电力系统铁磁谐振的产生及消除措施

【摘要】铁磁谐振过电压是一种常见的内部过电压，多发生在中性点不直接接地的配电网中，在中性点直接接地的电网中也时有发生，谐振时的过电压和过电流，严重影响了系统安全运行。本文就其原理、检测方法以及消除措施作了简单的探究。

【关键词】电力系统铁磁谐振产生消除

中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：

一、电力系统铁磁谐振原理

电磁式电压互感器正常工作时，低压侧的负荷很小，接近空载，高压侧具有很高的励磁阻抗，在受到某些大的冲击或扰动干扰时，如中性点不接地系统非同期合闸，或者在接地故障消失之后，电磁式电压互感器因瞬间过电压而发生铁芯饱和，电压互感器电感的非线性效应使励磁电流的波形发生畸变，将工频电源能量转化为谐波能量，由此产生的谐波会成为引发谐振的谐波源，电压互感与导线对地电容或其它设备的杂散电容间形成了单相或三相谐振回路，并激发起谐波的铁磁谐振过电压。由于回路参数及外界激发条件的不同，可能造成分频、工频或高频铁磁谐振过电压。三相电网各相导线之间及各相对地之间，沿导线全长都分布有电容。当中性点不接地电网发生单相接地故障时，故障相的对地电容为零，另外两相的对地电压升高到1.732倍。相电压升高若未超过安全电压设计的绝缘强度，但是会导致其对地电容的增加，单相接地时电容电流为正常运行时一相对地电容电流的3倍。当该电容电流较大时，较易引起间歇电弧，对电网的电感和电容的震荡回路产生过电压，其值可达2.5到3倍的相电压。电网电压越高，由其引起的过电压危险越大。

相关研究表明，电磁式电压互感器饱和引起铁磁谐振过电压的有如下几个必要条件:

(1)电源变压器中性点不接地，包括经消弧线圈接地时消弧线圈脱离运行的情况，电压互感器中性点接地，电压互感器伏安特性较差。

(2)电网参数和互感器参数的不利组合。

(3)有强烈的冲击扰动发生，如断路器合闸；雷击线路引起单相瞬间接地；持续性单相接地故障的切除以及来自另一高压绕组的传递过电压等。

在中性点不接地系统中，常在母线上接一次绕组为星形连接，中性点接地的电磁式电压互感器PT，如图1所示。

图1 中性点不接地系统的TV带有Yn连接的三相电路

C0为各相导线及母线等的对地电容，设C0与各相励磁电感并联后的导纳分别为YA、YB、YC，在正常运行时，互感器TV的参数对称，即LA=LB=LC，YA=YB=YC。通常由于TV的励磁电感较大，铁心不饱和时XL>XC。两者并联后为一等值电容，即YA=YB=YC=jωC，故不会产生过电压。

当系统发生故障或受到外界的干扰时，如TV突然合闸、线路单相接地等，TV的绕组受励磁的激发而饱和，又由于三相绕组L饱和的程度不同，造成YA≠YB≠YC，这必然导致中性点位移电压，它可以是工频电压，也可以是分频或高频电压。

二、铁磁谐振检验

1、检验原理

在铁磁谐振发生时，电流基频分量小，且有较高的尖峰脉冲。利用傅里叶算法，计算电流的工频分量幅值IfN。当基频分量小于阈值ISET1且电流瞬时值大于阈值ISET2时，启动检测算法。

利用求解间断角占空比的方法来求解铁磁谐振尖顶波的特性。如图2所示，比较电流绝对值大于和小于阈值ISET3的时间，当T1/T2和T1/T2均小于设定值K的时候，则判定T1时段对应的为尖顶波。为了保证算法的可靠性，当连续判定波形为尖顶波之后，才确定发生了铁磁谐振。

图2 间断角示意图

2、模式识别

铁磁谐振有多种模式，主要为基频模式，分频模式，类周期模式和混沌模式。根据电流尖峰脉冲的时间间隔，可以判断各种谐振的类型。基频模式两个尖顶的时间间隔为工频周期T，而1/N次分频谐振模式的两个尖顶波的时间间隔为工频周期的N倍。类周期模式有两个基本频率，尖顶波间隔不固定，但是分布较为稳定。而混沌模式的尖顶波之间的时间间隔完全没有规律。根据以上规律，可以通过统计尖顶波的时间间隔的规律，来确定谐波的类型。

