浅谈电力系统中的铁磁谐振

浅谈电力系统中的铁磁谐振

孙龙喜

孙龙喜（大唐鸡西热电，黑龙江鸡西158100）

摘要：简述铁磁谐振产生的原因及激发条件。

关键词：铁磁谐振；中性点不接地系统；电压互感器；电容；电感

1概述

铁磁谐振是由铁心电感元件，如发电机、变压器、电压互感器、电抗器、消弧线圈等和和系统的电容元件，如输电线路、电容补偿器等形成共谐条件，激发持续的铁磁谐振，使系统产生谐振过电压。

电力系统的铁磁谐振可分二大类：一类是在66kV及以下中性点绝缘的电网中，由于对地容抗与电磁式电压互感器励磁感抗的不利组合，在系统电压大扰动作用下而激发产生的铁磁谐振现象；另一类是发生在220kV（或110kV）变电站空载母线上，当用220kV、110kV带断口均压电容的主开关或母联开关对带电磁式电压互感器的空母线充电过程中，或切除带有电磁式电压互感器的空母线时，操作暂态过程使连接在空母线上的电磁式电压互感器组中的一相、两相或三相激发产生的铁磁谐振现象，简单地讲就是由高压断路器电容与母线电压互感器的电感耦合产生的谐振。

2铁磁谐振产生的原因及激发条件

电力系统是一个复杂的电力网络，在这个复杂的电力网络中，存在着很多电感及电容元件，尤其在不接地系统中，常常出现铁磁谐振现象，给设备的安全运行带来隐患，下面先从简单的铁磁谐振电路中进行分析。

在简单的R、C和铁铁芯电感L电路中，假设在正常运行条件下，其初始状态是感抗大于容抗，即ωL＞（1/ωC），此时不具备线性谐振条件，回路保持稳定状态。但当电源电压有所升高时，或电感线圈中出现涌流时，就有可能使铁芯饱和，其感抗值减小，当ωL＝（1/ωC）时，即满足了串联谐振条件，在电感和电容两端便形成过电压，回路电流的相位和幅值会突变，发生磁谐振现象，谐振一旦形成，谐振状态可能“自保持”，维持很长时间而不衰减，直到遇到新的干扰改变了其谐振条件谐振才可能消除。

下列激发条件造成铁磁谐振：

（1）电压互感器的突然投入；

（2）线路发生单相接地；

（3）系统运行方式的突然改变或电气设备的投切；

（4）系统负荷发生较大的波动；

（5）电网频率的波动；

（6）负荷的不平衡变化等。

3常用的消谐方法及优缺点

3.1中性点不接地系统常见的消谐措施

3.1.1采用励磁特性较好的电压互感器

目前，在我单位新建变电站电压互感器选型时尽量采用采用励磁特性较好的电压互感器。电压互感器伏安特性非常好，如每台电压互感器起始饱和电压为1．5Ue，使电压互感器在一般的过电压下还不会进入饱和区，从而不易构成参数匹配而出现谐振。显然，若电压互感器伏安特性非常好，电压互感器有可能在一般的过电压下还不会进入较深的饱和区，从而不易构成参数匹配而出现谐振。从某种意义上来说，这是治本的措施。但电压互感器的励磁特性越好，产生电压互感器谐振的电容参数范围就越小。虽可降低谐振发生的概率，但一旦发生，过电压、过电流更大。

3.1.2在母线上装设中性点接地的三相星形电容器组，增加对地电容这种方法，当增大各相对地电容Co，使XCo/XL＜0.01时（谐振区为小于0.01或大于3）回路参数超出谐振的范围，可防止谐振。。如果零序电容过大或过小，就可以脱离谐振区域，谐振就不会发生。

