電力系統(tǒng)中,由于雷擊或其它原因,線路瞬間單相接地,使健全相電壓突然升至線電壓,而故障相在接地消失時(shí)又可能有電壓的突然上升,在這些暫態(tài)中也會(huì)有很大涌流;傳遞著過電壓,如高壓供電線路發(fā)生單相接地,低壓側(cè)就有傳遞過電壓，使電壓互感器鐵芯飽和，由于電壓互感器三相電感飽和程度不同,會(huì)出現(xiàn)互感器的一相或兩相電壓升高,也可能三相電壓同時(shí)升高，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)引起諧振, 造成PT 過電流、過熱冒油、爆炸、母線短路、PT 保險(xiǎn)熔斷等事故，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。本文就此現(xiàn)象，對電磁式PT 引起的鐵磁諧振過電壓數(shù)值特征及諧振判據(jù)進(jìn)行了分析，從而選用一種或綜合應(yīng)用幾種合理措施進(jìn)行阻抑。

一、鐵磁諧振形成的原因

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，由于接地保護(hù)的需要，和監(jiān)視三相對地電壓,發(fā)電廠、變電站母線上常接有Yο 接線的電磁式電壓互感器,于是,電網(wǎng)參數(shù)除了電力設(shè)備和導(dǎo)線的對地電容Cο 之外,還有電壓互感器的勵(lì)磁電感L ,正常運(yùn)行時(shí),電壓互感器的勵(lì)磁阻抗是很大的,電網(wǎng)對地阻抗是容性,三相基本平衡,電網(wǎng)中性點(diǎn)的位移電壓很小,但電力系統(tǒng)出現(xiàn)某些擾動(dòng),造成電壓互感器三相電感飽和程度不同時(shí),就可能激發(fā)引起諧振過電壓。

電壓互感器與電網(wǎng)線路對地電容并聯(lián)形成諧振回路，電磁式電壓互感器的電感是非線性的，這種諧振回路為非線性諧振回路，或稱鐵磁諧振回路，如圖1。

通常，在正常運(yùn)行時(shí)，電壓互感器的感抗XL遠(yuǎn)大于電網(wǎng)對地電容的容抗XC，即XL與XC不會(huì)形成諧振，但由于某些原因，例如單相接地故障、線路合閘、雷電沖擊等，使電壓互感器的電感量發(fā)生變化，如果XL與XC匹配合適則將產(chǎn)生諧振。如圖1所示，正常運(yùn)行時(shí)互感器中性點(diǎn)N'和電源中性點(diǎn)N對地同電位，中性點(diǎn)不發(fā)生位移，當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，互感器一相、兩相或三相繞組電壓升高，各相對地電位發(fā)生變動(dòng)，但因電源電勢由發(fā)電機(jī)的正序電勢所固定，EA、EB、EC保持不變，在電網(wǎng)這一部分對地電壓的變動(dòng)則表現(xiàn)為電源中性點(diǎn)發(fā)生位移，而出現(xiàn)零序電壓。

根據(jù)圖1，解出中性點(diǎn)位移電壓如下式：

由(2)式可看出，當(dāng)ωcˊ=2/ωLˊ時(shí)則U0無窮大，即要發(fā)生諧振，這也意味著只有當(dāng)電壓互感器的感抗與線路容抗在一定比例下，三相中各阻抗不對稱，電源中性點(diǎn)產(chǎn)生位移條件下將產(chǎn)生諧振。

鐵磁諧振是由于電感元件的磁路飽和作用而激發(fā)的持續(xù)性的較高幅值的鐵磁諧振過電壓，其表現(xiàn)形式有單相、兩相、三相對地電壓升高，或以低頻擺動(dòng)，或產(chǎn)生高值零序電壓分量，出現(xiàn)虛幻接地現(xiàn)象和不正確的接地指示，在電壓互感器中出現(xiàn)過電流，使小容量異步電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)引起絕緣閃絡(luò)或避雷器、電壓互感器爆炸。在正常運(yùn)行條件下，感抗大于容抗，電路不具備諧振條件，當(dāng)鐵芯電感兩端的電壓升高時(shí)，電感線圈中出現(xiàn)涌流使鐵芯飽和，其感抗隨之減小，使感抗等于容抗，滿足諧振條件，在電感、電容兩端形成高的過電壓或過電流，這種現(xiàn)象稱為鐵磁諧振現(xiàn)象。

二、鐵磁諧振的基本特性

1、工頻諧振(基波諧振)

