基于66 kV系統TV鐵磁諧振現象分析

耿莉娜，鐘雅風，何伯男

鐵磁諧振是電力系統自激振蕩的一種形式，是由變壓器、電壓互感器等鐵磁電感的飽和作用引起的持續性、高幅值的諧振過電壓現象。在中性點不接地系統中，TV鐵磁諧振可使系統產生過電壓或過電流，危及電氣設備的絕緣，燒毀電壓互感器，影響保護裝置工作，嚴重危害電力系統運行。

1 鐵磁諧振原理

電力系統鐵磁諧振主要發生在中性點不接地系統中，等值電路［1］如圖1所示。

通過節點法可得系統中性點電壓:

圖1 TV電感與系統對地電容等值電路圖

式中

系統正常運行時，互感器鐵心工作在線性區，感抗很大，三相導納基本對電網呈容性，中性點位移電壓UN=0。

當系統某一相由于過電壓而飽和時，電感減小，等值電路如圖2所示。

圖2 TV鐵心飽和時的等值電路

由UN=得，當YA+YB+YC=0時，系統中性點電壓理論上趨向無窮大，此時系統出現諧振。

將圖2中性點以下部分用戴維南定理等效成電源，得:

由式 (2)可得戴維南等效簡化電路如圖3所示?？梢?，鐵磁諧振是串聯諧振。

圖3 戴維南等效簡化電路

實際運行和試驗表明，在鐵心電感回路中，可能發生分頻諧振、高頻諧振等其它頻率的諧振?？茖W家Shott H.S.和Peterson H.A.提供了一個非常簡便的方法［2］。圖4為Peterson曲線，給出了不同諧波的共振區域。由圖4可見，隨著比值XC0/XL的增大，依次發生1/2分次諧波、基波和3次諧波諧振，所需電壓Eφ也逐漸增大。當XC0/XL處在2個共振區域邊界時，將產生極復雜的多個頻率的振蕩。當XC0/XL在0.6～3.0時，產生的諧振為3次諧波諧振;當XC0/XL在0.1～0.6時，產生的諧振為基波諧振;當XC0/XL在0.01～0.1時，產生的諧振為1/2分頻諧振。

圖4 Peterson曲線圖

工頻諧振一般表現為兩相電壓升高而一相電壓降低;諧波諧振表現為三相對地電壓同時升高，其中以1/2分頻和3次諧波諧振最常見。

基頻諧振和高頻諧振將在電壓互感器上產生諧振過電壓，而分頻諧振將在電壓互感器上產生上百倍額定電流的諧振過電流，可使TV熔絲熔化、母線電壓信號消失。若熔絲選擇不當，還可能使TV爆炸，形成母線三相短路，直接使相鄰斷路器跳閘，電氣主設備退出運行。

2 66 kV系統TV鐵磁諧振案例分析

2011年2月3日18:28某變電站2號電抗器C相故障，過流I段保護動作，切除2號電抗器，66 kV母線電壓不正常，至21:07 1號主變66 kV側TV B、C相爆炸。

根據事故錄波曲線和相關資料建立仿真模型［3－4］，仿真結果與實際錄波圖的對比如圖5、圖6所示。圖5為2號電抗器故障切除時段的1號變壓器低壓側三相電壓實際錄波圖與仿真結果，圖6為2號電抗器故障切除時段的1號變壓器低壓側零序電壓實際錄波圖與仿真結果。

仿真波形與實際錄波波形較相似，由圖5可見，C相電壓跌落至0，A、B相電壓升高，電抗器切除后，三相電壓發生1/2分頻諧振;由圖6可見，零序電壓從無到有，頻率降到25 Hz。

圖7為諧振發生時1號主變低壓側C相電壓曲線仿真結果曲線，可以看出，電壓幅值由故障前的額定電壓變到最大有效值達到額定電壓近2倍左右，與實際錄波電壓基本一致。圖8為諧振發生時1號主變低壓側TV一次繞組三相電流仿真曲線，可以看出，故障時流經1號主變低壓側TV一次繞組的電流激增，與實測數據基本一致。