3.1.3电流互感器高压侧中性点经电阻接地，由于系统中性点不接地，Yo接线的电磁式电压互感器的高压绕组，就成为系统三相对地的唯一金属通道。系统单相接地有两个过渡过程，一是接地时；二是接地消失时。接地时，当系统某相接地时，该相直接与地接通，另两相对地也有电源电路（如主变绕组）成为良好的金属通道。因此在接地时的三相对地电容的充放电过程的通道，不会走电压互感器高压绕组，就是说发生接地时电压互感器高压绕组中不会产生涌流，因为已有某相固定在地电位，也就不会发生铁磁谐振。但是当接地消失时，情况就不同了。在接地消失的过程中，固定的地电位已消失，三相对地的金属通道已无其他路可走，只有走电压互感器高压绕组，即此时三相对地电容（零序电容）3Co中存储的电荷，对三相电压互感器高压绕组电感L/3放电，相当一个直流源作用在带有铁芯的电感线圈上，铁芯会深度饱和。对于接地相来说，更是相当一个空载变压器突然合闸，叠加出更大的暂态涌流。在高压绕组中性点安装电阻器Ro后，能够分担加在电压互感器两端的电压，从而能限制电压互感器中的电流，特别是限制断续弧光接地时流过电压互感器的高幅值电流，将高压绕组中的涌流抑制在很小的水平，相当于改善电压互感器的伏安特性。

3.1.4电压互感器一次侧中性点经零序电压互感器接地，此类型接线方式的的电压互感器称为抗谐振电压互感器，这种措施在部分地区有成功经验，其原理是提高电压互感器的零序励磁特性，从而提高电压互感器的抗烧毁能力，已有很多厂家按此原理制造抗谐振电压互感器。但是应注意到，电压互感器中性点仍承受较高电压，且电压互感器在谐振时虽可能不损坏，但谐振依然存在。

3.1.5电压互感器二次侧开三角绕组接阻尼电阻，在三相电压互感器一次侧中性点串接单相电压互感器或在电压互感器二次开口三角处接入阻尼电阻，用于消耗电源供给谐振的能量，能够抑制铁磁谐振过电压，其电阻值越小，越能抑制谐振的发生。若R＝0，即将开口三角两端短接，相当于电网中性点直接接地，谐振就不会发生。但在实际应用中，由于原理及装置的可靠性欠佳，这些装置的运行情况并不理想。二次侧电子消谐装置仍有待从理论、制造上加以完善。在单相持续接地时，开三角绕组也必须具备足够大的容量；这类消谐措施对非谐振区域内流过电压互感器的大电流不起限制作用。

3.1.6中性点经消弧线圈接地，中性点经消弧线圈接地有以下优点：瞬间单相接地故障可经消弧线圈动作消除，保证系统不断电；永久单相接地故障时消弧线圈动作可维持系统运行一定时间，可以使运行部门有足够的时间启动备用电源或转移负荷，不至于造成被动；系统单相接地时消弧线圈动作可有效避免电弧接地过电压，对全网电力设备起保护作用；由于接地电弧的时间缩短，使其危害受到限制，因此也减少维修工作量；由于瞬时接地故障等可由消弧线圈自动消除，因此减少了保护错误动作的概率；系统中性点经消弧线圈接地可有效抑制单相接地电流，因此可降低变电所和线路接地装置的要求，且可以减少人员伤亡，对电磁兼容性也有好处。可见，中性点谐振接地是中压电网（包括电缆网络）乃至高压系统的比较理想的中性点接地方式。但是由于不适当操作或某些倒闸过程会导致局部电网在中性点不接地方式下临时运行，所以这种系统也曾经发生过电压互感器谐振，同时安装消弧线圈自然会增加投资，此外，消弧线圈自身的维护和整定还需要不断的完善。

4中性点直接接地系统谐振消除方法及优缺点

4.1尽量保证断路器三相同期、防止非全相运行。

4.2改用电容式电压互感器（CVT），从根本上消除了产生谐振的条件，但是电容式电压互感器价格高、带负载能力差、且仍带有电感，二次侧仍要采用消谐措施。增加对地电容，操作时让母线带上一段空线路或耦合电容器。

4.3带空载线路可以很好地消谐，但有可能产生一个很大的冲击电流通过互感器线圈，对互感器不利，而耦合电容器十分昂贵，目前尚无高压电容器。

4.4与高压绕组串接或并接一个阻尼绕组，可消除基频谐振，在发生谐振的瞬间投入此阻尼电阻将会增加投切设备和复杂的控制机构。

4.5电容吸能消谐，对幅值较高的基频谐振比较有效，但对于幅值较低的分频谐振往往难以奏效。

4.6在开口三角形回路中接入消谐装置，能自动消除基频和分频谐振，需在压变开口三角绕阻回路中增加1根辅助边线，增大了投资。

4.7采用光纤电压互感器，可以有效地消除谐振。价格较高。