DQZHAN技術訊：淺談電力系統中的鐵磁諧振
本文主要論述了電力系統中的鐵磁諧振產生的主要原因、發生諧振時的現象、危害以及消除諧振的辦法
0前言
近年由于瀘州電網的快速發展、再加上今年又是電網建設年，瀘州電網也進行了大量的改造和擴建工程，大到500kV、小到10kV配網都有較大的變化，使得整個網絡變得更加復雜、靈活、堅強。但就是因為電網結構的較大變化(如中低壓電網的擴大，出線回路數增多、線路增長，電纜線路的逐漸增多，中低壓電網對地電容電流亦大幅度增加等)以前電網中少有發生的鐵磁諧振現象，現在卻時有發生，由于諧振時會產生過電壓，給電網**造成了積大的威脅，如不采取有效的消除措施，可能會造成設備損壞、甚至還會誘發產生更為嚴重的電力系統事故。下面就電網中的鐵磁諧振談談我個人的認識、見解。
1.概述
鐵磁諧振是由鐵心電感元件，如發電機、變壓器、電壓互感器、電抗器、消弧線圈等和系統的電容元件，如輸電線路、電容補償器等形成共諧條件，激發持續的鐵磁諧振，使系統產生諧振過電壓。
電力系統的鐵磁諧振可分二大類：一類是在66kV及以下中性點絕緣的電網中,由于對地容抗與電磁式電壓互感器勵磁感抗的不利組合,在系統電壓大擾動(如遭雷擊、單相接地故障消失過程以及開關操作等)作用下而激發產生的鐵磁諧振現象;另一類是發生在220kV(或110kV)變電站空載母線上，當用220kV、110kV帶斷口均壓電容的主開關或母聯開關對帶電磁式電壓互感器的空母線充電過程中，或切除(含保護整組傳動聯跳)帶有電磁式電壓互感器的空母線時，操作暫態過程使連接在空母線上的電磁式電壓互感器組中的一相、兩相或三相激發產生的鐵磁諧振現象，即串聯諧振，簡單地講就是由高壓斷路器電容與母線電壓互感器的電感耦合產生諧振由于諧振波僅局限于變電站空載母線范圍內，也稱其為變電站空母線諧振。
2.鐵磁諧振的現象
2.1鐵磁諧振的形式及象征
2.1.1基波諧振：一相對地電壓降低，另兩相對地電壓升高超過線電壓;或兩相電壓降低、一相電壓升高超過線電壓、有接地信號發出。
2.1.2分次諧波：三相對地電壓同時升高、低頻變動
2.1.3高次諧波：三相對地電壓同時升高超過線電壓
2.2串聯諧振的現象：線電壓升高、表計擺動，電壓互感器開口三角形電壓超過100V
3.鐵磁諧振產生的原因及其分析
3.1鐵磁諧振產生的原因：
3.1.1有線路接地、斷線、斷路器非同期合閘等引起的系統沖擊
3.1.2切、合空母線或系統擾動激發諧振
3.1.3系統在某種特殊運行方式下，參數匹配，達到了諧振條件
3.2串聯諧振產生的原因：進行刀閘操作時，斷路器隔離開關與母線相連，引發斷路器端口電容與母線上互感器耦合滿足諧振條件
3.3電力系統鐵磁諧振產生的原因分析
電力系統是一個復雜的電力網絡，在這個復雜的電力網絡中，存在著很多電感及電容元件，尤其在不接地系統中，常常出現鐵磁諧振現象，給設備的**運行帶來隱患，下面先從簡單的鐵磁諧振電路中對鐵磁諧振原因進行分析。
3.4簡單的鐵磁諧振電路中諧振原因分析
在簡單的R、C 和鐵鐵芯電感L電路中，假設在正常運行條件下，其初始狀態是感抗大于容抗，即ωL > (1/ωC)，此時不具備線性諧振條件，回路保持穩定狀態。但當電源電壓有所升高時，或電感線圈中出現涌流時，就有可能使鐵芯飽和，其感抗值減小，當ωL = (1/ωC)時，即滿足了串聯諧振條件，在電感和電容兩端便形成過電壓，回路電流的相位和幅值會突變，發生磁諧振現象，諧振一旦形成，諧振狀態可能“自保持”，維持很長時間而不衰減，直到遇到新的干擾改變了其諧振條件諧振才可能消除。