圖9為1號主變低壓側三相電壓錄波曲線頻率顯示圖，1號主變低壓側電壓畸變時的主要頻率約為25 Hz和50 Hz。圖10為1號主變低壓側C相電壓仿真曲線傅里葉頻譜分析結果，1號主變低壓側電壓畸變的主振頻率主要為25 Hz和50 Hz，是典型的1/2分頻鐵磁諧振，與實際錄波曲線一致。

由以上的實際錄波曲線和仿真曲線可得該變電站TV燒損爆炸原因和激發條件為2號電抗器故障跳閘。其原因是1號主變66 kV側產生1/2分頻鐵磁諧振。

3 消諧措施

a． 選用勵磁特性好的電壓互感器

圖10 1號主變低壓側C相電壓仿真曲線傅里葉頻譜分析結果

TV產生諧振的根本原因是由于其勵磁特性曲線不佳，在諧振過電壓下很快飽和，導致勵磁電流劇增。勵磁特性好的TV，一般的電壓水平不會進入深度飽和區，不易形成諧振的匹配參數。理論上線性度越好的TV越不容易產生諧振，但工藝上實現有一定的困難，一般要求TV在1.9Um

b． 采用系統中性點經消弧線圈接地方式

系統中性點經消弧線圈接地，能補償接地電流熄滅電弧，消弧線圈能完全消除因電磁式TV參數變化引起的電網鐵磁諧振［5］。系統中性點經消弧線圈接地相當于在TV每一相勵磁電感上并聯1個電感，由于消弧線圈的電感值比TV勵磁電感小很多，相當于將TV等效零序電感短路，打破了參數匹配關系，使其不易產生諧振。

c． 采用電容式電壓互感器

采用電容式電壓互感器從根本上消除了產生諧振的條件［6］，防止產生諧振。

d． 采用二次消諧［7］

圖9 1號主變低壓側三相電壓錄波曲線頻率顯示圖

在開口三角回路加裝阻尼電阻 (有固定電阻和電子型)。電子型是目前普遍采用的微機型消諧器，其原理是電壓互感器發生鐵磁諧振時，中性點產生位移，使三相電壓不對稱，互感器飽和，出現零序磁通，高壓繞組流過零序電流，在開口三角兩端感應零序電壓，接有電阻時，則有零序電流流通。這個電流是對高壓繞組中的零序電流所建立的磁通起去磁作用。二次零序電流越大，去磁效果越好，短接時效果最好，如果長期處于短接狀態，則可能不發生諧振。因此，利用可控硅，在發生諧振時，由CPU采集數據，超過正常電壓值后可控硅導通，使諧振瞬間消除。諧振消失后，可控硅又恢復阻斷狀態。

［1］ 王林峰．電磁式電壓互感器的諧振及主要限制方法 ［J］．河北電力技術，2003，22(1):15－17．

［2］ 梅成林，張超樹．電壓互感器鐵磁諧振分析 ［J］．電網技術，2008，52(s2):311－313．

［3］ 雷 娟，郭 潔，高 媛，等．鐵磁諧振仿真模型的探討［J］．電瓷避雷器，2007，50(4):33－37．

［4］ 葛 棟，魯鐵成，王 平．配電網鐵磁諧振消諧機理仿真計算研究［J］．高電壓技術，2003，29(11):15－17．

［5］ 孫 杰，朱福橋．鐵磁諧振分析及其防治［J］．電氣時代，2007，27(12):74－75．

［6］ 劉占榮，韓 敏．一種消除電磁式電壓互感器鐵磁諧振方法的探討與實踐 ［J］．高壓電器，2006，42(4):317－318．

［7］ 戴憲濱．電磁式電壓互感器鐵磁諧振及消諧方法的分析［J］．電氣開關，2010，48(1):4－5．