铁磁谐振的分析及实验开发研究

摘要：论述了由电压互感器电感的非线性引起的铁磁谐振的机理、产生原因和抑制措施，介绍了铁磁谐振的培训实验线路和实验方法。

关键词：电压互感器；铁磁谐振；实验开发

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0187-03

在配电网中，10kV电网的变压器中性点几乎都是不接地的，35kV电网变压器的中性点也有相当部分不接地。在这种中性点不接地系统中，由于检测的需要，电压互感器的中性点是接地的，因而其各相线圈电感和对应相的系统对地电容形成一个并联回路。电压互感器是带有铁芯的一种铁磁器件，它的电感是非线性的，会随着运行参数的不同而改变，在正常运行时，互感器不饱和，其电感很大，三相是对称的。当发生某种冲击扰动时，如雷电、线路断线、电网产生瞬间接地等故障，都可能使三相电路的对称性遭到破坏，引起一相或两相对地电压突然升高，就会产生并联谐振，一般称为电压互感器铁磁谐振，从而使电压互感器饱和而流过大大超过额定值的电流，导致电压互感器高压熔断器熔断或电压互感器烧毁，过电压还会引起绝缘破坏及避雷器爆炸事故，危及电网安全供电。

电压互感器铁磁谐振是配电网一个比较普遍且影响较大的故障，其产生的原因是多种多样的，必须结合具体电网进行针对性的分析处理，到电力生产一线的电力专业毕业生经常会遇到这种事故。但目前本专科电力专业的电力系统运行教材都很少涉及这一技术问题，更没有开出这方面的实验，致使他们在工作中面对这种事故时往往束手无策。因此，研究开发铁磁谐振实验，使学生掌握铁磁谐振的基本原理、分析处理方法和防止措施，并且培养学生分析和解决工程实际问题的能力，是十分必要的。铁磁谐振发生在10～35kV电网中，要在实验室用低压电路进行模拟有很大难度，经过多年的探索和实践，成功开发了铁磁谐振的整套实验，收到了良好的教学效果。

一、铁磁谐振产生的机理

中性点不接地系统如图1所示，各相对地电压由下面公式计算得出：

所以中性点位移电压反映了一次侧的零序电压，后者是前者的三倍。由式（6）可知，如果三相对地电压对称，中性点的位移电压为零，则铁磁谐振是在各相对地参数的对称性遭到破坏时才会产生。

由式（4）可知，中性点的位移电压值主要取决于三相导纳之和（YA+YB+YC）的大小，而各相导纳又取决于式（3）中的互感器各相电感L和对地电容C（设频率一定，1/r为零），而各相L、C是随所在电网运行工况而变的。在正常运行时，互感器不饱和，其电抗很大，一般比对地电容的容抗大得多，各相导纳表现为容性且大致相等，中性点的位移电压是很小的。但如前所述，在一些不对称情况下，假如参数配合使总导纳接近于零，会导致系统中性点的位移电压大大增加，就会产生铁磁谐振。从式（1）可知，各相对地电压是其电源电压和中性点位移电压的相量和，这会使一相、两相或三相对地电压显著升高。

二、铁磁谐振产生的原因

中性点不接地系统运行中，有多种原因会引起电压互感器铁磁谐振。

1.系统单相接地

在中性点不接地的三相系统中，当一相发生接地时，接地相对地电压为零，未接地两相对地电压升高到线电压。单相接地故障发生后，如果发生间歇性弧光接地，会产生几倍于正常电压的过电压，导致电磁式电压互感器铁芯饱和引起的铁磁谐振过电压，造成严重的短路事故，这种情况最为常见。

2.雷电干扰

雷电流是一个幅值很大、陡度很高的冲击波电流，电网遭受直击雷或感应雷击时，雷电流从输电线路上进入而导致其对地电压瞬间升高，使线路发生瞬间单相弧光接地，以致引发铁磁谐振。电压互感器烧毁或高压熔断器熔断往往发生在雷电活动频繁时，就是这一原因。

3.线路断线

线路发生断线后，断线相对地电容便会减小，导致相对地导纳降低，各相合成导纳的数值和相位差别将变大，因而引起中性点位移，并使某些相电压升高，从而引发铁磁谐振。

4.空载母线充电

变电站因检修或其他原因停电而恢复供电时，往往先对母线充电，然后再向用户送电。当母线带电空载运行时，由于母线对地电容较小，其容抗往往与接于母线上的电压互感器的激磁电抗同一数量级，因而（YA+YB+YC）很小，而三相电路参数总会存在差异，所加电压不可避免地也存在不对称，加上三相合闸不会绝对同时，可能使中性点位移电压大大升高产生铁磁谐振。这时电压互感器会因饱和发出声响，三相电压升高或指针摆动。

5.互感器的励磁特性差

在配电网中，中性点不接地系統铁磁谐振频发，与互感器的励磁特性差直接相关。一些厂家为了省材料、降成本，减少互感器铁心截面和线圈匝数，使互感器在外因的诱发下很易饱和。

