关于电力系统中的铁磁谐振探讨

关于电力系统中的铁磁谐振探讨

本文主要论述了电力系统中的铁磁谐振产生的主要原因、发生谐振时的现象、危害以及消除谐振的办法

　　关键词:铁磁谐振;中性点不接地系统;电压互感器;电容;电感

　　前言：近年由于泸州电网的快速发展、再加上今年又是电网建设年，泸州电网也进行了大量的改造和扩建工程，大到500kV、小到10kV配网都有较大的变化，使得整个网络变得更加复杂、灵活、坚强。但就是因为电网结构的较大变化(如中低压电网的扩大，出线回路数增多、线路增长，电缆线路的逐渐增多，中低压电网对地电容电流亦大幅度增加等)以前电网中少有发生的铁磁谐振现象，现在却时有发生，由于谐振时会产生过电压，给电网安全造成了积大的威胁，如不采取有效的消除措施，可能会造成设备损坏、甚至还会诱发产生更为严重的电力系统事故。下面就电网中的铁磁谐振谈谈我个人的认识、见解。

　　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(如遭雷击、单相接地故障消失过程以及开关操作等)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(含保护整组传动联跳)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，即串联谐振，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谐振由于谐振波仅局限于变电站空载母线范围内，也称其为变电站空母线谐振。

　　2.铁磁谐振的现象

　　2.1铁磁谐振的形式及象征

　　2.1.1基波谐振： 一相对地电压降低，另两相对地电压升高超过线电压;或两相电压降低、一相电压升高超过线电压、有接地信号发出。

　　2.1.2分次谐波： 三相对地电压同时升高、低频变动

　　2.1.3高次谐波： 三相对地电压同时升高超过线电压

　　2.2串联谐振的现象：线电压升高、表计摆动，电压互感器开口三角形电压超过100V

　　3.铁磁谐振产生的原因及其分析

　　3.1铁磁谐振产生的原因：

　　3.1.1有线路接地、断线、断路器非同期合闸等引起的系统冲击

　　3.1.2切、合空母线或系统扰动激发谐振

　　3.1.3系统在某种特殊运行方式下，参数匹配，达到了谐振条件

　　3.2串联谐振产生的原因：进行刀闸操作时，断路器隔离开关与母线相连，引发断路器端口电容与母线上互感器耦合满足谐振条件

　　3.3电力系统铁磁谐振产生的原因分析

　　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对铁磁谐振原因进行分析。

　　3.4简单的铁磁谐振电路中谐振原因分析

　　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。

　　3.5电力系统铁磁谐振产生的条件

　　电力系统中许多元件是属于电感性的或电容性的，如电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈为电感元件，补偿用的并或串联电容器组、高压设备的寄生电容为电容元件，而线路各导线对地和导线间既存在纵向电感又存在横向电容，这些元件组成复杂的LC 震荡回路，在一定的能源作用下，特定参数配合的回路就会出现谐振现象。由于铁芯电感的磁通和电流之间的非线性关系，电压升高导致铁芯电感饱，极容易使电压互感器发生铁磁谐振。在中性点不接地系统中，如果不考虑线路的有功损耗和相间电容，仅考虑电压互感器电感L 与线路的对地电容Co ,当C大到一定值，且电压互感器不饱和时，感抗XL大于容抗XCo。而当电压互感器上电压上升到一定数值时，电压互感器的铁芯饱和，感抗XL小于容抗XCo，这样就构成了谐振条件，下列几种激发条件可以造成铁磁谐振：

　　3.5.1电压互感器的突然投入;

　　3.5.2线路发生单相接地;

　　3.5.3 系统运行方式的突然改变或电气设备的投切;

　　3.5.4系统负荷发生较大的波动;

　　3.5.5 电网频率的波动;

　　3.5.6负荷的不平衡变化等。

　　电压互感器的铁磁谐振必须由工频电源供给能量才能维持下去如果抑制或消耗这部分能量，铁磁谐振就可以抑制或消除。在我国6—10KV 配电网内，发生互感器引起的谐振过电压情况甚为频繁，每到雷雨季节，熔断电压互感器保险的情况频繁发生。

