電力系統鐵磁諧振的產生及消除措施

張 凱 王建恩 韋宏偉

（北方聯合電力蒙西發電廠，內蒙古 烏海016014）

鐵磁諧振是由鐵芯電感元件，如發電機、變壓器、電壓互感器、電抗器、消弧線圈等和系統的電容元件，如輸電線路、電容補償器等形成共諧條件，激發持續的鐵磁諧振，使系統產生諧振過電壓[1]。過電壓造成勵磁電流劇增，有時可達額定電流的幾十倍，持續時間較長，就會造成熔斷器的熔斷，設備的燒損或爆炸，乃至大面積停電事故[2]。

1 中性點不接地系統中鐵磁諧振的產生原理

如圖1所示，電源變壓器中性點不接地，為了監視絕緣，電壓互感器的一次繞組中性點直接接地，其勵磁電感分別為LU、LV、LW，與其并聯的電容C0代表該相導線和母線的對地電容。C0與勵磁電感并聯后的導納為YU、YV、YW。

在正常運行條件下，勵磁電感LU=LV=LW，故YU=YV=YW，三相對地負載是平衡的，中性點電位為零。

當電網中發生沖擊擾動，例如電源合閘至空母線使互感器一相或兩相出現涌流現象，或線路瞬間單相弧光接地（或熄弧）后，健全相（或故障相）電壓突然升高也會出現很大涌流，造成該相互感器磁路飽和，勵磁電感L相應減小，這樣三相對地負荷就變得不平衡，中性點出現位移電壓，其值為

在正常運行情況下，由于電壓互感器勵磁阻抗很大，各相導納呈現容性，而擾動結果使V相和W相電感即LV和LW減小，電感電流增大，可能使V相和W相導納變成感性，構成如圖1(b)所示的等值電路圖，感性導納 和容性導納 相互抵消，使總導納YU+YV+YW顯著減小，位移電壓E0大為增加，如果參數配合適當，總導納接近于零，就產生了串聯諧振現象，中性點位移電壓將急劇上升[3]。引起電磁式電壓互感器勵磁電流急劇上升等，即鐵磁諧振現象。

2 常見的鐵磁諧振過電壓現象

2.1 運行開關操作引起的鐵磁諧振

在中性點不接地系統中運行的接地電壓互感器，其每相繞組和線路每相電容并聯，形成并聯諧振回路，在暫態激發的條件下，如開、合閘，倒閘操作引發電流、電壓的沖擊擾動，就有可能發生鐵磁諧振。當PT發生諧振以后，鐵芯里產生零序磁通，這個磁通在開口三角線圈里感應出零序電壓，現行的PT鐵芯截面積小，一般運行在勵磁曲線的飽和點以下，一般在線電壓下就飽和了，導致PT的感抗XL嚴重下降，這樣就和線路或母線對地電容XC組成了諧振回路。

2.2 不對稱接地故障引起的鐵磁諧振

在中性點不接地系統中，當發生單相接地故障時，電網電壓、相位維持不變，故障相電壓下降為近似零值，非故障相上升為額定電壓近似值的1.732倍，當系統接地故障消除后，非接地相在過電壓期間，由于線路電容的作用，已對線路充入電荷，這部分電荷在中性點不接地系統中，只能對電壓互感器的高壓繞組電感線圈放電，而流入大地，在這個電壓瞬變過渡過程中，非接地相電壓互感器一次繞組勵磁電流突然出現數倍于額定電流的峰值電流，可將一次電壓互感器保險熔斷甚至燒毀PT。另外除三相電壓互感器外，其余的主變、配變中性點均不接地，當系統發生一個周波重燃多次的弧光斷續接地時，電壓互感器成為系統對地放電的通道。其放電電流可達2A左右，是一般電壓互感器一次額定電流200倍左右，這樣重燃多次斷續放電，可能造成電壓互感器因劇烈發熱而燒毀。