三、铁磁谐振培训实验开发

1.铁磁谐振实验接线

铁磁谐振实验接线如图2所示，由下列主要设备组成：一是隔离变压器组TM。由三台BK-100型220V/220V隔离变压器通过YNy接法组成。一次侧外接AC380V电源，二次侧独立形成中性点不接地系统。二是电压互感器组TV。由三台JDG-0.5型单相电压互感器组成，变比为V，接线方式为星形—星形—开口三角。电压互感器一、二次侧星形中性点接地。三是消弧线圈L。用一台1kVA单相调压器代替，隔离变压器TM中性点经QL和调压器输出端连接后接地。调压器输出由最大调至零，可改变电抗值。四是母线。每相通过两只1?F、630V的电容接地，模拟线路的对地电容。A相上有开关Qc可断开，对地泄漏电阻假设为无穷大。五是可调电感TB。由两台1kVA的单相调压器1TB、2TB串联而成，通过开关Qv和电压互感器并联。六是接地线路。隔离变压器TM二次侧A相通过开关Qd接地，可以实现单相接地或不接地。七是电压表PV和电流表PA。

2.铁磁谐振产生的实验

正常无故障时，线路三相的导纳呈容性且大致相等，中性点位移电压和开囗三角零序电压都很小。假设线路在电源端A相断线，完全忽略该相的对地电容，使系统各相对地参数不平衡，这时A相的导纳只有互感器的感抗而呈感性，故使总导纳YA+YB+YC大幅降低，使中性点位移电压显著上升，各相对地电压随之上升且不平衡，非断线B、C相的电压互感器趋于饱和，从而激发铁磁谐振。分析和实验表明，产生铁磁谐振后，A相对地电压变化不大，而B、C相对地电压升高较多，且C相最高可达到相电压的3倍。

在图2的接线做实验时，为了模拟线路电源端完全断线，要打开Qc将A相原接的两只电容断开，然后合上电源测量各相对地电压及中性点对地电压等参数，将各项数据与正常运行值对比，观察和分析铁磁谐振时各量的变化。由于实验会使电压互感器B、C相对地电压升高，因此不要长时间通电，实验完后就要断开电源。另外，还可以只断开A相一只电容作不完全断线实验，断开两相电容做两相断线实验。这一产生铁磁谐振的实验方法简单易行，可以从容观察铁磁谐振现象，但在实际的配电系统中，因同一电压系统有多条线路运行，一条线路在电源端完全断线，也不会使该相对地电容趋于零，因而实际系统因单纯断线（不接地）产生铁磁谐振的几率不大。另一个产生铁磁谐振的实验方法是调节电压互感器电感。铁磁谐振产生的内因是电压互感器电感的非线性，在外加电压升高时互感器趋于饱和，但采用可调的高电压不易实现也不安全，故可设法在正常电压下调节互感器的电感进行模拟。为此在电压互感器一次A相绕组并联一台可调电感器，如图2所示，它由两台调压器串联而成。当电感调到最大时，互感器的等效电感基本不变，当电感调到最小时，互感器的等效电感为零，等于A相接地。

实验时将图2的Qv合上，调节调压器模拟电感从最大值缓慢减小，观察电压互感器三相電流表读数的变化，当某一相读数突然变大时，说明已发生铁磁谐振，观察和记录有关的数据并进行分析。

3.铁磁谐振防止措施实验

以下实验都是模拟线路A相在电源端完全断线，即打开Qc将A相原接的两只电容断开，激发铁磁谐振，然后采取不同的措施来抑制铁磁谐振。

（1）电压互感器TV中性点接电阻。电压互感器TV一次侧绕组中性点经500Ω、200W的电阻接地，然后合上电源后记录有关数据，观察分析这一措施对铁磁谐振的抑制作用和效果。将1000Ω、2000Ω电阻分别进行接地实验，比较不同电阻值的抑制情况，实验中可用一台可调滑线电阻器代替固定电阻。

（2）电压互感器TV开口三角接电阻。在电压互感器TV开口三角绕组接上100W灯泡，合上电源后测量记录有关数据，观察分析这一措施对铁磁谐振的抑制作用和效果。将100W灯泡改为200W，比较不同电阻值的抑制情况。

（3）电压互感器中性点接零序互感器。将电压互感器TV的开口三角绕组短接，然后在一次侧绕组中性点串接一台零序电压互感器（可采用一台单相380/100V互感器），测量零序电压互感器二次侧绕组电压，分析零序电压互感器对铁磁谐振的抑制作用。

（4）采用消弧线圈。用一台单相调压器代替，变压器TM中性点经调压器输出端接地，将调压器输出由最大调至零，观察铁磁谐振消除的情况，记录相关数据，由于消弧线圈的电感比电压互感器小得多，消弧线圈应放在电感很小的位置上。

根据实验数据综合分析以上各种措施对抑制铁磁谐振的作用和效果。需要指出的是，本实验装置实际上是一个小电流接地系统的综合实验平台，在其上面可以做单相接地故障、断线故障、电压互感器等多项实验。

四、结语

铁磁谐振是配电网常见故障。铁磁谐振的内在原因为电压互感器电感的非线性，外在原因则存在很多不确定性，研究铁磁谐振产生的原因并提出有效地解决措施，对保障电网的安全运行具有非常重要的意义。开发铁磁谐振的培训实验，使培训讲解与动手实践相结合，对学生掌握铁磁谐振的基本原理、处理方法和防止措施，并且培养分析和解决工程实际问题的能力，提高培训实效是十分必要的。铁磁谐振实验装置的构建简单易行、成本低廉，适合在高校电力专业和电力部门培训中应用。

参考文献：

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（责任编辑：孙晴）