3、干扰排除

对以上铁磁谐振检验方法可能造成干扰的现象有励磁涌流、过励磁时等情况。在这些情况下，铁芯也到达饱和，电流也具有尖峰脉冲的特性。励磁涌流发生在空投变压器和变压器区外短路切除后。而当空投变压器存在并联运行的变压器时，则可能产生和应涌流。和应涌流是在合闸变压器涌流持续一段时间后发生的，并且涌流持续时间较单台变压器长很多。励磁涌流的波形具有以下特点：

（1）偏向时间轴的一侧，含有较大的直流分量；

（2）波形是间断的，间断角很大，一般大于60度；

（3）在一个周期内正半周波和负半周波不对称；

（4）含有较大的二次涌流分量；

（5）励磁涌流是衰减的。

而铁磁谐振发生在变压器空载、轻载或者是变压器断开去电的过程中，与励磁涌流的发生时间不同，相比之下典型的特征为：

（1）电流波形一般为对称结构；

（2）电流波形周期可能为工频周期，也可能为工频周期的N倍，例如分频谐振模式；而励磁涌流波形都为基频；

（3）较长时间稳定存在，衰减慢；

（4）电压波形畸变，而励磁涌流时电压波形不发生畸变。

由以上分析，励磁涌流只会和基频铁磁谐振发生混淆。可以采用波形对称方法来区分铁磁谐振和励磁涌流。检验波形的正负尖峰脉冲，只有当正负尖脉冲接替出现的时候，才判定发生了铁磁谐振。对于励磁涌流，电流中只有正的或者负的尖峰，因此不会影响判断。

变压器由于电压过高或者频率过低将导致过励磁。过励磁电流中的五次谐波分量较高，而基频铁磁谐振的三次谐波较高，这是最显著的不同点，可以用来闭锁。另外，过励磁的尖峰比较宽，而铁磁谐振的尖峰非常窄，可以通过占空比的阈值设定达到排除干扰。

三、铁磁谐振防治的措施

在中性点不接地系统中，为了抑制铁磁谐振，可以采取多种抑制措施，下面是几种可以参考的方法：

(1)选用伏安特性较好的、不易饱和的TV，可明显降低产生谐振的概率，或选用电容式电压互感器，它不存在饱和的问题；

(2)尽量减少系统中中性点接地的电压互感器数，增加互感器中的等值总感抗；

(3)增大对地电容。母线侧装设一组三相对地电容器，或利用电缆段代替架空线段，以增加对地电容；

(4)采取临时措施。可在发生谐振时，临时投入消弧线圈，也可以按事先方案投入某些线路或设备，以改变电路参数。

(5)电网的中性点经过消弧线圈接地后，相当于在电压互感器每一相电感上并联一个消弧线圈的电感，因消弧线圈的电感远小于电压互感器相对地的电感，完全打破了参数匹配的关系，谐振过电压就不会产生了。

(6)在零序回路中接入阻尼电阻。零序回路中接入阻尼电阻的方法有两种:第一种在TV的开口三角绕组中短时接入电阻R0第二种在TV一次绕组中性点对地接入电阻R0(即消谐电阻)。

这里采用中性点经消弧线圈接地的措施来达到抑制谐振的目的，在母线上装设Z型接线的接地变压器，引出中心点来加接消弧线圈，正常运行时接地变压器承受对称的电压，仅流过很小的励磁电流，处于空载运行状态，其中性点对地电位差为零，此时消弧线圈没有电流流过。当某相发生接地短路时，三相不对称产生零序电压，汇合后流经消弧线圈入地。它所产生的感性电流补偿了接地电容电流，消除了接地点的电弧，使谐波电流大幅度降低，从而起到了抑制谐振的作用。消弧线圈的容量很大，励磁阻抗比PT的励磁阻抗小得多，此时它相当于单相接地故障消除后电压互感器的高压侧绕组被暂时短接，低频的饱和电流通过消弧线圈流入大地，这样就可以避免PT过电流而造成熔丝烧断或PT烧毁。

图3 加消弧线圈后a相电压

图4 加接消弧线圈后开口三角电压

图5 加消弧线圈后a相电流

由上图可知，由于消弧线圈的作用，抑制了母线电压振荡，使谐波较快地消减，并且PT产生的过电压和过电流也比较低，因为这些优点，所以加消弧线圈成为消除中性点不接地系统铁磁谐振的实用方法。

结束语

本文通过对中性点不接地系统中，由于单相接地故障发生的铁磁谐振进行了仿真，分别对铁磁谐振的三种类型进行了频谱分析，对发生铁磁谐振时的谐波构成有了直观的认识，最后采用了中性点接消弧线圈的方法，从仿真的结果看出，中性点接消弧线圈接地得到了良好的消谐效果。

参考文献

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