学文网摘 要：本文论述了电力系统铁磁谐振的现象、产生原因及防治消除谐振的方法。
关键词：铁磁谐振 电感 电容
近年随着电网的快速发展，各种电压等级的网络都有较大的变化，尤其是中性点不接地为系统的中低压电网的扩大，出线回路数不断增多、线路增长，电缆线路的逐渐增多，电网对地电容电流亦大幅度增加，以前电网中少有发生的铁磁谐振现象，现在却时有发生，我局的35kV城区站、八台站、青花站曾一度经常出现谐振，在短短两个月时间内，10kV母线PT就烧坏三台，PT高压保险熔断就更是常见。由于谐振时会产生过电压，给电网安全造成了积大的威胁，甚至还会诱发产生更为严重的电力系统事故。下面就电网中的铁磁谐振谈谈我个人的认识。
一、概述
铁磁谐振是由铁心电感元件，如发电机、变压器、电压互感器、电抗器、消弧线圈等和和系统的电容元件，如输电线路、电容补偿器等形成共谐条件，激发持续的铁磁谐振，使系统产生谐振过电压。谐振过电压事故是最为频繁的，在各种电压的电网中都会产生，在电网中会严重的影响安全运行。铁磁谐振其主要危害有：系统过电压、绝缘击穿、PT烧毁、避雷器爆炸等。
电力系统的铁磁谐振可分二大类：一类是在中低压电压等级中性点非直接接地系统的电网中，由于对地容抗与电磁式电压互感器励磁感抗的不利组合，在系统电压大扰动作用下而激发产生的铁磁谐振现象，也即并联谐振，是造成事故较多的一种内部过电压，轻则熔断保险，重则烧毁设备；另一类是，当用220kV、110kV带断口均压电容的主开关或母联开关对带电磁式电压互感器的空母线充电过程中，或切除带有电磁式电压互感器的空母线时，操作暂态过程使连接在空母线上的电磁式电压互感器组产生的铁磁谐振现象。
二、铁磁谐振的现象及特点
现象：
1、基波谐振。过电压小于等于3倍相电压，一相电压下降（不为0），两相电压升高大于相电压；或两相电压下降（不为0），一相电压升高，线路电压正常。有接地信号。谐振过电流很大。
2、高次谐波谐振。过电压小于等于4倍相电压三相对地电压一起升高，远大于相电压，线路电压正常。有接地信号。谐振过电流较小。
3、分次谐波谐振。过电压小于等于2倍相电压。三相对地电压依相序轮流升高，一般在1.2至1.4倍相电压作低频摆动，约每秒一次，线电压正常。有接地信号。谐振过电流很大。
特点：
1、谐振回路中铁心电感为非线性的，电感量随电流增大、铁心饱和而趋于平稳。
2、铁磁谐振需要一定的激发条件，使电压电流幅值从正常工作状态转移到谐振状态。
3、谐振存在自保持现象，激发因素消失后，铁磁谐振过电压仍然可以继续长期存在。
4、铁磁谐振过电压一般不会非常高，过电压幅值主要取决于铁心电感饱和程度。
三、铁磁谐振产生的原因分析
1、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。
2、电力系统铁磁谐振产生的条件
电力系统中许多元件是属于电感性的或电容性的，如电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈为电感元件，补偿用的并或串联电容器组、高压设备的寄生电容为电容元件，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，在一定的能源作用下，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，极容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耗和相间电容，仅考虑电压互感器电感L 与线路的对地电容Co ，当C大到一定值，且电压互感器不饱和时，感抗XL大于容抗XCo。而当电压互感器上电压上升到一定数值时，电压互感器的铁芯饱和，感抗XL小于容抗XCo，这样就构成了谐振条件。
3、中性点不接地系统中，为了监视绝缘，变电站的母线上通常接有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，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，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。
