基于66 kV系统TV铁磁谐振现象分析

耿莉娜，钟雅风，何伯男

铁磁谐振是电力系统自激振荡的一种形式，是由变压器、电压互感器等铁磁电感的饱和作用引起的持续性、高幅值的谐振过电压现象。在中性点不接地系统中，TV铁磁谐振可使系统产生过电压或过电流，危及电气设备的绝缘，烧毁电压互感器，影响保护装置工作，严重危害电力系统运行。

1 铁磁谐振原理

电力系统铁磁谐振主要发生在中性点不接地系统中，等值电路［1］如图1所示。

通过节点法可得系统中性点电压:

图1 TV电感与系统对地电容等值电路图

式中

系统正常运行时，互感器铁心工作在线性区，感抗很大，三相导纳基本对电网呈容性，中性点位移电压UN=0。

当系统某一相由于过电压而饱和时，电感减小，等值电路如图2所示。

图2 TV铁心饱和时的等值电路

由UN=得，当YA+YB+YC=0时，系统中性点电压理论上趋向无穷大，此时系统出现谐振。

将图2中性点以下部分用戴维南定理等效成电源，得:

由式 (2)可得戴维南等效简化电路如图3所示。可见，铁磁谐振是串联谐振。

图3 戴维南等效简化电路

实际运行和试验表明，在铁心电感回路中，可能发生分频谐振、高频谐振等其它频率的谐振。科学家Shott H.S.和Peterson H.A.提供了一个非常简便的方法［2］。图4为Peterson曲线，给出了不同谐波的共振区域。由图4可见，随着比值XC0/XL的增大，依次发生1/2分次谐波、基波和3次谐波谐振，所需电压Eφ也逐渐增大。当XC0/XL处在2个共振区域边界时，将产生极复杂的多个频率的振荡。当XC0/XL在0.6～3.0时，产生的谐振为3次谐波谐振;当XC0/XL在0.1～0.6时，产生的谐振为基波谐振;当XC0/XL在0.01～0.1时，产生的谐振为1/2分频谐振。

图4 Peterson曲线图

工频谐振一般表现为两相电压升高而一相电压降低;谐波谐振表现为三相对地电压同时升高，其中以1/2分频和3次谐波谐振最常见。

基频谐振和高频谐振将在电压互感器上产生谐振过电压，而分频谐振将在电压互感器上产生上百倍额定电流的谐振过电流，可使TV熔丝熔化、母线电压信号消失。若熔丝选择不当，还可能使TV爆炸，形成母线三相短路，直接使相邻断路器跳闸，电气主设备退出运行。

2 66 kV系统TV铁磁谐振案例分析

2011年2月3日18:28某变电站2号电抗器C相故障，过流I段保护动作，切除2号电抗器，66 kV母线电压不正常，至21:07 1号主变66 kV侧TV B、C相爆炸。

根据事故录波曲线和相关资料建立仿真模型［3－4］，仿真结果与实际录波图的对比如图5、图6所示。图5为2号电抗器故障切除时段的1号变压器低压侧三相电压实际录波图与仿真结果，图6为2号电抗器故障切除时段的1号变压器低压侧零序电压实际录波图与仿真结果。

仿真波形与实际录波波形较相似，由图5可见，C相电压跌落至0，A、B相电压升高，电抗器切除后，三相电压发生1/2分频谐振;由图6可见，零序电压从无到有，频率降到25 Hz。

图7为谐振发生时1号主变低压侧C相电压曲线仿真结果曲线，可以看出，电压幅值由故障前的额定电压变到最大有效值达到额定电压近2倍左右，与实际录波电压基本一致。图8为谐振发生时1号主变低压侧TV一次绕组三相电流仿真曲线，可以看出，故障时流经1号主变低压侧TV一次绕组的电流激增，与实测数据基本一致。

图9为1号主变低压侧三相电压录波曲线频率显示图，1号主变低压侧电压畸变时的主要频率约为25 Hz和50 Hz。图10为1号主变低压侧C相电压仿真曲线傅里叶频谱分析结果，1号主变低压侧电压畸变的主振频率主要为25 Hz和50 Hz，是典型的1/2分频铁磁谐振，与实际录波曲线一致。

由以上的实际录波曲线和仿真曲线可得该变电站TV烧损爆炸原因和激发条件为2号电抗器故障跳闸。其原因是1号主变66 kV侧产生1/2分频铁磁谐振。

3 消谐措施

a． 选用励磁特性好的电压互感器

图10 1号主变低压侧C相电压仿真曲线傅里叶频谱分析结果

TV产生谐振的根本原因是由于其励磁特性曲线不佳，在谐振过电压下很快饱和，导致励磁电流剧增。励磁特性好的TV，一般的电压水平不会进入深度饱和区，不易形成谐振的匹配参数。理论上线性度越好的TV越不容易产生谐振，但工艺上实现有一定的困难，一般要求TV在1.9Um

b． 采用系统中性点经消弧线圈接地方式

系统中性点经消弧线圈接地，能补偿接地电流熄灭电弧，消弧线圈能完全消除因电磁式TV参数变化引起的电网铁磁谐振［5］。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1个电感，由于消弧线圈的电感值比TV励磁电感小很多，相当于将TV等效零序电感短路，打破了参数匹配关系，使其不易产生谐振。

c． 采用电容式电压互感器

采用电容式电压互感器从根本上消除了产生谐振的条件［6］，防止产生谐振。

d． 采用二次消谐［7］

图9 1号主变低压侧三相电压录波曲线频率显示图

在开口三角回路加装阻尼电阻 (有固定电阻和电子型)。电子型是目前普遍采用的微机型消谐器，其原理是电压互感器发生铁磁谐振时，中性点产生位移，使三相电压不对称，互感器饱和，出现零序磁通，高压绕组流过零序电流，在开口三角两端感应零序电压，接有电阻时，则有零序电流流通。这个电流是对高压绕组中的零序电流所建立的磁通起去磁作用。二次零序电流越大，去磁效果越好，短接时效果最好，如果长期处于短接状态，则可能不发生谐振。因此，利用可控硅，在发生谐振时，由CPU采集数据，超过正常电压值后可控硅导通，使谐振瞬间消除。谐振消失后，可控硅又恢复阻断状态。

［1］ 王林峰．电磁式电压互感器的谐振及主要限制方法 ［J］．河北电力技术，2003，22(1):15－17．

［2］ 梅成林，张超树．电压互感器铁磁谐振分析 ［J］．电网技术，2008，52(s2):311－313．

［3］ 雷 娟，郭 洁，高 媛，等．铁磁谐振仿真模型的探讨［J］．电瓷避雷器，2007，50(4):33－37．

［4］ 葛 栋，鲁铁成，王 平．配电网铁磁谐振消谐机理仿真计算研究［J］．高电压技术，2003，29(11):15－17．

［5］ 孙 杰，朱福桥．铁磁谐振分析及其防治［J］．电气时代，2007，27(12):74－75．

［6］ 刘占荣，韩 敏．一种消除电磁式电压互感器铁磁谐振方法的探讨与实践 ［J］．高压电器，2006，42(4):317－318．

［7］ 戴宪滨．电磁式电压互感器铁磁谐振及消谐方法的分析［J］．电气开关，2010，48(1):4－5．