由互感器引發(fā)的基波諧振表現(xiàn)為一相電壓降低，兩相電壓升高，且中性點(diǎn)移到線電壓三角形之外，各相電壓相量圖如圖2。

基波諧振產(chǎn)生的過電壓幅值一般不高，對地穩(wěn)態(tài)過電壓不超過2倍最大過電壓，暫態(tài)過電壓也不過3.6倍最大過電壓。

2、高頻諧振(三次諧振波諧振)

在中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)中，由于電源不能向電壓互感器提供三次諧波勵(lì)磁電流，而使鐵芯中磁通為平頂波，含有三次諧波磁通，對于三個(gè)單相電壓互感器而言，三次諧波磁通可在每相電壓互感器鐵芯上流通，因而產(chǎn)生三次諧波電勢，使中性點(diǎn)位移產(chǎn)生而發(fā)生諧振。高頻諧振的表現(xiàn)是三相電壓同時(shí)升高，即在工頻電壓下迭加三次諧波電壓，因?yàn)楦飨嗷妷号c三次諧波電壓均相等，所以三相電壓指示相同。高頻諧振通常在空母線合閘的激發(fā)條件下產(chǎn)生。有時(shí)，變電站出線很短是也會(huì)發(fā)生。

高頻諧振會(huì)產(chǎn)生較高的過電壓，最高可達(dá)5.1倍暫態(tài)最大過電壓。

3、1/2分頻諧振

除了基波和三次諧波諧振以外，電壓互感器的鐵磁諧振電路還可產(chǎn)生低于電源頻率的分次諧波諧振，其中大多數(shù)為1/2次諧波諧振。1/2分頻諧振時(shí)，其諧波波源必然存在電源中性點(diǎn)與互感器高壓繞組中性點(diǎn)之間，它是零序性質(zhì)的。因此，分頻諧振電壓一般都認(rèn)為每相對地電壓為電源電勢(基波)和中性點(diǎn)位移電壓的相量和。

由此可見，1/2分頻諧振表現(xiàn)為三相對地電壓同時(shí)升高，實(shí)際上諧振頻率與1/2工頻略有差別，所以，電壓表計(jì)以低頻來回?cái)[動(dòng)。1 /2分頻諧振過電壓不高，不超過2.5倍暫態(tài)最大過電壓，這是由于鐵芯深度飽和所致。因?yàn)轭l率減半，互感器鐵芯中磁密要比額定時(shí)大1倍，使鐵芯飽和，勵(lì)磁感抗急劇下降，因而高壓繞組流過極大的過電流，一般可達(dá)幾十倍甚至上百倍額定電流，使互感器過熱并產(chǎn)生電動(dòng)力的破壞。由于是熱和電動(dòng)力的破壞，互感器往往有一發(fā)展過程，表現(xiàn)為互感器冒煙、熔絲熔斷、油浸互感器噴油等。

如果XC /XL處在兩種諧振區(qū)的交界處，有可能是發(fā)生基波振而后轉(zhuǎn)入分頻諧振。1/2分頻諧振的激發(fā)條件大都是單相接地故障又突然消除的暫態(tài)過程。由于其起振電壓較低，在一定條件下電網(wǎng)1/2分頻諧振是最容易發(fā)生的，而且破壞力很強(qiáng)，也是互感器出現(xiàn)燒壞事故的主要原因。

三、消除這種鐵磁諧振過電壓的措施

為了限制和消除這種鐵磁諧振過電壓,通常有三種方法。

1、互感器高壓中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地或零序電壓互感器接地

a)互感器高壓中性點(diǎn)加對地電阻。

互感器高壓中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，被稱為一次消諧，接線圖如圖3，電阻可以是線性的，也可以是非線性的，對于非線性電阻，在工作時(shí)，可保持中性點(diǎn)對地電位不超過互感器N端對地的絕緣水平。其消諧機(jī)理是單相接地消失時(shí)線路在由線電壓恢復(fù)到相電壓的過渡過程中，電容放電電流只能通過電壓互感器高壓繞組入地，這過電流的頻率很低，特別是電容較大的網(wǎng)絡(luò)中其頻率只有幾個(gè)HZ，放電電流一般可達(dá)到上百倍互感器正常的勵(lì)磁電流，因而會(huì)使互感器飽和，激發(fā)諧振也會(huì)使高壓熔斷器熔斷，由于放電電流可達(dá)到熔斷器瞬間熔斷的電流，因此，往往熔斷器熔斷，而保護(hù)了互感器，但有時(shí)這個(gè)電流小于熔斷器瞬時(shí)熔斷值，而引發(fā)諧振，則燒壞互感器。當(dāng)在中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地后，這個(gè)電阻即限制了放電電流，從而防止了熔斷器熔斷和諧振。單相接地電容放電電流如圖4。

