供电系统铁磁谐振的产生条件及消除防范措施

1、供电系统铁磁谐振的产生条件及消除防范措施 0引言我国的中压配电网大多为中性点不接地方式，为了监测变电站母线的线电压及各相的对地电压, 通常需在其配电母线接装电压互感器（Potential Transformer 简称PT ），其一次绕组须为星形连接且其中性点须直接接地。当系统发生故障或异常时可能会使PT 某相端部对地电压升高很多，对于目前普遍使用的电磁式PT 来说在电压升高的过程中PT 励磁电感的非线性特性会使该电感与系统对地电容形成参数匹配, 发生铁磁谐振，造成系统的过电压和PT 绕组的过电流, 导致PT 入口的高压培断器培断甚至PT 爆炸等事故，严重影响系统的安全运行，在中性点不接地配电系

2、统中, 当线路对地电容与PT 铁芯电感参数相匹配时, 会发生高频谐振、基频谐振、分频谐振, 出现最多的是分频铁磁谐振。由于分频谐振发生的频率最高, 最容易激发, 且谐振区域大, 而且其危害最大。这里红岩变至九顶山线路（简称“天红九线”）发生单相接地故障产生铁磁谐振导致九顶山35KV 变电站电压互感器击穿为例，阐述电力系统铁磁谐振产生的原因及机理，并提出相应的防范措施。1铁磁谐振产生的特征、机理及原因1.1 铁磁谐振的分类及谐振特征在电力系统中，三相铁磁谐振主要是因为电压互感器带铁心的非线性电感引起的，当其接在三相交流电源上时，就可能产生不同频率的谐振，可以是频率为50Hz 的基波谐振，或是频率

3、为 2 次、3次、5次谐波的高频谐振，也会是频率为 1/2、1/3、1/5的分频谐振。振荡回路的等值电感 0L 和等值电容0C 决定了发生谐振的频率0f ，从 2/(1000C L f =可以得出，电压互感器的感抗L X 和系统对地电容的容抗cn X 两者的比L cn X X /决定着系统中发生铁磁谐振的不同频率。铁磁谐振过电压在一定的情况下可自激产生，但大多需要有外部激发条件，回路中事先经历过足够强烈的过渡过程的冲击扰动，逐渐发展成铁磁谐振过电压。电磁式电压互感器高压侧具有很高的励磁阻抗，而低压侧负荷很小，基本接近空载，在一些接地故障消失后，或是一些倒闸操作中(中性点不解地系统的非同期合闸

4、，设备的杂散电容或导线的对地电容会和非线性电感组成单相或三相谐振电路，从而导致系统产生含各种谐波的铁磁谐振过电压。不管是何种频率的谐振，其过电压产生的原因都在于中性点出现了位移过电压。中性点不接地系统中, 母线上经常会有接线方式是高压侧为星形连接、中性点接地的电磁式电压互感器，其等值电路图如图1-1所示。上图中，C B A E E E , , 为对称的三相电势0C 为母线和各相导线的对地电容，321, , L L L 为PT 的的三相非线性电感，R 为阻尼电阻。设三相电容和电感并联后的导纳值分别为321, , Y Y Y 。正常情况下, 电感的阻抗值大于电容，所以二者并联后相当于一个等值电容。

5、又稳态运行时三相参数对称，故并联后的导纳也相等，即C j Y Y Y =321，此时系统不会产生谐振。 3图1三相等值电路图由于系统中性点不接地，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。正常运行时，PT 的励磁阻抗很大，每相对地阻抗呈容性，三相基本平衡，系统中性点O 的位移电压很小。当系统发生单相接地时，故障点会流过电容电流，非故障相的相电压升高至线电压, 其对地电容上会充以与线电压相对应的电荷。在接地故障期间，此电荷产生的电容电流以接地点为通路，在电源-导线-大地间流通。由于PT 的励磁阻抗很大，其中流过的电流很小，一旦接地故障消失，电流通路就会被断开。而非故障

6、相在接地期间己经充电至与线电压对应的电荷，这些电荷中有一部分通过PT 高压绕组，经其中性点进入大地。在这一瞬变过程中，母线侧PT 高压绕组中将会流过比其额定励磁电流高数百倍的低频饱和电流，导致PT 铁芯严重饱和。从而使PT 励磁阻抗急剧下降，与线路对地电容参数匹配，形成谐振回路，激发起铁磁谐振过电压。根据图1等值电路，由电路第一定律得中性点电压：321321Y Y Y Y E Y E Y E U C B A o +-= (1 文献1详细分析了一相（两相）轻度和严重饱和情况下的中性点位移电压情况。当暂态过程使得A 相电压升高B C 、相降低时，过高的A 相电压使得1L 线圈饱和而电感值降低而2L