　　3.6 中性点不接地系统铁磁谐振产生的原因

　　中性点不接地系统中，为了监视绝缘，发电厂、变电所的母线上通常接有Yo接线的电磁式电压互感器，由于接有Yo接线的电压互感器，网络对地参数除了电力导线和设备的对地电容Co外，还有互感器的励磁电感L，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*金属通道。正常运行时，三相基本平衡，中性点的位移电压很小。但在某些切换操作如断路器合闸或接地故障消失后，由于三相互感器在扰动后电感饱和程度不一样而形成对地电阻不平衡，它与线路对地电容形成谐振回路，可能激发起铁磁谐振过电压。电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压是中性点不接地系统中zui常见和造成事故zui多的一种内部过电压。在实际运行设备中，由于中性点不接地电网中设备绝缘低，线树矛盾以及绝缘子闪烙等单相接地故障相对频繁，一般说来，单相接地故障是铁磁谐振zui常见的一种激发方式。

　　3.7 中性点直接接地系统铁磁谐振产生的原因

　　若中性点直接接地，则电压互感器绕组分别与各相电源电势相连，电网中各点电位被固定，不会出现中性点位移过电压;若中性点经消弧线圈接地，其电感值远小于电压互感器的励磁电感，相当于电压互感器的电感被短接，电压互感器的变化也不会引起过电压。但是，当中性点直接接地或经过消弧线圈接地的系统中，由于操作不当和某些倒闸过程，也会形成局部电网在中性点不接地方式下临时运行。在中性点直接接地电力系统中，一般铁磁谐振的激发因素为合刀闸和断路器分闸。在进行此操作时，由于电路内受到足够强烈的冲击扰动，使得电感L 两端出现短时间的电压升高、大电流的震荡过程或铁心电感的涌流现象。这时候很容易和断路器的均压电容Ck一起形成铁磁谐振。

　　4.铁磁谐振对电力系统安全运行的影响

　　通过以上分析，我们就能够明白，当线路发生单相接地或断路器操作等干扰时，造成电压互感器电压升高，三相铁芯受到不同的激励而呈现不同程度的饱和，电压互感器的各相感抗发生变化，各相电感值不相同，中性点位移产生零序电压。由于线路电流持续增大，导致电压互感器铁芯逐渐磁饱和，当满足ωL=1/ωC时，即具备谐振条件，从而产生谐振过电压，其造成的主要影响如下：

　　4.1中性点不接地系统中，其运行方式的主要特点是单相接地后，允许维持一定的时间，一般为2h不致于引起用户断电。但随着中低压电网的扩大，出线回路数增多、线路增长，电缆线路的逐渐增多，中低压电网对地电容电流亦大幅度增加，单相接地时接地电弧不能自动熄灭必然产生电弧过电压，一般为3—5倍相电压甚至更高，致使电网中绝缘薄弱的地方放电击穿，并且在过电压的作用下极易造成第二点接地发展为相间短路造成设备损坏和停电事故，严重威胁电网安全运行。

　　4.2在发生谐振时，电压互感器一次励磁电流急剧增大，使高压熔丝熔断。如果电流尚未达到熔丝的熔断值，但超过了电压互感器额定电流，长时间处于过电流状况下运行，必然造成电压互感器烧损。

　　4.3谐振发生后电路由原来的感性状态转变为容性状态，电流基波相位发生180°反转，发生相位反倾现象，可导致逆序分量胜于正序分量，从而使小容量的异步电动机发生反转现象。

　　4.4产生高零序电压分量，出现虚幻接地和不正确的接地指示。

　　5.常用的消谐方法及优缺点

　　多年来，国内外专家学者对铁磁谐振做了大量研究，在理论分析方面，前人进行了大量卓有成效的工作，阐明了这类非线性谐振问题中所蕴含的不同于线性谐振的丰富内容，给我们提供了坚实的理论基础。一般来讲，消谐应从两方面着手，即改变电感电容参数以破坏谐振条件和过吸收与消耗谐振能量以抑制谐振的产生，或使其受阻尼而消失。下面是常用的消谐方法。