一次消諧器也有一些弱點(diǎn)，即電阻的熱容量如果不夠的，會(huì)引起電阻的損壞，而失去消諧作用，一次消諧電阻如果過大，會(huì)產(chǎn)生危及N端對地的耐壓水平。一般，互感器N端對地耐壓水平為3kV，1min，所以要求消諧電阻上產(chǎn)生的壓降應(yīng)低于3kV。選用時(shí)要注意。另外,該消諧措施帶來一個(gè)弊病是三次諧波電流在電阻上產(chǎn)生壓降，已使開口角回路濾出的三次諧波電壓影響正常 運(yùn)行，也造成三相電壓不平衡。

b) 互感器高壓繞組中性點(diǎn)經(jīng)零序電壓互感器接地。

互感器高壓繞組中性點(diǎn)經(jīng)零序電壓互感器接地，即所謂“4VT”接法，屬于破壞諧振條件(指單相接地)類消諧措施。

線路圖如圖5，是由三個(gè)單相全絕緣電壓互感器和一個(gè)半絕緣(或全絕緣)單相電壓互感器構(gòu)成。其消諧原理是，當(dāng)單相接地時(shí)，電壓互感器的一次電壓出現(xiàn)零序和正序電壓，其正序電壓施加在接成三相星形的主PT上，即主PT上的各相電壓不發(fā)生變化，而零序電壓，則由三相主PT和零序電壓互感器承擔(dān)，由于三相主PT的零序繞組(開口角回路)短接，其零序阻抗很小，與零序電壓互感器的阻抗相比可以忽略，如此，零序電壓就幾乎全部加在零序電壓互感器上，即零序電壓互感器有相電壓產(chǎn)生，其二次側(cè)有電壓輸出而發(fā)出接地報(bào)警。當(dāng)接地消逝時(shí)，電容放電電流亦通過主PT一次繞組和零序PT一次繞組至地，由于零序PT的高阻抗及較大的直流電阻抑制了這個(gè)放電電流，不致引起互感器飽和而不發(fā)生諧振。由圖5 還可以看出，電壓表所測量的是各相對地的電壓，即為各二次繞組的電壓與零序互感器的電壓之和(相量和)。因此正常運(yùn)行時(shí)，電壓表測量的是相電壓，而在單相接地時(shí)則由于零序電壓互感器二次側(cè)有相電壓，其方向與接地相的正序電壓方向相反，即接地相的電壓表讀數(shù)為0，而其他非故障相的電壓上升到線電壓。因此，該接線可以反映接地的相別。

該接線也有一些弱點(diǎn)，由于開口角回路短接，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)單相斷線，變壓器空投母線，單相弧光接地等非正常工況下，由此產(chǎn)生的零序電壓而在開口角回路形成的環(huán)流，在電容量較大的電網(wǎng)中，這個(gè)環(huán)流可能超過互感器的熱容量而被燒壞;另外，該接線測量的零序電壓不準(zhǔn)確，同時(shí)，因?yàn)榱阈螂妷夯ジ衅魇浅Ｒ?guī)的產(chǎn)品，其感抗和直流電阻較小，沒有達(dá)到抑制超低頻振蕩電流的要求.

2. 在電磁式電壓互感器的開口三角形繞組中加裝阻尼電阻

在互感器開口角回路加阻尼電阻，有固定電阻和電子型，統(tǒng)稱二次消諧，電子型目前普遍采用的微機(jī)型消諧器其接線如圖6，其原理是，電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振時(shí)，中性點(diǎn)產(chǎn)生位移，使三相電壓不對稱，互感器飽和，出現(xiàn)零序磁通，高壓繞組流過零序電流，在開口角兩端，要感應(yīng)零序電壓，接有電阻時(shí)，則有零序電流流通。這個(gè)電流是對高壓繞組中的零序電流所建立的磁通起去磁作用的。二次零序電流越大，去磁效果越大，短接時(shí)效果最好，如果長期處于短接狀態(tài)，則可能不發(fā)生諧振。但短接對互感器是不能長期運(yùn)行的，只允許運(yùn)行1秒以內(nèi)。因此利用可控硅，在發(fā)生諧振時(shí)，由CPU采集數(shù)據(jù)，超過正常電壓值后使可控硅導(dǎo)通，使諧振瞬間消除。諧振消失后，可控硅又恢復(fù)阻斷狀態(tài)。

