浅谈电力系统中的铁磁谐振

【摘要】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：

2009年由于陡河发电厂#1、#2机组关停，6KV厂用系统发生了改变，#1机6KV系统完全退出，将公用设备转接到#2机6KV系统上（改名为：厂用公用6KV A段、公用6KV A段、）工作电源由#3机6KV B段（63B）提供，备用电源由启备变T0提供。某月某日，运行人员操作启动#3循环泵时（厂用公用6KV A段负荷），电机接线盒处C相单相接地，保护动作跳开开关，同时造成公用段上级6KV母线振荡。某月某日，运行人员操作合中继#1线电源开关时（厂用公用6KV A段负荷），造成公用段上级6KV母线振荡，PT一次保险熔断。下面针对我厂6KV母线谐振及处理方案进行简要分析：

一、概述

我厂6KV母线为中性点不接地系统，由于电磁式电压互感器（TV）激磁特性的非线性，当电压发生波动使系统中电抗接近容抗时，便产生谐振过电压。特别是遇有激磁特性不好（易饱和）的TV及系统发生单相对地闪络或接地时，更容易引发谐振过电压。轻者令到TV的熔断器熔断、匝间短路或爆炸；重者则发生避雷器爆炸、母线短路、厂用电失电等严重威胁电气设备运行安全的事故。

二、铁磁谐振的现象

1、铁磁谐振的形式及特征

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）分次谐波：三相对地电压同时升高、低频变动

3）高次谐波：三相对地电压同时升高超过线电压

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

三、铁磁谐振产生的原因及其分析：

1、铁磁谐振产生的原因：

1）有线路接地、断线、断路器非同期合闸等引起的系统冲击（合#3循环泵）

2）切、合空母线或系统扰动激发谐振（合中继#1线）

3）系统在某种特殊运行方式下，参数匹配，达到了谐振条件

2、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、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，系统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唯一金属通道。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最常见和造成事故最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，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最常见的一种激发方式。

四、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，当系统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。由于系统电流持续增大，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：

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2小时。但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，致使系统中绝缘薄弱的设备放电击穿，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。

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。

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、产生高零序电压分量，出现虚幻接地和不正确的接地指示。

五、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。

1、中性点不接地系统常见的消谐措施

1.1 采用励磁特性较好的电压互感器

1.2 在母线上装设中性点接地的三相星形电容器组。

1.3 电流互感器高压侧中性点经电阻接地。

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。