7、 ，3L 不变，设2301=L L L L >，三相不再平衡，中性点电压出现位移，此时0U 为式（2）。要使变化的电压稳定必须满足0U 与A E 同相位，且0A C B I I I +=, 相量图如图2（a ），中性点' O 点移动到三角形外。10001011123( A L L U E C L L -=-+ (2A BBC B (a A 相电压升高 (b B 、C 相电压升高图 2 不同条件下的电压、电流相量图当扰动使得B C 、两相电压升高而A 相电压减低时，23L L ，饱和而1L 不变，此时的中性点电压由式（3）所示，此时A 相导纳为容性，B C 、相为感性，其相量图如图

8、2（b ）。20001011123( A L L U E C L L -=-+ (3 常见的使电压互感器产生严重饱和的情况有：电源突然合闹到母线上，使接在母线上的PT 某一相或两相绕组出现较大的励磁涌流，导致PT 饱和；由于雷击或其他原因使线路发生瞬间单相电弧接地，使系统产生直流分量，而故障相接地消失时，该直流分量通过PT 绕组释放能量，引起PT 饱和；传递过电压，如高压绕组侧发生单相接地或不同期合闹，低压侧的过电压传递至高压侧使PT 饱和。其中，单相接地故障消失引起PT 饱和是最常见的铁磁谐振激发方式2。铁磁谐振的危害：(1谐振能量会导致持续过电压(包括相间过电压或相对地过电压 ，过电压致使

9、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，严重烕胁电网安全运行。(2谐振的热效应或绝缘崩淸引起电气设备损坏：变压器或感抗长期的连续噪音；空载状况下，变压器过热；PT 高压侧焰丝溶断甚至PT 本身会被烧毁。(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中性点电压偏移导致母线电压指示不正常或出现接地信号(PT开口三角电压达到或超过100V ，保护装置误动作，会造成值班人员的误判；(5事故初期时事故表象

10、不明显，分辨困难；(6事故的破坏性强，对安全威胁大。鉴于铁磁谐振的频繁性和危害性，多年来，专家和学者在研究其基本原理检测方法同时，一直也在致力于防止和消除铁磁谐振的措施的研究。根据铁磁谐振的现象特征和发生的机理，主要在以下三方面进行采取措施：(1改变电感、电容参数，使其不满足谐振条件。例如：增大电容，回路需要更强烈的过渡过程才能激发谐振的发生。补偿电网的消弧线圈再投入，破坏谐振条件，谐振立即消失。(2消耗谐振能量，增大阻尼，抑制谐振发生。在系统中串联合适的电阻，消耗谐振能量。但是电阻的接入必须满足一定条件：不影响原系统的正常运行；阻尼有效，具有足够的热容量和较长的寿命；不会引起绕组过热；设备正

11、常运行时，绝缘上不会出现危险的过电压。(3设计时改变系统的接地方式或运行中临时进行倒闸操作破坏铁磁谐振发生条件。 在实际中常应用到的措施主要有以下几个：(1一次消谐阻尼器：在PT 的一次侧中性点与地之间串联一个非线性电阻， 正常运 行下，电阻阻值高达几百千欧，较高的阻尼作用，在最初状态不易发生铁磁谐振。发生谐振后，该电阻减小，在很短的时间内消除铁磁谐振。微机消谐装置：安装在电压互感器的开口三角处，也叫二次消谐。系统正常运行或其他故障时，装置不动作。当铁磁谐振发生时，并联在开口三角的两个晶闸管导通，用以阻尼和限制铁磁谐振。装置启动后，晶闸管全部导通，并呈低阻态，消除铁磁谐振。(24TV消谐法3：

12、在电压互感器一次侧的中性点串联一个单相电压器，也就是加装零序电压互感器，与其他三相电压互感器构成4TV ，其接线方式如图3所示。图中，P1为一次线圈，P2为二次辅助线圈，P3为二次线圈，P4和P5为零序互感器的一、二次线圈，YJ 为接地继电器。该方法相当于在中性点处接入一个高阻抗，能够很有效的抑制电压互感器的铁心饱和引起的谐振。AB C P2a图3 4TV消谐法(3改善PT 的励磁特性：从根本上解决铁磁谐振的发生问题。选用较好励磁特性的电压互感器，使铁心很难进入饱和区，从而不满足铁磁谐振条件。(4改变系统中性点接地方式：系统采用中性点采用经消弧线圈接地或是经小电阻接地方式。中性点处串联消弧线圈相当于在PT 的每一相励磁电感处并联一个很小的电感，参数不能匹配，不会发生铁磁谐振。中性点经小电阻接地方式中，串联的电阻值越大对铁磁谐振阻尼作用越明显。当电阻趋于无穷大时，相当于中性点绝缘，则不可能发生铁磁谐振。当然，还有其他一些的应用措施，有的变电站还会采用各种方法相结合的抑制措施4。各种不同方法有各自的优缺点，而且也有一定的适用条件。根据系统的不同结构电压等级的不同，采用合适的抑制措施。参考文献1 齐郑，董迪，杨以涵，中性点不接地