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1、电力系统铁磁谐振过电压产生机理及抑制措施电力系统接地系统分为直接接地系统和不接地系统。直接接 地系统易发生并联谐振，不接地系统在单相接地时易发生串联谐 振，有并联电容器的断路器易发生串联谐振。中性点不接地系统 在进行正常的倒闸操作中，如投入空载母线时，或者线路发生单 相电弧接地故障过程中往往发现母线电压指示不正常，接地指示 误动作，高压熔断器熔断等异常现象，严重时会导致烧毁，继而 引发其它事故。这些现象主要是由于各种激发而使电压互感器和 系统产生铁磁谐振造成的。长期以来，电力系统谐振过电压严重 威胁着电网的安全。特别是对中性点不接地系统，铁磁谐振所占 的比例较大。随着电网的日益发展，中性点不接
2、地系统的铁磁谐 振问题越来越严重，出现的概率也越来越大。1. 电力系统铁磁谐振产生的条件铁磁谐振存在三种情况：直接接地系统对地电容引发的铁磁 谐振；不接地系统的单相接地引起的铁磁谐振；断路器端口并联 的电容形成的铁磁谐振。电力系统中许多元件是属于电感性的，如电力变压器、互感 器、发电机、消弧线圈为电感元件，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，在一定的能量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 致铁芯电感饱和，极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
3、耗和相间电容，仅考虑电 压互感器电感与线路的对地电容C,当C大到一定值且电压互感 器不饱和时，感抗X大于容抗X ；而当电压互感器上电压上升到LC一定数值时，电压互感器的铁芯饱和，感抗X小于容抗X，这样LC就构成了谐振条件，下列几种激发条件可以造成铁磁谐振：（1）当投入电力系统的电力线路长度发生变化时，线路对地 电容与线路电阻发生改变。如空载线路投切操作，对空母线充电， 尤其是短母线进行倒母线时，易产生对地电容引起的并联谐振。（2）当系统运行状态突变，在暂态激发条件下，TV铁芯饱 和,其电感量L处于非线性变化。如有线路瞬间接地，雷电感应 侵入电网，尤其系统出现单相接地，易产生串联谐振。（3）直接
4、因突然投入系统的电容变化而引起谐振。如补偿电 容器的投入，断路器断口打开时的并联电容易产生并联谐振。（4）由于线路分合或运行状态突变时，会产生多次或分次谐 波，从而使发生变化。如拉合刀闸、跌落式熔断器动作等，可 能引起并联或串联谐振。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。2. 电力系统铁磁谐振产生的原因（1）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Y0接线的电磁式电压互感器，由于接有Y0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
5、器的励磁电感L，由于系统中性点不接地，Y0接线 的电磁式电压互感器的高压绕组，就成为系统对地的唯一金属通 道。其谐振原理如图1所示。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PT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或者绝缘子 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。由
6、于早期的电压互感器，在额定电压下铁心就工作在磁饱和 曲线附近，单相弧光接地造成的电压升高，就可能使铁心趋近饱 和，电压互感器的参数会发生变化，这就给铁磁谐振过电压的发 生创造了条件。这跟实际情况也是吻合的，经常发生PT高压保险 熔断的变电站都是早期投运的常规变电站。UX c ozrPT 二次线圈一次线圈辅 助 线 圈图1中性点不接地系统铁磁谐振原理示意图(2) 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
7、，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彳丁。在中性点直接接地电力系统中, 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芯电感的涌流现象。这时候很容易和断路器的均压电容Ck 一起形成铁磁谐振。其谐 振原理如图2所示。辅 助 线 圈Xm一次线U X ckJ卜图2中性点直接接地系统铁磁谐振原理示意图3. 铁磁谐振现象铁磁谐振可以是分次谐波谐振、基波谐振、高次谐波谐振,
8、其表现形式可能是单相、两相或三相对地电压升高，或以低频摆 动，引起绝缘闪络或避雷器爆炸，或产生高值零序电压分量出现 虚幻接地和不正确的接地指示，或者在电压互感器中出现过电 流，引起熔断器中出现过电流，使熔断器熔断或互感器烧损，甚 至可能使小容量的电动机发生反转现象。电力系统中发生不同频率的谐振与基频系统对地电容的容 抗X与电压互感器的感抗X的比值有直接关系:CL(1) 基频谐振当比值X/X接近于1时，发生谐振的谐振频率与电网频率C L相同，故称之为基频谐振。其表现为：三相电压表中指示数值为 两相升高、一相降低，或两相对地电压降低，一相升高；线电压 正常；过电流很大，往往导致电压互感器熔丝熔断，