　　5.1中性点不接地系统常见的消谐措施

　　5.1.1 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1.5 Ue，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。

　　5.1.2 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。通过对两种典型伏安特性的铁芯电感进行模拟试验。试验结果表明，谐振区域与阻抗比XCo/XL有直接关系，对于1/2分频谐振区,阻XCo/XL 约为0.01~0.08;基波谐振区，XCo/XL约为0.08~0.8;高频谐振区，XC0/XL约为0.6~3.0。当改变电网零序电容时，XCo/XL 随之改变，回路中可能出现由一种谐振状态转变为另一种谐振状态。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。

　　5.1.3 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*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，

　　5.1.4 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。

　　5.1.5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

　　5.1.6 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;*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。

　　5.2中性点直接接地系统谐振消除方法及优缺点

　　5.2.1尽量保证断路器三相同期、防止非全相运行。

　　5.2.2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。

　　5.2.3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。

　　5.2.4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。

　　5.2.5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。

　　5.2.6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。

　　5.2.7采用光纤电压互感器，可以有效地消除谐振。价格较高, 还需要在现场中进一步实验。

　　6.从运行操作方面去防止谐振的发生

　　以上是从设备、技术方面考虑，我们还要从运行操作方面去防止谐振的发生。

　　6.1控制XcE/XL的比值，尽量躲开谐振区。

　　6.1.1 当XCo/XL≤0.01或XCo/XL≥3时不产生铁磁谐振

　　6.1.2 当运行相电压Up除以额定电压Un等于0.58时极易发生分频或基波铁磁谐振。

　　6.1.3 改变运行方式，以改变网络参数，消除谐振

　　6.1.4 当电压互感器的XL一定时，增加对地电容Co，XCo将减小，XCo/XL的比值也随之减小，是防止铁磁谐振发生的有效方法。倒闸操作中增加Co的方法一般有:外接电容、介入空载线路或空载变压器、介入电缆线路、拉母联或分段断路器等。

　　6.2控制电源电压、降低铁磁谐振的工作点，使Up/Ue≠0.58。

　　6.3注意倒闸操作中的操作步骤。

　　6.3.1 当参数处在串联谐振范围时，母线停电的操作顺序：先拉母线电压感器，以切断L，再拉母联断路器，送电时顺序相反;如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时，为防止合上两侧刀闸后因断开电容的耦合作用有可能与空母线电磁式电压互感器产生串联谐振，应先合上开关，后合电压互感器刀闸，如属新安装的电磁式电压互感器投产时应考虑带上互感器对母线充电。

　　6.3.2 电源向母线升压时，先合断路器，使C短接，再升压;

　　6.3.3 当母差保护动作跳闸时，是一条母线停电，也要及时拉开母联断路器的隔离开关或母线TV的隔离开关，以切断L-C回路。

　　6.3.4 运行中注意监视备用母线的情况，发现异常，及时进行处理。热备用母线，如发现母线电压又指示时，应首先考虑是否发生了串联铁磁谐振。，此时应尽快合上母联断路器将C短接或拉开TV隔离开关;如在系统运行方式和倒闸操作过程中出现了开关断口电容与空母线电磁式PT造成的串联谐振，不管是合开关时出现的谐振过电压，还是拉开关后出现的谐振过电压，zui直接有效的办法是迅速拉开或合上主开关或母联开关。如上述措施无法实现时，应迅速汇报调度，合上备用线路开关。由于谐振时电压互感器一次绕组电流很大，应禁止用电压互感器或直接取下一次侧熔断器的方法来消除谐振。

　　6.3.5 当变压器向接有TV的空载母线合闸充电时，应将变压器中性点接地或经消弧线圈接地。

　　6.3.6 系统发生并联谐振时，应瞬间短接TV开口三角形绕组，有时也可以消除谐振，尤其是分频谐振特别有效。

　　7.结束语

　　为防止电力系统中发生铁磁谐振，杜绝铁磁谐振给电网带来的不安全影响，作为从事电网调度工作的我更是义不容辞的责任，这需要我们在工作中一点一滴地做起，确实为保证电网安全运行、共创和谐社会做出更多努力。