摘要：本文探讨了中性点不接地系统铁磁谐振及过电压产生的诱因、特点、判别和危害，根据铁磁谐振导致设备损坏的外部特征，分析了消除铁磁谐振的方法和措施。
关键词：铁磁谐振；过电压
引言
电力系统中有许多电感、电容元件，例如电力变压器、互感器、发电机、电抗器等的电感；线路导线的对地与相间电容、补偿用的串联和并联电容器组、各种高压设备的等值电容。它们的组合可以构成一系列不同自振频率的振荡回路。当系统进行操作或发生故障时，某些振荡回路就有可能与外加电源发生谐振现象，导致系统中某些设备上出现过电电压，严重时会使电气设备或线路中的绝缘薄弱点击穿，造成接地或短路从而引起停电事故，直接威胁电力系统安全运行。必须采取有效的防范对策，保证系统和设备安全。
1铁磁谐振
1.1铁磁谐振基本原理
铁磁谐振仅发生于含有铁芯电感的电路中。铁芯电感的电感值电压、电流的大小而变化，不是一个常数，所以铁磁谐振又称为非线性谐振。图1为最简单的R、C和铁芯电感L的串联电路。假设在正常运行条件下，其初始状态是感抗大于容抗，即
，此时不具备线性谐振条件。但当铁芯电感两端电压有所升高时，或电感线圈中出现涌流时，就有可能使铁芯饱和，其感抗随之减小。当降至
（即 
），满足串联谐振条件，发生谐振，且在电感和电容两端形成过电压，这种现象称为铁磁谐振现象。因为谐振回路中电感不是常数，故回路没有固定的谐振频率（即 
非定值）。当谐振频率f0为工频（50HZ）时，回路的谐振称为基波谐振；当谐振频率为工频的整数倍（如3倍、5倍等）时，回路的谐振称为高次谐波谐振。同样的回路中也可能出现谐振频率为分次（如1/3次，1/5次等）的谐振，成为分次谐波谐振。
1.2电磁式电压互感器饱和引起的谐振过电压
在中性点不接地系统中，为了监视三相对地电压，在母线上常接有 
接线的电磁式电压互感器。如图2所示。 
为电压互感器各相的励磁电感，
为三相电源电势，
为各相导线对地电容。正常运行是，电压互感器的励磁阻抗是很大的，所以每相对地阻抗（
并联后）呈容性，三相基本平衡，电网中性点0的位移电压很小。但当系统中出现某些扰动，使电压互感器各相电感的饱和程度不同时，就可能出现较高的中性点位移电压，可能激发起谐振过电压。
常见的使电压互感器产生严重饱和的各种扰动有：电压互感器的突然合闸，使得某一相或两相绕组出现较大的励磁涌流；由于雷击或其他原因使线路发生瞬时单相弧光接地，使健全相上电压突然升高到线电压，而故障相在接地消失时又可能有电压的突然上升，在这些暂态过程中会有很大的涌流；传递过电压，例如高压绕组侧发生单相接地或不同期合闸，低压侧有传递过电压使电压互感器铁芯饱和。
既然过电压是由零序电压（即中性点位移电压）引起的，那么网络零序参数的不同，外界激发条件的不同，使这种谐振过电压可以是基波谐振过电压，也可以是高次谐波或分次谐波谐振过电压。下面分析基波谐振过电压的产生过程。
如图2，中性点的位移电压
正常运行时， 
所以 
各相对地导纳呈容性（电压互感器励磁电感与 
并联值），也即流过 
的电容电流大于流过
的电感电流。
由于扰动的结果使电压互感器上某些相的对地电压瞬时升高，假定B相和C相的对地电压瞬时升高，由于电感的饱和使
减小，使流过
的电感电流增大，这样就有可能使得B相和C相的对地导纳变成电感性，即
为感性导纳，而
为容性导纳，容性导纳与感性导纳的抵消作用使
显著减小，导纳中性点位移电压大大增加。如参数配合不当使 
，则发生串联谐振，使中性点位移电压急剧上升。
