的抑制作用。

（4）采用消弧線圈。用一臺單相調壓器代替，變壓器TM中性點經調壓器輸出端接地，將調壓器輸出由最大調至零，觀察鐵磁諧振消除的情況，記錄相關數據，由于消弧線圈的電感比電壓互感器小得多，消弧線圈應放在電感很小的位置上。

根據實驗數據綜合分析以上各種措施對抑制鐵磁諧振的作用和效果。需要指出的是，本實驗裝置實際上是一個小電流接地系統的綜合實驗平臺，在其上面可以做單相接地故障、斷線故障、電壓互感器等多項實驗。

四、結語

鐵磁諧振是配電網常見故障。鐵磁諧振的內在原因為電壓互感器電感的非線性，外在原因則存在很多不確定性，研究鐵磁諧振產生的原因并提出有效地解決措施，對保障電網的安全運行具有非常重要的意義。開發鐵磁諧振的培訓實驗，使培訓講解與動手實踐相結合，對學生掌握鐵磁諧振的基本原理、處理方法和防止措施，并且培養分析和解決工程實際問題的能力，提高培訓實效是十分必要的。鐵磁諧振實驗裝置的構建簡單易行、成本低廉，適合在高校電力專業和電力部門培訓中應用。

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（責任編輯：孫晴）