這種消諧器的弱點(diǎn)是一旦可控硅阻斷失效導(dǎo)通，開口三角處于永久性短路，在單相接地或 其他故障使三相電壓不平衡時(shí)，電壓互感器即處于短路運(yùn)行，會(huì)燒壞互感器，另外發(fā)生諧振后，由于采集數(shù)據(jù)的延時(shí)，可能會(huì)錯(cuò)過阻尼的最佳時(shí)間。

3. 在母線上加裝一定的對地電容,諧振也可消除。

增加電網(wǎng)電容，不使用電磁式電壓互感器，采電容式電壓互感器。

四、首鋼京唐公司變電站消諧采用的方法

在上述三種措施中,首鋼京唐公司變電站主要采用第二種措施,即在電磁式電壓互感器的開口三角加阻尼電阻。此阻尼電阻是加入微電腦多功能消諧裝置，該裝置采用80196 單片機(jī)作為核心，對PT開口三角繞組電壓(即零序電壓)進(jìn)行循環(huán)監(jiān)測，在正常工況下，該電壓為零，裝置內(nèi)的大功率可控硅消諧元件處于阻斷狀態(tài)，對系統(tǒng)無任何影響。當(dāng)系統(tǒng)處于故障工況，本裝置CPU對電壓互感器開口三角電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)測量、消除信號干擾、提高可信度等數(shù)字信號處理技術(shù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，診斷當(dāng)前的故障工況。如果是某種頻率的鐵磁諧振，CPU啟動(dòng)消諧電路，使鐵磁諧振在強(qiáng)大的阻尼下迅速消失，同時(shí)裝置給出指示。鐵磁諧振消除后，CPU作相應(yīng)記錄、存貯，并自動(dòng)顯示或打印、記錄有關(guān)諧振信息(包括發(fā)生時(shí)間、頻率、開口三角電壓幅值等)。如果是過電壓或單相接地，CPU作出診斷后，裝置分別給出指示和報(bào)警，可自動(dòng)顯示或打印故障信息。最后，CPU返回初始狀態(tài)，并繼續(xù)檢測開口三角電壓。

對于該消諧裝置來說，互感器開口三角形接有判斷一次設(shè)備是否接地等故障的二次保護(hù)裝置，一般情況下，回路中只有不平衡電流引起的弱電勢作用，消諧裝置和保護(hù)都不會(huì)有反應(yīng)，當(dāng)有接地等故障存在時(shí)或無故障而由于一次設(shè)備的某些影響，在開口三角形電感中就會(huì)產(chǎn)生較高的電勢，此感應(yīng)為暫態(tài)過程，如感應(yīng)電勢較低，保護(hù)動(dòng)作或發(fā)信號，如感應(yīng)暫態(tài)電勢過高，即會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象，此時(shí)消諧裝置迅速投入，投入很大的阻尼，分流電壓降，使電感電壓迅速下降，離開諧振點(diǎn)，從而達(dá)到消諧的目的。

五、微機(jī)消諧裝置應(yīng)用后效果

自從該裝置2008年10 月投入以來,經(jīng)歷了各種運(yùn)行條件的檢驗(yàn),成功的避免了兩次系統(tǒng)諧振。微機(jī)消諧裝置顯示，在2010年6月22日，220kV軋鋼變電站10kV系統(tǒng)出現(xiàn)1 / 2 次諧波諧振，開口三角電壓61V，諧振頻率24.9Hz,2011年11月3日，220kV軋鋼變電站10kV系統(tǒng)再次出現(xiàn)1 / 2 次諧振諧振，開口三角電壓63V，諧振頻率24.9Hz。以及數(shù)次接地故障運(yùn)行、雷電侵入的沖擊、空載運(yùn)行、沖擊合閘運(yùn)行,均沒有出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象,并且正確指示出各種故障的性質(zhì),正確動(dòng)作率達(dá)到100 % ,因此效果良好。

六、結(jié)束語

電力系統(tǒng)的鐵磁諧振過電壓雖然是一種普通現(xiàn)象,它給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的危害,甚至造成嚴(yán)重后果,所以必須采取措施防止其發(fā)生和發(fā)展。如今高科技在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,特別是微電腦多功能消諧裝置的應(yīng)用,徹底改變了傳統(tǒng)消除鐵磁諧振的方法,給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了必要條件。