中性点位移电压升高后，三相导线的对地电压等于各相电源电势与中性点位移电压的相量和，如图3所示。相量叠加的结果使B相和C相的对地电压升高，而A相的对地电压降低。这种结果与系统出现单相接地（如A相接地）时出现的结果是相仿的，但实际上并不存在单相接地，所以此时所出现的这种现象称为虚幻接地现象。显然，中性点位移电压愈高，出现相对地的过电压也愈高。
我国长期来的实验研究和实测结果表明，由电磁式电压互感器饱和所引起的基波和高次谐波谐振过电压很少超过3p.u.，因此除非存在弱绝缘设备，一般是不危险的，但其经常引起电压互感器喷油冒烟，高压熔断器熔断等异常现象以及引起接地指示的误动作（虚幻接地）。对于分次谐波过电压来说，由于受到电压互感器铁芯严重饱和的限制，过电压一般不超过2p.u.，但励磁电流急剧增加，引起高压熔断器的频繁熔断甚至造成电压互感器的烧毁。
2铁磁谐振的危害
2.1谐振引起三相电压不平衡
谐振引起的三相电压不平衡三种情况：
（1）基频谐振：当一相电压降低，两相电压升高超过线电压，说明系统发生基波谐振，其特征类似于单相接地，此时查找故障原因时不易找到故障点。若不是接地原因，可能就是谐振引起的。
（2）分频谐振：当三相电压均升高，过电压数值较小，说明系统发生分频谐振。
（3）高频谐振：当三相电压均升高，过电压数值较大，说明系统发生高频谐振。
还应该引起注意的是，空投母线切除部分线路或单相接地故障消失时，如出现接地信号，且一相、两相或三相电压超过线电压，电压表指针打到头，并同时缓慢移动，或三相电压轮流升高超过线电压，遇到这种情况，一般均属谐振引起。
2.2铁磁谐振导致设备损坏特征
铁磁谐振导致设备损坏，对设备而言，有3个明显的外部特征：
（1）设备损坏前各种试验数据正常，运行中无异常表现，不容易引起人们的警惕。
（2）设备损坏后，有铁芯和绕组的电气设备，因强大的暂态耦合励磁电流将绕组烧毁，而使设备损坏。
（3）铁磁谐振引起过电压，使电气设备损坏，与设备短路引发的系统故障或事故有明显的区别。发生铁磁谐振引起过电压，系统会出现幅值不等的上下波动，表计应有反应；而设备短路，短路点的电压趋近于零，而短路电流趋近于无穷大。当然系统发生铁磁谐振也会过渡为短路事故。
2.3铁磁谐振的危害
（1）铁磁谐振过电压，会使那些有铁芯的电气设备中的铁芯迅速饱和，导致绕组的励磁电流迅猛增涨。严重时，可达额定励磁电流的百倍以上。从而引起电压互感器的熔断器熔断、喷油、绕组烧毁甚至爆炸。
（2）在某些特定情况下，铁磁谐振过电压可能会很高（最大为相电压的3倍左右），会使电气设备的绝缘击穿而导致这些设备损毁。
（3）铁磁谐振过电压，会引起有污秽的电气设备（如电压互感器、电流互感器、避雷器、绝缘子等）的瓷裙表面闪络而爆炸，甚至会形成短路。
（4）铁磁谐振过电压出现时，电网中可能并无接地点，但会出现电压一相降低两相升高的虚假接地现象，使运行值班人员造成错觉，形成误判。
（5）铁磁谐振过电压出现时，如果工作、保护等接地网的接地电阻不合格，此过电压还可以通过设备的接地引线，窜入接地网，使接地电压升高，从而危及现场人员的人身安全。
3消除铁磁谐振的方法
铁磁谐振过电压会损坏设备，导致事故的发生和扩大，甚至造成系统瓦解，危及人身安全，它的影响和危害极大，必须采取限制铁磁谐振过电压的措施。而消谐应从两方面着手，即改变电气参数以破坏谐振条件和吸收与消耗谐振能量以抑制谐振的产生。常用的消谐方法有以下几种。
3.1改变电气参数
（1）装设继电保护设备
