电力系统铁磁谐振过电压实例分析

【摘要】本文结合运行工作中遇到的几起铁磁谐振过电压实例造成的危害，简单地说明了谐振产生的一些条件、现象及其破坏性，希望能给今后的工作作出一些借鉴，在生产中的各个阶段和方面引起有关的重视和注意，以减少我们的损失。

【关键词】铁磁谐振；过电压

【中图分类号】TM40 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）09-0266-01

电力系统中包含有许多电感、电容元件，其中铁芯电感元件如发电机、变压器、电压互感器、消弧线圈和并联补偿电抗器等多是非线性元件，电容元件如输电线路的对地及相问电容及各种高压设备的电容等，它们的组合可以构成一系列不同自振频率的振荡回路，如果满足一定的条件，如开关操作或发生故障时，这些振荡回路就有可能与外加电源产生谐振现象，导致在系统中的某些部分（或元件）上激发起严重的持续时间较长的谐振过电压。通常情况下，这种谐振过电压会对电力系统的设备绝缘或元器件本身造成严重的损害，因此，有必要对其加以研究并采取措施加以避免和消除，一般的方法是破坏谐振条件。

1.谐振的一般现象及其危害性

所谓谐振，是指振荡系统中的一种周期性的或准周期性的运行状态，其牲是某一个或几个谐波幅值的急剧上升。复杂的电感，电容电路可以有系列的自振频率，而电源中也往往含有一毓的谐波，因此只要某部分电路的自振频率与电源的谐波频率之一相等（或接近）时，这部分电路就会出现谐振现象。在通常情况下，串联共振现象会在电网的某一部分造成过电压，以危及电气设备的绝缘，还可能产生过电流而烧毁设备，而且还能影响过电压保护装置的工作条件，如影响阀型避雷器的来弧条件等。

电力系统中的有功负荷是阻尼振荡和谐振过电压的有利因素，因此通常只是在空载或轻载下发生谐振，但是，对由于中性点出现位移电压、同时零序回路参数配合不当而形成的谐振现象，系统的有功负荷将不起作用。

在电力系统中更常见到的是铁磁谐振产生的过电压（过电流），其对电力系统设备的损坏是不容忽视的，造成的后果可能非常严重。

2.几例铁磁谐振的实例及其分析

以下几起实例均为在实际运行中见到的铁磁谐振现象，因无有效的测量手段，无法进行定量的计算分析，只能根据现象进行一些定性的分析。

①开关断口电容与母线电压互感器之间的串联谐振过电压

当母线较短，且接有电磁式电压互感器，母线在空载充电状态下，当线路开关断开，则线路上的电源电压作用于开关的断口并联电容和电压互感器上。此时可能会引起串联谐振。本例接线图如图1：

谐振现象是：当接在母线上的两台线路开关同时处于热备用状态时，出现谐振，此时系统电压出现异常，而且能听到异常的“嗡嗡”声。根据判断，此时为开关断口电容与母线电压互感器之间产生谐振，也有可能是两条线路与开关断口电容产生线性串联谐振。所幸的是发现较早，时间较短，及时地采取措施破坏了谐振条件，消除了谐振，除当时造成系统电压的异常外，没有造成设备损坏。避免这一现象的措施是：只需保证两开关不同时在热备用状态即可，因此在正常运行中规定操作中不允许出现两开关同时热备的过程。

②各相不对称断开时的谐振现象

线路只断开一相或两相的情况叫作不对称断开。例如当线路的一根导线断线（这种断线有时还伴有断开导线的一端接地）；由于短路和其他原因使一相或两相的熔断器熔断；开关各相动作不同步等等。运行经验表明，当线路末端接有中性点绝缘的空载或轻载变压器时，不对称断开可能引起铁磁谐振过电压。若变压器中性点直接接地，强制将中性点电位钳制在零，则不会产生此种类型的过电压。本例接线图如图2：

③在中性点不直接接地系统中，电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压

电压互感器通常接地变电所或发电机的母线上，其一次侧绕组接成星形，中性点直接接地，在正常运行条件下，三相对地负荷是平衡的，电网的中性点处在零电位，即不发生位移现象。但是当电网发生冲击扰动时，如空母线带PT充电，或线路中发生瞬间的弧光接地现象等，都可能使一相或两相的对地电压瞬间提高。此时造成互感器的一相或两相的励磁电流突然增大而发生和，以致于三相对地负荷不平衡了，中性点发生位移电压，如果此时对地三相回路的自振频率与电源的频率接近，就产生严重的串联谐振现象，中性点的位移电压急剧上升，三相导线的对地电压为各相电源电势与位移电压的向量和，向量叠加的结果可能使一相对地电压长高，另外两相降低，也可能使两相对地电压升高，另一相降低，一般后者常见，这就是基波谐振的表现形式。