4、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，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行。在中性点直接接地电力系统中，一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心电感的涌流现象。这时候很容易和断路器的均压电容一起形成铁磁谐振。
四、铁磁谐振对电力系统安全运行的影响
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2h不致于引起用户断电。但随着中低压电网的扩大，出线回路数增多、线路增长，电缆线路的逐渐增多，中低压电网对地电容电流亦大幅度增加，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，致使电网中绝缘薄弱的地方放电击穿，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、由于谐振后产生的过电压，可能造成设备绝缘击穿，以致烧毁，还有可能引起避雷器爆炸等。
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，可能造成变电运行人员的误判断，从而作出不正确的处理决定，带来不必要的损失。
五、防止铁磁谐振的措施
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。下面谈谈常用消谐措施。
中性点不接地系统常见的消谐措施
1、采用励磁特性较好的电压互感器
若电压互感器伏安特性非常好，电压互感器有可能在一般的过电压下还不会进入较深的饱和区，从而不易构成参数匹配而出现谐振。从某种意义上来说，这是治本的措施。电压互感器的励磁特性越好，产生电压互感器谐振的电容参数范围就越小，虽可降低谐振发生的概率， 但一旦发生，过电压、过电流会更大。
2、在母线上装设中性点接地的三相星形电容器组，增加对地电容这种方法，当增大各相对地电容Co，使XCo/XL
3、电流互感器高压侧中性点经电阻接地，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。系统单相接地有两个过渡过程，一是接地时；二是接地消失时。接地时，当系统某相接地时，该相直接与地接通，另两相对地也有电源电路（如主变绕组）成为良好的金属通道。因此在接地时的三相对地电容的充放电过程的通道，不会走电压互感器高压绕组，就是说发生接地时电压互感器高压绕组中不会产生涌流，因为已有某相固定在地电位，也就不会发生铁磁谐振。但是当接地消失时，情况就不同了。在接地消失的过程中，固定的地电位已消失，三相对地的金属通道已无其他路可走，只有走电压互感器高压绕组，即此时三相对地电容（零序电容）3Co中存储的电荷，对三相电压互感器高压绕组电感L/3放电，相当一个直流源作用在带有铁芯的电感线圈上，铁芯会深度饱和。在高压绕组中性点安装电阻器Ro后，能够分担加在电压互感器两端的电压，从而能限制电压互感器中的电流，相当于改善电压互感器的伏安特性。
4、电压互感器二次侧开三角绕组接阻尼电阻，在三相电压互感器一次侧中性点串接单相电压互感器或在电压互感器二次开口三角处接入阻尼电阻，用于消耗电源供给谐振的能量，能够抑制铁磁谐振过电压，其电阻值越小，越能抑制谐振的发生。若R=0，即将开口三角两端短接，相当于电网中性点直接接地，谐振就不会发生。
中性点直接接地系统谐振消除方法及优缺点
1、尽量保证断路器三相同期、防止非全相运行。
2、改用电容式电压互感器（CVT），从根本上消除了产生谐振的条件，但是电容式电压互感器价格高、带负载能力差、且仍带有电感，二次侧仍要采用消谐措施。
3、电容吸能消谐，对幅值较高的基频谐振比较有效，但对于 幅值较低的分频谐振往往难以奏效。
4、在开口三角形回路中接入消谐装置，能自动消除基频和分频谐振。
5、当参数处在串联谐振范围时，母线停电的操作顺序：先拉母线电压感器，以切断L，再拉母联断路器，送电时顺序相反。
6、电源向母线升压时，先合断路器，使C短接，再升压。
7、当变压器向接有PT的空载母线合闸充电时，应将变压器中性点接地或经消弧线圈接地。
综上论述，电力系统的铁磁谐振可以在一定程度上得到抑制和解决，但要彻底杜绝其铁磁谐振带来的危害，目前科技尚有待探索，但我们作为电力工作者，应利用自己所学尽可能避免谐振危害的发生，以确保电力系统安全稳定运行。
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