3.5電力系統鐵磁諧振產生的條件
電力系統中許多元件是屬于電感性的或電容性的，如電力變壓器、互感器、發電機、消弧線圈為電感元件，補償用的并或串聯電容器組、高壓設備的寄生電容為電容元件，而線路各導線對地和導線間既存在縱向電感又存在橫向電容，這些元件組成復雜的LC 震蕩回路，在一定的能源作用下，特定參數配合的回路就會出現諧振現象。由于鐵芯電感的磁通和電流之間的非線性關系，電壓升高導致鐵芯電感飽，極容易使電壓互感器發生鐵磁諧振。在中性點不接地系統中，如果不考慮線路的有功損耗和相間電容，僅考慮電壓互感器電感L 與線路的對地電容Co ,當C大到一定值，且電壓互感器不飽和時，感抗XL大于容抗XCo。而當電壓互感器上電壓上升到一定數值時，電壓互感器的鐵芯飽和，感抗XL小于容抗XCo，這樣就構成了諧振條件，下列幾種激發條件可以造成鐵磁諧振：
3.5.1電壓互感器的突然投入;
3.5.2線路發生單相接地;
3.5.3 系統運行方式的突然改變或電氣設備的投切;
3.5.4系統負荷發生較大的波動;
3.5.5 電網頻率的波動;
3.5.6負荷的不平衡變化等。
電壓互感器的鐵磁諧振必須由工頻電源供給能量才能維持下去如果抑制或消耗這部分能量，鐵磁諧振就可以抑制或消除。在我國6—10KV 配電網內，發生互感器引起的諧振過電壓情況甚為頻繁，每到雷雨季節，熔斷電壓互感器保險的情況頻繁發生。
3.6 中性點不接地系統鐵磁諧振產生的原因
中性點不接地系統中，為了監視絕緣，發電廠、變電所的母線上通常接有Yo接線的電磁式電壓互感器，由于接有Yo接線的電壓互感器，網絡對地參數除了電力導線和設備的對地電容Co外，還有互感器的勵磁電感L，由于系統中性點不接地，Yo接線的電磁式電壓互感器的高壓繞組，就成為系統三相對地的**金屬通道。正常運行時，三相基本平衡，中性點的位移電壓很小。但在某些切換操作如斷路器合閘或接地故障消失后，由于三相互感器在擾動后電感飽和程度不一樣而形成對地電阻不平衡，它與線路對地電容形成諧振回路，可能激發起鐵磁諧振過電壓。電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振過電壓是中性點不接地系統中*常見和造成事故*多的一種內部過電壓。在實際運行設備中，由于中性點不接地電網中設備絕緣低，線樹矛盾以及絕緣子閃烙等單相接地故障相對頻繁，一般說來，單相接地故障是鐵磁諧振*常見的一種激發方式。
3.7 中性點直接接地系統鐵磁諧振產生的原因
若中性點直接接地，則電壓互感器繞組分別與各相電源電勢相連，電網中各點電位被固定，不會出現中性點位移過電壓;若中性點經消弧線圈接地，其電感值遠小于電壓互感器的勵磁電感，相當于電壓互感器的電感被短接，電壓互感器的變化也不會引起過電壓。但是，當中性點直接接地或經過消弧線圈接地的系統中，由于操作不當和某些倒閘過程，也會形成局部電網在中性點不接地方式下臨時運行。在中性點直接接地電力系統中，一般鐵磁諧振的激發因素為合刀閘和斷路器分閘。在進行此操作時，由于電路內受到足夠強烈的沖擊擾動，使得電感L 兩端出現短時間的電壓升高、大電流的震蕩過程或鐵心電感的涌流現象。這時候很容易和斷路器的均壓電容Ck一起形成鐵磁諧振。
4.鐵磁諧振對電力系統**運行的影響