9、严重时甚至 会烧坏互感器；过电压不超过3.2倍相电压，伴有接地信号指 示，称为虚幻接地现象。(2) 分频谐振当比值X /X较小(在0.010.07)时发生的谐振是分频谐C L振。电容和电感在振荡时能量交换所需的时间较长，振荡频率较 低，表现为：过电压倍数较低，一般不超过2.5倍相电压；三 相电压表的指示数值同时升高或依此轮流升高，并周期性摆动， 线电压正常。(3) 高频谐振当比值X /X较大(在0.552.8)时发生的谐振是高频谐C L振。发生高频谐振时线路的对地电容较小，振荡时能量交换较快。 表现为过电压倍数较高；三相电压表的指示数值同时升高，最 大值可达到45倍相电压，线电压基本正常；谐振
10、时过电流较 小。4. 消除铁磁谐振应采取的措施消除铁磁谐振应采取的措施归纳起来主要有三方面：改变电 容、电感，使其不具备谐振条件，不易激发引起谐振；消耗谐振 能量、增大系统阻尼，抑制或消除谐振的发生；在电力系统设计 方面采取不同的接地方式或运行时采取临时到闸措施。(1)选用励磁特性较好的电压互感器；要彻底解决铁磁谐振问题，最根本的是选用励磁伏安特性好 的电压互感器，在一般过电压水平下不足以进入深度饱和区，因 而够不成谐振的匹配参数。310kV系统中使用的三相五柱式电 压互感器和110kV及以上系统采用的电容式电压互感器，均因好 的伏安特性而不易激发铁磁谐振。（2）减少同一网络中并联电压互感器台
11、数同一电网中，并联运行的电压互感器台数越多，总的伏安特 性会变得越差，总体等值感抗也越小，如电网中电容电流越大， 则容易发生铁磁谐振。所以变电所母线并联运行时，只需投入一 台作绝缘监视用，其余退出。若不能退出时，可将其高压侧接地 的中性点断开。用户变电所的电压互感器中性点应不接地，只作 为测量仪表和保护用。（3）电压互感器高压侧中性点串接单相电压互感器电压互感器高压侧中性点串接单相电压互感器（即零序电压 互感器）。主电压互感器一次线圈接成星形，其中性点经零序电 压互感器接地。该方案相当于中性点接入一个高阻抗，其结果使 三相电压互感器的等值电感显著增大，从而易实现X/X 0.01C T的条件，避
12、免了由于饱和而引起的铁磁谐振。但同一电网中，如 有多组电压互感器，则必须每组均按此接线方有效，且三相电压 互感器中性点对地电压（零序电压）亦被抬高。（4）在电压互感器高压侧中性点串接电阻该方法中串入的电阻实际上等价于每相对地串接，也就是 在铁磁谐振的串联谐振回路中串入电阻.此电阻可增大系统阻尼, 消耗谐振的幅度和能量.虽然电阻值越大，抑制谐振效果越好,但 阻值太大会影响系统接地保护的灵敏度,电压互感器中性点电位 要抬高，有可能超过半绝缘电压互感器中性点的绝缘水平。实用中一般为几十kQ。也可利用消谐器进行消谐，该装置由多个非线性电阻串联 而成，接在TV 一次侧绕组中性点与地之间，如LXQ型、RX
13、Q型 等消谐器。它是利用电阻来阻尼TV铁芯饱和引起的铁磁谐振。 研究表明，当消谐器电阻R26%TV在线电压下的励磁阻抗时，基 本上可以消除铁磁谐振。(5) 在电磁式电压互感器的开口三角形绕组中加装阻尼绕组在电磁式电压互感器的开口三角形绕组中加装阻尼绕组或 白炽灯泡，使在谐振时开口三角形绕组中产生附加励磁电流，改 变TV 一次侧的等效电感。可消除各种谐波的谐振，R用于消耗 电源供给谐振的能量，能够抑制铁磁谐振过电压。对于35kV及 以下的电网一般要求R值为几欧至几十欧。理论上其电阻值越 小，效果越好，R=0时相当于系统中性点直接接地。实际上经研 究，R=1Q时效果最佳。通常，用于消谐的开口三角的
14、电阻RW 04Xt(Xt为电压互感器的励磁电抗换算到TV开口三角绕组两端 值)。实用中一般为30Q或300500W灯泡。如果将阻尼电阻长期接在开口三角形绕组中，则由于其容 量的限制，阻值不能过小，否则当系统发生持续性单相接地故障 时在开口三角形绕组两端将出现100V工频零序电压，从而造成 电压互感器的严重过载。最好采用一种非线性电阻，其冷态电阻 仅几欧，经过23秒后电阻值将缓慢上升到100欧左右，既能 满足可靠消谐又能满足互感器的容量要求。不少厂家对引入的阻 尼电阻进行了改进，利用晶闸管制造了自动改变电阻值的自动消 谐装置，由晶闸管和鉴频电路组成，如KFX型消谐器。在正常运 行时，晶闸管截止，
15、开口三角间电阻为数百兆欧的高阻状态，一 旦发生铁磁谐振，当开口处出现约25Hz的电压时，鉴频电路向 晶闸管门极输出一个大于0.7V的电压信号，晶闸管导通短接开 口三角形绕组，达到消除谐振的作用。谐振消除后切除阻尼电阻， 恢复系统正常接线。消谐器对消谐装置的控制回路要求非常高， 要求能够准确判断消谐产生时间，投入阻尼电阻，若判断失误， 过早将阻尼绕组投入，此时就会在阻尼电阻上流过过电流。(6) 在母线上加装对地电容，使达到X/X W0.01。C TX/X 0.01不易发生铁磁谐振，因此在10kV以下的小变电C T站可加装中性点接地的电容组或用一般电缆代替架空线，也可利 用母线上安装的补偿电容器(
16、大部分配电站已安装，一般未投 入)，当发生谐振或倒闸后电压表显示混乱时，可把电容器投入， 增大母线电容，待谐振消除后再切除电容器以避免过补偿。对大 变电所连接有多台电压互感器的情况，因需增设电容量较大，不 宜采用。对于空母条件下的铁磁谐振，可利用投入空载线路的办 法消除。(7) 系统中性点经消弧线圈接地系统中性点经消弧线圈接地相当于在TV每一相励磁电感上 并联一个电感，由于消弧线圈的电感值比TV励磁电感小得多，相 当于将TV等效零序电感短路,打破了参数匹配关系，使谐振不易 产生。但对于对地电容较小的系统，由于电容电流较小所需采用 消弧线圈电感值较大，虽然能抑制谐振的产生，但过大的电感会 使得暂态震荡更加剧烈。(8) 采用电容式电压互感器电容式
