铁磁谐振过电压的危害及处理措施

马海，蒋由页

1 引言

在电力系统中包含了许多电感元件、比如系统中的发电机、消弧线圈、变压器以及电磁式电压互感器等［1－3］。在正常工作状态下，电压互感器的非线性电感运行在非饱和区(线性区域)，但是在受到扰动时，如发生单相接地故障、断路器操作、大功率电动机的开停等，电感的工作状态会跃变到饱和区，导致电流电压异常上升，电压互感器烧毁或高压侧保险熔断，这种现象称为“铁磁谐振”［4－7］。

在60kV及以下的中性点不接地系统上，铁磁谐振是一种常见故障，经常引起运行中的电压互感器烧毁及一次高压熔丝频繁烧断等事故［8－10］。由于铁磁谐振发生时间短，不宜直接观察，并且与电力系统的一些其他故障现象相似，所以不易引起重视和被发现。因此对铁磁谐振的判别及防止措施进行分析和归纳具有现实意义。

案例:中石化西北油田分公司发电一厂35kV开关厂2010年35kV I段、II段PT高压侧保险各烧毁1次;2011年至今35kV开关厂II段PT高压侧保险烧毁5次。此外，今年发电二厂也发生过数次PT高压侧保险烧毁，八区也曾发生过类似故障。

2 铁磁谐振过电压

2.1 铁磁过电压产生机理

首先讨论最简单的有铁磁元件的振荡电路［11］，如图1。

其中ω=2πf;C为电容;L为电感;E为外加电压。

图1

发生谐振时，即发生基波谐振，基波分量较其他频率分量(高次及分次频率)显著上升，为了便于分析可忽略其他分量，而认为谐振时的电压和电流都是基波频率的正弦函数。由于铁磁电感具有非线性特征，求解这一电路采用图解法，如图2。

图2

回路的工作点为ΔU曲线与外加电压E水平线的交点，图示有a1，a2，a3三个交点，这三点都可决定回路的工作状态，但其性能是不一样的。如果E从零上升，电流相应从零上升，会在a1点稳定下来。而当电感经受了巨大的电流冲击(例如突然合闸的巨大涌流，或者巨大的短路电流)，工作点越过ΔU曲线最高点到达a2点，但a2点并不是稳定工作点，电路自动偏离谐振条件而跃变到新的稳定工作点a3。使电路由原来的感性状态转变为容性状态，电路相位发生180°反转。

2.2 铁磁谐振过电压的危害

表1 电压互感器铁磁谐振过电压和过电流

2.3 铁磁谐振的鉴别

单相接地是电力系统最常见的故障，在中性点不接地系统中，它的接地电流小，难于实现有选择性的灵敏的接地保护。铁磁谐振的故障现象与单相接地有相同之处，所以发生铁磁谐振(即虚幻接地)时，往往使运行人员误认为是系统单相接地，造成查找的时间延误，常导致设备的损坏和运行的紊乱。此外电压互感器的损坏会引起继电保护的误动作和仪表误指示等，因此有必要对铁磁谐振与单相接地等其他故障现象进行区别。

3 防止铁磁谐振的措施

为防止铁磁谐振过电压，可在三方面采取措施:

(1)改变电感、电容的参数，使其不具备匹配条件，不易激发一起谐振;

(2)消耗谐振能量，阻尼、抑制或消除谐振的发生;

(3)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倒闸措施，现场具体措施如下:

3.1 改善电压互感器的励磁特性

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，使用一般过电压水平下不足以进入其深度饱和区，因而构不成谐振的匹配参数。

3.2 减少同一网络中并联电压互感器台数

同一电网中，并联运行的电压互感器台数越多，总体伏安特性会变得越差，总体等值感抗也越小。

3.3 系统中性点经消弧线圈或电阻接地

该方法相当于在电压互感器每一相励磁电感上并联一个消弧线圈的电感，因消弧线圈的电感较电压互感器相对地的电感小，差几个数量级，完全打破了参数匹配的关系，使铁磁谐振不易发生。中性点经电阻接地的方法可以限制各类故障时中性点移位电压幅值，从而抑制了铁磁谐振的发生。

3.4 在电压互感器高压侧中性点串接电阻

在串联谐振回路中串入电阻，磁电阻可消耗谐振的幅度、能量和阻尼，抑制谐振。同一网络运行多台电压互感器，则每台都必须安装消谐器方能有效。

表2

其作用原理是:

①较大的RN值可以限制通过PT绕组电流，从而限制了PT的饱和程度;

②线路电压升高时，随着电流增大RN分压比增大，PT饱和电感分压下降，也起了降低饱和的作用;

在非线性电感的情况下，L不再是固定值，但电阻的阻尼作用是一样的，RN越大，阻尼效果越好。若RN→∞，则L不参与零序回路，也就不存在PT饱和引起的过电压问题。但RN太大后，会影响系统接地保护的灵敏度。

3.5 案例分析及处理措施

根据现场分析，排除雷击、短路等原因致使电压互感器高压侧保险烧毁。一相电压明显降低，另外两相电压相等，约为相电压。判断为铁磁谐振引起，铁磁饱和，励磁电流激增，烧毁一次保险。从简单、经济、安全上考虑，采用电压互感器高压侧中性点串接电阻比较可行。5月2日，在35kV开关厂I段和II段PT各安装了RXQ-35KV一次消谐装置，该消谐装置采用大容量非线性电阻片组成。由于运行时间较短，具体效果还有待观察。

4 总结

至今，塔河电网对铁磁谐振过电压引起的故障分析还不够，对故障没有进行搜集、分类和总结，另外对故障现象没有很好地描述和检测。今后的工作可以在加强理论学习的基础上，搜集分析此类故障，并找寻到彻底地解决方法。

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