为了进一步了解上述谐振过电压的危害，以前有人进行了模拟实验，得出如下结论：分次谐波谐振时，过电压并不高，而电压互感器的电流极大，可达30-50倍额定电流，所以常常使电压互感器因过热而爆炸，基波谐振时，过电流并不大，过电压较高，高次谐波谐振时，一般电流并不大，过电压很高，经常使绝缘设备损坏。

④中性点经消弧线圈接地系统中的铁磁谐振过电压

在我国，35KV及以下的电网系统中性点一般是不接地运行的，当线路长度较大，容性电流较大时，不利于开关开断较大的容性电流，为了限制容性电流改善开关的工作条件，一般通过在中性点接消弧线圈补偿感性电流来中和达到目的。在正常情况下，应采取过补偿状态运行，即发生单相接地故障时感性电流大于容性电流，不满足条件时应采用欠补偿，不允许采用全补偿方式运行。全补偿方式在正常运行时因为线路三相参数的不平衡会造成中性点位移电压，而且这个过各是累积的，也就是逐步加大，最后造成中性点位移电压过大，导致系统三相电压出现异常。

在220KV及上电压等级的高压起高压电网中，还存在一些其他的铁磁谐振，其危害更为严重，但因我们工作的区域电网最高电压等级较低，只能见到一些低电压等级电网中的铁磁谐振实例，所以不能较为全面地介绍叙述。

3.防止谐振的必要性及其措施

根据以上所说及一些资料表明，一旦电网中发生谐振现象，产生铁磁谐振过电压，就会对电网的正常运行或电网中的设备造成严重的危害，不利于我们的生产和发展，所以必须采取一定的措施来消除这种不利的影响，保证电网和设备的安全运行。

对于防止谐振的措施，主要是有针对性、有目的性地进行。如果是由不适当的操作引起的，则应该修订操作规定或操作步骤，破坏谐振发生的条件，消除谐振。如果是非人为因素引起的，则应在设备上采取措施来消除。如防止断线过电压的措施有：（1）保证断路器的三相同期动作，避免发生拒动，不采用熔断器设备。（2）加强线路巡视和检修，避免发生断线。（3）如断路器操作后发生异常现象，应即复原和进行检查。（4）在中性点直接接地的电网中，操作时应将负载变压器的中性点临时接地，此时负载变压器的合闸相的绕组电压已被固定，未合闸相则通过三角形的低压绕组感应出一个恒定电压，谐振回路就要破坏。（5）必要时在变压器的中性点装设棒间隙。防止中性点不接地系统电压互感器造成的谐振措施有：（1）选用励磁特性较好的电压互感器或改用电容式电压互感器。（2）在电磁式电压互感器的开口三角形绕组中加装阻尼电阻（或装设消谐器）。（3）在母线上加装一定的对地电容，破坏谐振条件。（4）采取临时的倒闸措施，如投入消弧线圈，将变压器中性点临时接地以及投入事先规定的某些线路或设备等。在有消弧线圈接地的系统中，主要是避免电网的一部分失去消弧线圈运行的可能性和消除消弧线圈运行在全补偿方式下，特别是在运行方式发生改变时更要加强注意。

当发生谐振时，主要是要冷静地分析，判断可能产生谐振的条件，再采取相应的对策，即可消除谐振，保护电网和设备的正常运行。

4.总结

由于理论知识水平和实际工作条件和经验所限，本文只是对运行实践中出现的一些铁磁谐振过电压实例进行了一点简单的现象介绍和概括的定性分析，并未能对谐振产生的机理等重要理论作出解释和发展，但是因为在实际的生产实践中，更重要的是对电网产生危害的事物进行重视和采取相应的对策消除这种危害，所以在此更多的是希望引起有关的重视和注意，在实际工作中遇到类似的问题时，能够有效地、快速地将危害消灭，减少我们的损失。

参考文献

[1]周泽存：《高电压技术》

[2]黄英矩：《电力系统调度运行计算简编》

[3]王世祯主编《电网调度运行技术》