通過以上分析，我們就能夠明白，當線路發生單相接地或斷路器操作等干擾時，造成電壓互感器電壓升高，三相鐵芯受到不同的激勵而呈現不同程度的飽和，電壓互感器的各相感抗發生變化，各相電感值不相同，中性點位移產生零序電壓。由于線路電流持續增大，導致電壓互感器鐵芯逐漸磁飽和，當滿足ωL=1/ωC時，即具備諧振條件，從而產生諧振過電壓，其造成的主要影響如下：
4.1中性點不接地系統中，其運行方式的主要特點是單相接地后，允許維持一定的時間，一般為2h不致于引起用戶斷電。但隨著中低壓電網的擴大，出線回路數增多、線路增長，電纜線路的逐漸增多，中低壓電網對地電容電流亦大幅度增加，單相接地時接地電弧不能自動熄滅必然產生電弧過電壓，一般為3—5倍相電壓甚至更高，致使電網中絕緣薄弱的地方放電擊穿，并且在過電壓的作用下極易造成**點接地發展為相間短路造成設備損壞和停電事故，嚴重威脅電網**運行。
4.2在發生諧振時，電壓互感器一次勵磁電流急劇增大，使高壓熔絲熔斷。如果電流尚未達到熔絲的熔斷值，但超過了電壓互感器額定電流，長時間處于過電流狀況下運行，必然造成電壓互感器燒損。
4.3諧振發生后電路由原來的感性狀態轉變為容性狀態，電流基波相位發生180°反轉，發生相位反傾現象，可導致逆序分量勝于正序分量，從而使小容量的異步電動機發生反轉現象。
4.4產生高零序電壓分量，出現虛幻接地和不正確的接地指示。
5.常用的消諧方法及優缺點
多年來，國內外專家學者對鐵磁諧振做了大量研究，在理論分析方面，前人進行了大量卓有成效的工作，闡明了這類非線性諧振問題中所蘊含的不同于線性諧振的豐富內容，給我們提供了堅實的理論基礎。一般來講，消諧應從兩方面著手，即改變電感電容參數以破壞諧振條件和過吸收與消耗諧振能量以抑制諧振的產生，或使其受阻尼而消失。下面是常用的消諧方法。
5.1中性點不接地系統常見的消諧措施
5.1.1 采用勵磁特性較好的電壓互感器
目前，在我單位新建變電站電壓互感器選型時盡量采用采用勵磁特性較好的電壓互感器。電壓互感器伏安特性非常好，如每臺電壓互感器起始飽和電壓為1.5 Ue，使電壓互感器在一般的過電壓下還不會進入飽和區，從而不易構成參數匹配而出現諧振。顯然，若電壓互感器伏安特性非常好，電壓互感器有可能在一般的過電壓下還不會進入較深的飽和區，從而不易構成參數匹配而出現諧振。從某種意義上來說，這是治本的措施。但電壓互感器的勵磁特性越好，產生電壓互感器諧振的電容參數范圍就越小。雖可降低諧振發生的概率, 但一旦發生,過電壓、過電流更大。
5.1.2 在母線上裝設中性點接地的三相星形電容器組，增加對地電容這種方法，當增大各相對地電容Co，使XCo/XL<0.01時(諧振區為小于0.01或大于3)回路參數超出諧振的范圍，可防止諧振。通過對兩種典型伏安特性的鐵芯電感進行模擬試驗。試驗結果表明，諧振區域與阻抗比XCo/XL有直接關系，對于1/2分頻諧振區,阻XCo/XL 約為0.01~0.08;基波諧振區，XCo/XL約為0.08~0.8;高頻諧振區，XC0/XL約為0.6~3.0。當改變電網零序電容時，XCo/XL 隨之改變，回路中可能出現由一種諧振狀態轉變為另一種諧振狀態。如果零序電容過大或過小，就可以脫離諧振區域，諧振就不會發生。