当电网发生单相接地故障时，为改变电压互感器的谐振参数，可以通过装设一套继电保护设备来实现。该装置是利用单相接地时所产生的较大谐振电流，启动电流继电器投入，将电压互感器二次侧开口三角处绕组短接。当故障排除后，保护装置恢复原状，电压互感器恢复正常运行。
（2）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。
（3）减少电压互感器台数
在同一电网中，应尽量减少电压互感器的台数，尤其是限制中性点接地电压互感器的台数。如变电站只作为测量仪表和保护用的电压互感器，其中性点不允许接地。
（4）串接单相互感器
在三相电压互感器一次侧中性点串接单相互感器，使三相电压互感器等值电抗显著增大，可避免因深度饱和而引起的谐振。
（5）每相对地加装电容器
在母线上加装一定的对地电容，使达到 
，（
为互感器在额定线电压作用下换算到低压侧的单相绕组励磁阻抗）谐振也就不能发生。
（6）在中性点装设消弧线圈
在10 kV系统中发生谐振，且单相接地电流值较大或接近30 A时，可将中性点通过消弧线圈接地。
（7）投入备用线路
当系统中只有一组电压互感器投入的情况下，若供电线路总长度较短时，可投入部分备用线路，以增加分布电容来防止谐振的发生。
3.2消耗谐振能量
（1）在电磁式电压互感器的开口三角绕组中加阻尼电阻。
在电磁式电压互感器的开口三角绕组中加阻尼电阻，阻值R≤0.4
为互感器在额定线电压作用下换算到低压侧的单相绕组励磁阻抗）这样可以消除各种谐波的谐振现象出现。对于35kV及以下电网，一般要求R值为10~100Ω，若阻尼电阻长期接在开口三角绕组中，则阻值不能过小，否则当系统内发生持续单相接地故障时，开口三角绕组两端将出现100V工频零序对电压，从而造成互感器过载。为此最好采用非线性电阻，这样既可以保证可靠地消除电压，又能满足互感器的容量要求。
（2）在电压互感器一次侧中性点与地之间串接消谐电阻
此电阻可用以削弱或消除引起系统谐振的高次谐波。模拟试验表明：即使系统发生单相接地故障，也不会激发分频铁磁谐振。但阻值太大，则会影响系统接地保护的灵敏度。
（3）装设消谐装置
可在电压互感器的开口三角绕组处直接装设消谐装置，当发生谐振时，电压在设计周波下达到动作值时，装置的鉴频系统自动投入“消谐电阻”吸收谐振能量，消除铁磁谐振。消谐装置动作较可靠，还可以记录故障时的电压、振荡频率等参数，利于事故分析，现采用此方法较多。
结束语
谐振是一种稳态现象，因此谐振过电压不仅会在操作或故障时的过渡过程中产生，而且还可能在过渡过程结束后，较长时间内存在，直到发生新的操作或故障，谐振条件受到破坏为止。所以一旦出现这种不仅幅值较高而且持续时间较长的谐振过电压，往往会造成严重后果。运行经验表明，谐振过电压可在各电压等级的电网中产生，尤其是在35kV及以下的电网中，由谐振过电压造成的事故较多，已成为一个普遍关注的问题。因此必须在设计和操作时事先进行必要的计算和安排，避免形成不利的谐振回路，或者采取一定的消谐措施，以防止谐振的产生或降低谐振过电压的幅值及缩短其持续时间。
参考文献：
[1]张一尘主编 .高电压技术（第二版）.北京：中国电力出版社，2007.01
[2]周泽存主编 .高电压技术（第二版）.北京：中国电力出版社，2004
论文作者:刘雪松
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/11
标签：谐振论文; 过电压论文; 电压互感器论文; 电压论文; 绕组论文; 单相论文; 相电压论文; 《电力设备》2018年第20期论文;