2.3 串聯諧振

串聯諧振的現象：線電壓升高、表計擺動，電壓互感器開口三角形電壓超過100V。輸電線路中的導線斷落、斷路器非全相運行以及熔斷器的一相或兩相熔斷也可能使系統中的電感、電容元件形成串聯諧振回路，其中電感一般是指空載或輕負載變壓器的勵磁電感等，電容一般是指導線的對地和相間電容，或電感線圈的對地雜散電容等。因此，在中性點不接地的系統網絡中，斷線諧振出現的頻率非常高，并且會造成各種嚴重后果。而且由于鐵芯的磁飽和引起電流、電壓波形的畸變，即產生了諧波，使諧振回路還會對諧波產生諧振。

3 消除鐵磁諧振的措施

為了限制和消除這種零序性質的諧振過電壓，采用下列措施將取得顯著效果。但根據某高校仿真研究結果，任何措施都有一定局限性，不是絕對可靠的，采用時應予以注意。

3.1 在剩余電壓繞組開口三角端子并接一個電阻R或加裝專用消諧器。

在電網正常運行時，開口三角繞組端口基本無電壓，如果在端口上接入電阻R,R不消耗能量，當系統因單相接地故障而發生中性點偏移時，開口三角繞組端口出現電壓，R消耗能量，而且R值越小，消耗能量越多，限制諧振的作用越明顯。如果R=0，即開口三角繞組被短接，相當于電壓互感器T型等值電路的二次側短路。

3.2 將互感器高壓側中性點經高阻抗（零序互感器或可變電阻）接地。

在三相電壓互感器高壓側中性點串入1臺單相電壓互感器的高壓線圈，而其低壓線圈則串入三相電壓互感器低壓側的中性點接地回路中。正常運行時,三相電壓互感器的中性點電位接近0,單相電壓互感器中沒有電流流過。當系統內出現一相接地時，兩正常相的對地電壓升高1.732倍。但由于三相電壓互感器的中性點對地之間串聯了1臺單相電壓互感器的高壓線圈，這樣就相當于增加了每一相的勵磁電感，因此鐵芯中磁通不會升高到嚴重飽和的狀態[]。能夠使電壓互感器各相電壓保持在正常相電壓附近而不飽和，提高了電壓互感器零序勵磁特性，降低電壓互感器的一次電流，同時，也保持了接地指示裝置對零序電壓幅值和相位的靈敏度，是一種比較優越的消諧方法。但是單相電壓互感器型號的選取要依據實際情況來選擇，如有觀點認為，應當選取與三相電壓互感器變比相等的單相電壓互感器。

3.3 將電源變壓器中性點經過消弧線圈接地。

在中性點經消弧線圈接地的情況下，其電感值遠比互感器的勵磁電感小，回路的零序自振頻率決定于電感和電容，互感器所引起的諧振現象也就成為不可能。35 KV系統發生諧振時，可采取此法。需要指出的是，加裝消弧線圈以后，系統中若發生斷線故障或出現縱向不對稱電壓時，消弧線圈可能與系統電容和電壓互感器勵磁電感之間呈現串聯諧振狀態，同樣可能引起鐵磁諧振問題。因此加裝消弧線圈抑制鐵磁諧振的問題需要針對配電網特點考慮這種可能性。

4 結論

通過以上分析，中性點不直接接地系統中產生的鐵磁諧振過電壓會對電力系統造成嚴重的后果，因此采用將電壓互感器開口三角短接或電壓互感器中性點經高阻抗接地等措施可大大減少鐵磁諧振的發生，至于采用何種消諧方法，應該根據當地系統的實際情況，結合系統的運行方式，在充分借鑒和積累的基礎上，分別采取措施，以達到預期的目的。

[1]劉暉.淺析電力系統鐵磁諧振過電壓[J].江西電力，2006.

[2]李順福.電壓互感器鐵芯飽和諧振過電壓的分析及預防措施[J].青海電力，2003.

[3]凌子恕.高壓互感器技術手冊[M].北京:中國電力出版社,2005.

[4]郭景武，張榮新.消諧裝置在電力系統中的應用分析[J].天津電力技術，2005年增刊.

[5]黃建碩.鐵磁分頻諧振過電壓的產生、危害及措施[J].電工技術應用，2007.