5.1.3 電流互感器高壓側中性點經電阻接地，由于系統中性點不接地，Yo接線的電磁式電壓互感器的高壓繞組，就成為系統三相對地的**金屬通道。系統單相接地有兩個過渡過程，一是接地時;二是接地消失時。接地時，當系統某相接地時，該相直接與地接通，另兩相對地也有電源電路(如主變繞組)成為良好的金屬通道。因此在接地時的三相對地電容的充放電過程的通道，不會走電壓互感器高壓繞組，就是說發生接地時電壓互感器高壓繞組中不會產生涌流，因為已有某相固定在地電位，也就不會發生鐵磁諧振。但是當接地消失時，情況就不同了。在接地消失的過程中，固定的地電位已消失，三相對地的金屬通道已無其他路可走，只有走電壓互感器高壓繞組，即此時三相對地電容(零序電容)3Co中存儲的電荷，對三相電壓互感器高壓繞組電感L/3放電，相當一個直流源作用在帶有鐵芯的電感線圈上，鐵芯會深度飽和。對于接地相來說，更是相當一個空載變壓器突然合閘，疊加出更大的暫態涌流。在高壓繞組中性點安裝電阻器Ro后，能夠分擔加在電壓互感器兩端的電壓，從而能限制電壓互感器中的電流，特別是限制斷續弧光接地時流過電壓互感器的高幅值電流，將高壓繞組中的涌流抑制在很小的水平，相當于改善電壓互感器的伏安特性，
5.1.4 電壓互感器一次側中性點經零序電壓互感器接地，此類型接線方式的的電壓互感器稱為抗諧振電壓互感器，這種措施在部分地區有成功經驗，其原理是提高電壓互感器的零序勵磁特性，從而提高電壓互感器的抗燒毀能力，已有很多廠家按此原理制造抗諧振電壓互感器。但是應注意到，電壓互感器中性點仍承受較高電壓，且電壓互感器在諧振時雖可能不損壞，但諧振依然存在。
5.1.5電壓互感器二次側開三角繞組接阻尼電阻，在三相電壓互感器一次側中性點串接單相電壓互感器或在電壓互感器二次開口三角處接入阻尼電阻，用于消耗電源供給諧振的能量，能夠抑制鐵磁諧振過電壓，其電阻值越小，越能抑制諧振的發生。若R=0，即將開口三角兩端短接，相當于電網中性點直接接地，諧振就不會發生。但在實際應用中，由于原理及裝置的可靠性欠佳，這些裝置的運行情況并不理想。二次側電子消諧裝置仍有待從理論、制造上加以完善。在單相持續接地時, 開三角繞組也必須具備足夠大的容量; 這類消諧措施對非諧振區域內流過電壓互感器的大電流不起限制作用
5.1.6 中性點經消弧線圈接地，中性點經消弧線圈接地有以下優點：瞬間單相接地故障可經消弧線圈動作消除，保證系統不斷電;長久單相接地故障時消弧線圈動作可維持系統運行一定時間，可以使運行部門有足夠的時間啟動備用電源或轉移負荷，不至于造成被動;系統單相接地時消弧線圈動作可有效避免電弧接地過電壓，對全網電力設備起保護作用;由于接地電弧的時間縮短，使其危害受到限制,因此也減少維修工作量;由于瞬時接地故障等可由消弧線圈自動消除，因此減少了保護錯誤動作的概率;系統中性點經消弧線圈接地可有效抑制單相接地電流，因此可降低變電所和線路接地裝置的要求，且可以減少人員傷亡，對電磁兼容性也有好處。可見,中性點諧振接地是中壓電網(包括電纜網絡) 乃至高壓系統的比較理想的中性點接地方式。但是由于不適當操作或某些倒閘過程會導致局部電網在中性點不接地方式下臨時運行, 所以這種系統也曾經發生過電壓互感器諧振,同時安裝消弧線圈自然會增加投資，此外,消弧線圈自身的維護和整定還需要不斷的完善。
5.2中性點直接接地系統諧振消除方法及優缺點
5.2.1盡量保證斷路器三相同期、防止非全相運行。
5.2.2改用電容式電壓互感器(CVT)，從根本上消除了產生諧振的條件，但是電容式電壓互感器價格高、帶負載能力差、且仍帶有電感,二次側仍要采用消諧措施。增加對地電容,操作時讓母線帶上一段空線路或耦合電容器。
5.2.3帶空載線路可以很好地消諧，但有可能產生一個很大的沖擊電流通過互感器線圈,對互感器不利，而耦合電容器十分昂貴,目前尚無高壓電容器。
5.2.4與高壓繞組串接或并接一個阻尼繞組，可消除基頻諧振，在
發生諧振的瞬間投入此阻尼電阻將會增加投切設備和復雜的控制機構。
5.2.5電容吸能消諧，對幅值較高的基頻諧振比較有效，但對于
幅值較低的分頻諧振往往難以奏效。
5.2.6在開口三角形回路中接入消諧裝置，能自動消除基頻和分頻諧振，需在壓變開口三角繞阻回路中增加1根輔助邊線，增大了投資。
5.2.7采用光纖電壓互感器，可以有效地消除諧振。價格較高, 還需要在現場中進一步實驗。
6.從運行操作方面去防止諧振的發生
以上是從設備、技術方面考慮，我們還要從運行操作方面去防止諧振的發生。
6.1控制XcE/XL的比值，盡量躲開諧振區。
6.1.1 當XCo/XL≤0.01或XCo/XL≥3時不產生鐵磁諧振
6.1.2 當運行相電壓Up除以額定電壓Un等于0.58時極易發生分頻或基波鐵磁諧振。
6.1.3 改變運行方式，以改變網絡參數，消除諧振
6.1.4 當電壓互感器的XL一定時，增加對地電容Co，XCo將減小，XCo/XL的比值也隨之減小，是防止鐵磁諧振發生的有效方法。倒閘操作中增加Co的方法一般有:外接電容、介入空載線路或空載變壓器、介入電纜線路、拉母聯或分段斷路器等。
6.2控制電源電壓、降低鐵磁諧振的工作點，使Up/Ue≠0.58。
6.3注意倒閘操作中的操作步驟。
6.3.1 當參數處在串聯諧振范圍時，母線停電的操作順序：先拉母線電壓感器，以切斷L，再拉母聯斷路器，送電時順序相反;如220kV、110kV帶斷口均壓電容的主開關或母聯開關對帶電磁式電壓互感器的空母線充電時，為防止合上兩側刀閘后因斷開電容的耦合作用有可能與空母線電磁式電壓互感器產生串聯諧振，應先合上開關，后合電壓互感器刀閘，如屬新安裝的電磁式電壓互感器投產時應考慮帶上互感器對母線充電。
6.3.2 電源向母線升壓時，先合斷路器，使C短接，再升壓;
6.3.3 當母差保護動作跳閘時，是一條母線停電，也要及時拉開母聯斷路器的隔離開關或母線TV的隔離開關，以切斷L-C回路。
6.3.4 運行中注意監視備用母線的情況，發現異常，及時進行處理。熱備用母線，如發現母線電壓又指示時，應首先考慮是否發生了串聯鐵磁諧振。，此時應盡快合上母聯斷路器將C短接或拉開TV隔離開關;如在系統運行方式和倒閘操作過程中出現了開關斷口電容與空母線電磁式PT造成的串聯諧振，不管是合開關時出現的諧振過電壓，還是拉開關后出現的諧振過電壓，*直接有效的辦法是迅速拉開或合上主開關或母聯開關。如上述措施無法實現時，應迅速匯報調度，合上備用線路開關。由于諧振時電壓互感器一次繞組電流很大，應禁止用電壓互感器或直接取下一次側熔斷器的方法來消除諧振。
6.3.5 當變壓器向接有TV的空載母線合閘充電時，應將變壓器中性點接地或經消弧線圈接地。
6.3.6 系統發生并聯諧振時，應瞬間短接TV開口三角形繞組，有時也可以消除諧振，尤其是分頻諧振特別有效。
7.結束語
為防止電力系統中發生鐵磁諧振，杜絕鐵磁諧振給電網帶來的不**影響，從事電網調度工作更是義不容辭的責任，這需要我們在工作中一點一滴地做起，確實為保證電網**運行、共創和諧社會做出更多努力。

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